隧道爆破振動對地表建筑的影響
——以京張高鐵懷來段某隧道為例

王 波， 郭 迅， 郭嘉源， 范曉慶， 宣 越， 查申申

(1.中國地震局地球物理研究所， 北京 100081； 2.防災科技學院， 廊坊 065201； 3.中鐵三局天津建設工程有限公司， 天津 300350)

一直以來，鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，在中國經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮至關重要的作用。在建設鐵路的過程中，為縮短距離和避免大坡道，工程上往往要進行隧道開挖，其中鉆爆法是比較常見的施工方法之一。然而隧道爆破振動不僅會影響已成形隧道的安全性和耐久性，還會影響周邊建筑物的正常使用功能。因此，實施隧道爆破振動安全控制，以減少“擾民”和“民擾”事件的發(fā)生顯得尤為重要[1]。中外學者針對這一問題進行了大量的研究工作。周俊汝等[2]認為爆破振動頻率是影響爆破振動危害的重要原因，通過數(shù)值模擬手段揭示了爆破振動頻率的衰減規(guī)律。李建旺[3]以玉渡山隧道為工程背景，采用完全重啟動分析法對爆破振動效應進行了研究，認為已成形隧道形成的爆破振動放大效應對建筑物產(chǎn)生的影響不可忽視。胡世敬[4]運用Midas GTS有限元分析軟件，建立了隧道爆破振動對地表影響模型，歸納了最大振速和振動加速度的變化規(guī)律。王蕊等[5]運用數(shù)值三維模型實體建模手段，得到了隧道爆破時下穿村莊建筑物的響應規(guī)律。王玲霞[6]結合實際工程案例，提出了爆破振動下地表振動速度和振動頻率的衰減規(guī)律。婁建武等[7]通過長期的爆破振動時結構振動響應監(jiān)測分析，提出了適宜當?shù)孛穹拷Y構的容許振速標準值。李勝林等[8]以某淺埋地鐵隧道爆破施工工程為背景，運用不同方法對比分析了地表振動衰減規(guī)律，認為日本株式會社公式的擬合分析效果較好。陳良兵等[9]對某隧道爆破施工進行了現(xiàn)場振動測試，分析表明既有臨空面的存在能顯著減小爆破振動效應。朱利明等[10]通過現(xiàn)場爆破試驗，認為采取微差爆破技術可有效減小振動速度峰值。歷建華等[11]總結多次爆破工程中建構筑物損傷特征，提出小于安全允許振速的多次爆破振動產(chǎn)生的累積效應也會對房屋造成非結構性損傷。樊浩博等[12]以某隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法對爆破振動引起的地表建筑響應進行了分析，提出振動速度不能完全反映建筑結構的受力狀況。

現(xiàn)以某鐵路隧道工程為背景，圍繞爆破引起的地表振動特點展開研究，對比分析了不同爆破方案下的地表振動強弱，并對當前的爆破安全評價標準進行了探討，確定了現(xiàn)場爆破引起的地表振動對周邊建筑物的影響程度，結果可為隧道爆破振動安全控制和房屋損傷評估提供參考。

1 工程概況

隧道位于河北省張家口市，全長4 880 m，下穿村莊段長度約300 m。如圖1所示，洞身位置地層為弱風化砂巖，基本承載力500 kPa，層厚10～19 m；洞身上覆層為粗圓礫土，基本承載力500 kPa，層厚27～47 m；地表覆土為新黃土，基本承載力130 kPa，層厚2～10 m。下穿村莊段圍巖等級為Ⅳ、Ⅴ級(表1)，局部采用爆破開挖施工。該地段周邊房屋密集，多為單層民居，以土木結構和磚木結構為主，抗震能力較為薄弱。當隧道施工至距村莊200 m時，當?shù)卮迕穹从潮埔鸬牡乇碚鸶忻黠@，已嚴重影響到人們的正常生活和房屋的安全性。

圖1 下穿村莊段地質(zhì)情況示意圖Fig.1 The geological characteristics of under-crossing village

2 測試方案及設備

為了評估爆破產(chǎn)生的地表振動對下穿村莊居民生活的影響，在隧道上方40～45 m，距爆破點水平距離1～84 m監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機取點進行現(xiàn)場測試(圖2)，關注隧道爆破引起的地表振動強度，獲得了隧道徑向、切向和豎向的振動加速度和速度。

圖2 現(xiàn)場測試Fig.2 The scheme of field test

表1 下穿村莊區(qū)域圍巖等級信息Table 1 The characteristics of surrounding rock in monitoring section

本次測試所使用的傳感器為中國地震局工程力學研究所生產(chǎn)的941B型動圈式加速度傳感器，該傳感器上設置四個檔位，分別對應加速度、小速度、中速度和大速度。拾振器輸出的是電壓信號，經(jīng)過放大器濾波處理進行優(yōu)化，傳至SigLab數(shù)據(jù)采集儀后保存到電腦中，數(shù)據(jù)處理時按照相對應的靈敏度換算成物理信號(加速度或速度)。SigLab數(shù)據(jù)采集器是由美國Spectral Dynamics公司開發(fā)的一種高性能振動信號記錄分析儀器，它有4通道A/D輸入和2通道模擬輸出(信號發(fā)生器)，分辨率為16 Bit，各道獨立采樣，經(jīng)過高陡度模擬、數(shù)字抗混濾波以后，每道可采集上至20 kHz的信號并且可實現(xiàn)多通道同步采集分析[13]。現(xiàn)場測試過程中，分別將傳感器檔位調(diào)制1檔和2檔，拾取地表振動加速度和速度。同時，選擇與941B拾振器配接的941放大器通頻帶為0.025～35 Hz。

3 測試結果分析

將各工況下的測點信息和對應測試結果匯總于表2、表3中。內(nèi)容涉及各測點距起爆點的水平距離、炸藥量、測點三向振動強度以及所使用的雷管類型。圖3、圖4展示了某測點記錄到的地表三向振速時程曲線和對應的傅里葉幅值譜。

表2 地表振速測試記錄Table 2 The test record of surface vibration velocity

3.1 地表三向振動強度

隧道爆破振動峰值通常由掏槽眼部分起爆所引起[14]，現(xiàn)場測試獲得了各測點的三方向振動強度。如圖5所示，對比結果顯示同一測點處的水平雙向地表振動強度一般略高于豎向。水平雙向振動強度對比分析不明顯，這是因為人工布設水平向傳感器時存在方位誤差，不能嚴格按照隧道徑向和切向進行布置，因此未獲得較為精準的振動強度值。

3.2 雷管類型對振速的影響

隧道爆破采用非電毫秒雷管和數(shù)碼電子雷管

表3 地表振動加速度測試記錄Table 3 The test record of ground vibration acceleration caused by blasting

圖3 地表某測點三向振速時程曲線Fig.3 The velocity time-history of three-direction vibration on the earth surface

圖4 地表某測點三向振速傅里葉幅值譜Fig.4 The Fourier amplitude spectrum of three-direction vibration on the earth surface

圖5 同一測點處三向振速及三向加速度對比Fig.5 The comparison of three-direction vibration velocity and acceleration at the same point

兩種類型。一般來說，因毫秒雷管的固有延期時間有誤差且難以控制，當不同爆破孔的時間重疊時，會增強振動強度；而電子雷管可精確控制延期時間，進而實現(xiàn)高精度微差爆破，通過錯峰減振機理達到降振效果[15-18]。對比表3中的測點11和測點15的測試結果，可以發(fā)現(xiàn)在水平距離相近的情況下，即便爆破總炸藥量多33 kg，使用數(shù)碼電子雷管實施爆破所產(chǎn)生的地表振動強度也比非電毫秒雷管小得多。

4 爆破振動對房屋的影響

一般來說，當爆破振動強度很大時會對地表建筑造成損傷[19-20]，目前對于這種影響的評估指標有兩種，即振動加速度和速度。在現(xiàn)場測試過程中，通過調(diào)節(jié)傳感器的檔位，獲得了多組加速度和速度信號，可多角度評判爆破振動對房屋的影響。

部分學者認為造成建筑物破損的根源是爆破振動引起的地表加速度，它引起的結構水平向慣性力使結構發(fā)生側向變形，導致結構發(fā)生損傷。這種觀點在一定程度上將爆破產(chǎn)生的地震波當成天然地震波，依據(jù)表4所示的國家地震烈度表[21]進行損傷評價。現(xiàn)場拾取的各測點地表峰值加速度大小范圍為0.40～1.72 m/s2(表3)，對應地震烈度表中的Ⅵ度和Ⅶ度。因此，從加速度指標來看，隧道爆破產(chǎn)生的地表振動會造成房屋損傷。

然而，爆破振動和天然地震波雖有相似之處，但還有很大的差異[1,22]。一般來說，爆破地震波的幅值大，衰減快，而自然地震波的幅值小，衰減慢。另一方面，爆破振動的持續(xù)時間不到1 s(圖3)，遠小于天然地震的持續(xù)時間。最后，二者的振動主頻也相差較大。圖6為現(xiàn)場測試得到的各測點地表振動主頻匯總結果，綜合來看，隧道爆破產(chǎn)生的地表振動主頻集中在18～25 Hz，而天然地震波的主頻率一般低于5 Hz。前者與建構筑物的固有頻率相差較大，避免因共振而加重結構損傷的現(xiàn)象發(fā)生[23]。因此，完全按照地震烈度評判標準來評估爆破振動對房屋的影響是欠妥的。

表4 地震烈度[21]Table 4 The scale of earthquake intensity[21]

圖6 各測點振動主頻匯總Fig.6 The comparison of main frequency of vibration at each point

截至目前，中外學者統(tǒng)一將振速作為爆破振動影響程度的評定指標，認為超過安全允許振速的爆破振動可能會導致房屋結構性損傷，而小于安全允許振速的多次爆破振動產(chǎn)生的累積效應可能對房屋造成非結構性損傷[1]。然而，世界各國對于安全允許振速的取值也存在差別。美國礦務局取安全振速為5.1 cm/s；而蘇聯(lián)學者提出，地表振速在1.2 cm/s以下，周邊建筑就不會有安全風險，給出了如表5所示的爆破振動烈度表。

中國學者認為爆破地震對結構的作用是由爆破地震動特性與結構物本身的動力特性共同決定的,結構動力響應與質(zhì)點振動速度峰值、振動頻率及其歷程有著密切的關系，僅以質(zhì)點峰值振速作為單一的爆破振動安全判據(jù)難以準確地衡量其危害[2,24],因此制定了如表6所示基于頻率—振速雙因素的爆破振動安全判據(jù)，除建筑類別外，結構所在位置的振動頻率也是影響安全振速取值的條件之一。現(xiàn)場測試結果顯示，質(zhì)點主振頻率介于18～25 Hz，使用120 kg炸藥實施隧道爆破時，在正上方測得的振速值為0.67 cm/s(表2)，基本滿足規(guī)范給出的建筑安全允許振動速度。

表5 爆破振動烈度[22]Table 5 The Intensity scale of blasting vibration[22]

表6 爆破振動安全允許振速[25]Table 6 The safe vibration velocity of blasting[25]

5 結論

隧道爆破振動會對附近居民的正常生活產(chǎn)生影響，容易引發(fā)“擾民”和“民擾”事件，所以振動評判標準及安全控制技術備受施工單位關注。參照現(xiàn)階段中外相關技術標準，針對隧道爆破現(xiàn)場作業(yè)造成的地表振動加速度和速度響應進行了分析，探討了振動強度對下穿村莊房屋的影響，得出了以下結論。

(1)統(tǒng)計分析結果顯示，同一測點處的水平雙向地表振動強度一般略高于豎向；而水平雙向(切向和徑向)的振動強度對比不明顯。

(2)采用數(shù)碼電子雷管實施爆破可實現(xiàn)高精度微差爆破，有明顯的降振效果。當水平距離和炸藥總量相近的情況下，使用電子雷管爆破比傳統(tǒng)毫秒雷管產(chǎn)生的振動強度低很多，是一種科學、有效的振動控制措施。

(3)爆破振動和天然地震波雖有相似之處，但仍有很大的差異，不能完全用地震烈度評價指標來衡量爆破振動對周邊建筑物的影響。

(4)隧道爆破引起的地表振動主頻集中在18～25 Hz，與房屋結構的固有頻率存在差異，不會因共振而加重結構損傷。

(5)現(xiàn)場布設的地表振動傳感器拾取到的最大振速為0.67 cm/s，基本滿足規(guī)范給出的建筑安全允許振動速度，不會對周邊建筑造成結構性損傷。