淺析石方爆破開挖對(duì)毗鄰既有構(gòu)筑物的影響

馬輝文

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

碾盤山水利水電樞紐是國(guó)家確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，也是湖北省漢江五級(jí)樞紐項(xiàng)目的重要組成部分。工程由左岸土石壩、泄水閘、發(fā)電廠房、連接重力壩、魚道、右岸船閘和右岸連接重力壩等組成。

右岸船閘預(yù)開挖區(qū)域所處右岸沿山頭一帶為崗地，崗頂高程58～65m，高出漢江水位16～23m，在壩址區(qū)域內(nèi)，沿山頭臨江形成近似直立的陡岸。船閘基坑預(yù)開挖施工區(qū)附近涉及500kV跨江塔1座，爆破區(qū)域與電塔水平距離約506m，爆破區(qū)與沿山頭一組村距離約463m，見圖1～圖2,其中爆破區(qū)與村民居住區(qū)之間有兩個(gè)小山頭相隔。

圖1 爆破區(qū)周邊建筑物示意圖 (單位：m)

圖2 爆破區(qū)周邊建筑物衛(wèi)星圖

右岸船閘基坑預(yù)開挖所處地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙顯示自上而下為：開挖范圍內(nèi)(樁號(hào)K0-403～K0+335)已挖除的黏土層厚約1.0～11.5m，黏土底高程約41.65～54.09m。石方開挖范圍(樁號(hào)K0-50～K0+250)內(nèi)，巖石開挖縱深約10～78.9m，石方開挖最大深度約12.8m，強(qiáng)(全)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及弱(強(qiáng))風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，底高程約50.27～52.9m，石方開挖層厚約3.82～3.9m。弱風(fēng)化泥巖間斷分布(樁號(hào)K0-50～K0+14)，底高程約50.8m，石方開挖層厚約2.1m。弱(微)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，底高程約38.78～41.76m，石方開挖層厚約6.27～6.8m。船閘預(yù)開挖底高程44.0m。工程量174575m3。巖石種類為泥質(zhì)粉砂巖。

設(shè)計(jì)要求500kV超高壓線塔保護(hù)范圍內(nèi)的石方開挖施工前，應(yīng)將施工方案報(bào)主管部門批準(zhǔn)，并須控制單孔藥量、單段起爆藥量和爆破臨空面方向，根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5135—2013)的有關(guān)規(guī)定，確定線塔部位的安全允許爆破質(zhì)點(diǎn)振速不大于2.5cm/s。電塔運(yùn)維單位禁止在輸電線路邊線外500m(指水平距離)范圍內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)，如確須進(jìn)行爆破作業(yè)，應(yīng)在施工前制定詳細(xì)的安全防護(hù)措施報(bào)電力公司審核備案，爆破方案必須經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)論證審查，政府有關(guān)部門批準(zhǔn)后交電力公司、政府、派出所備案。

2 爆破實(shí)施方案

嚴(yán)格按照經(jīng)專家論證并批復(fù)的專項(xiàng)施工方案施工，為減少對(duì)設(shè)計(jì)邊線外保留巖體的破壞、擾動(dòng)，取得較為平整的設(shè)計(jì)邊坡，對(duì)基坑邊坡巖體輪廓邊線開挖采用預(yù)裂爆破及深孔梯段爆破相結(jié)合的施工方法。爆破材料選用巖石乳化炸藥，主爆孔起爆材料選用毫秒塑料非電雷管，預(yù)裂孔起爆材料選用導(dǎo)爆索，總網(wǎng)絡(luò)采用非電雷管配起爆器引爆，最大一段起爆藥量不大于50kg。

爆破方案選定后，須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，2019年5月13—28日，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了四次生產(chǎn)性爆破施工試驗(yàn)，通過爆破試驗(yàn)優(yōu)化調(diào)整鉆爆孔布置、線裝藥密度(預(yù)裂爆破)、單位耗藥量(梯段爆破)、堵塞長(zhǎng)度等爆破參數(shù)，也檢驗(yàn)了爆破器材的性能。同時(shí)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定爆破對(duì)周圍建(構(gòu))筑物的震動(dòng)影響。爆破試驗(yàn)取得的爆破參數(shù)見表1。

2.1 預(yù)裂爆破施工工藝

永久邊坡采用預(yù)裂爆破技術(shù)，在主爆孔與預(yù)裂孔之間布設(shè)1～2排緩沖孔，其孔距、排距及裝藥量較前排梯段爆破孔減少1/2～1/3，緩沖孔與預(yù)裂孔平行，在與預(yù)裂孔相鄰的梯段孔之后起爆，以爆開預(yù)裂孔和梯段孔之間的巖石，且不損壞預(yù)裂壁面。實(shí)施預(yù)裂爆破的作用有：?可保證邊坡滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)超、欠挖；?阻斷爆破地震波傳播，減少爆破震動(dòng)對(duì)毗鄰既有建(構(gòu))筑物的危害。故本工程為減少對(duì)設(shè)計(jì)邊線外保留巖體的破壞、擾動(dòng)，取得較為平整的設(shè)計(jì)邊坡，對(duì)船閘基坑邊坡開挖采用設(shè)計(jì)邊線預(yù)裂爆破及深孔爆破相結(jié)合的施工方法。

表1 爆破參數(shù)

a.預(yù)裂爆破鉆孔：鉆孔前測(cè)量定位，孔徑90mm、鉆孔間距0.7m、孔深與邊坡設(shè)計(jì)底高程相匹配、傾斜角度與邊坡角度一致為73°。

b.預(yù)裂爆破裝藥：采用φ32藥卷間隔裝藥；由于炮孔底部夾制性較大，不易產(chǎn)生要求的裂縫，孔底0.8m裝藥密度加大為6φ32藥卷連續(xù)裝藥；考慮孔口的巖石長(zhǎng)期暴露于地表面，風(fēng)化程度相對(duì)較高，為避免孔口飛石嚴(yán)重，在孔口1m范圍進(jìn)行削弱裝藥，裝藥量控制在0.175kg/m。

c.預(yù)裂爆破起爆：預(yù)裂爆破對(duì)相鄰爆破起爆的同步性要求高，須使用導(dǎo)爆索起爆。為控制預(yù)裂爆破本身產(chǎn)生的振動(dòng)影響，預(yù)裂孔孔距0.7m，按最大深15m，核算單孔最大藥量小于5kg/孔，聯(lián)線按7孔一響。因考慮最大單響藥量和雷管段位受限，同時(shí)為了減小主爆區(qū)對(duì)開挖線外的振動(dòng)傳遞影響，先進(jìn)行開挖線預(yù)裂爆破，使主爆區(qū)與開挖邊線隔離，預(yù)裂爆破不參與主爆區(qū)同時(shí)爆破。

d.預(yù)裂爆破安全措施：預(yù)裂爆破距離右岸營(yíng)區(qū)、拌和樓及下游圍堰施工面較近，為防止飛石危害，按爆破參數(shù)做好裝藥與堵塞，堵塞長(zhǎng)度1.5m，加強(qiáng)覆蓋防護(hù)及圍擋。

2.2 深孔爆破施工工藝

a.爆破參數(shù)選取、裝藥量計(jì)算：根據(jù)一次爆破開挖至底高程44m的高度、間距、底盤抵抗線及單位炸藥消耗量計(jì)算單孔裝藥量。單孔裝藥量Q=qaWH。

b.深孔爆破布孔、鉆孔、裝藥：按照表1參數(shù)表進(jìn)行測(cè)量、鉆孔，開鉆時(shí)采用低風(fēng)壓、低鉆速，鉆入巖0.5m后復(fù)核鉆桿傾角和方向，無(wú)誤后繼續(xù)正常壓力鉆進(jìn)，防止鉆壓過大造成飄孔，若有偏差，用羅盤儀或量角器糾偏調(diào)整。緩沖孔及主爆孔均采用φ70藥卷連續(xù)裝藥、同段雙雷管入孔。

c.爆破網(wǎng)絡(luò)連接：為嚴(yán)格控制最大單響藥量不大于50kg，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爆破梯度高度，部分單孔藥量已接近50kg/孔，按照一孔一響，單孔藥量不大于25kg，按照兩孔一響，孔內(nèi)全部采用MS-9段非電毫秒雷管入孔，孔外全部采用MS-3段非電雷管接力延時(shí)。爆破梯段高度4～13m，采用一次性爆破開挖至底板高程44m，為保證爆破效果達(dá)到控制要求，采用串并聯(lián)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)施起爆，對(duì)于爆破規(guī)模小的網(wǎng)絡(luò)可采用全并聯(lián)實(shí)施起爆。

d.安全措施：為了避免爆破震動(dòng)以及個(gè)別飛散物對(duì)周圍環(huán)境造成安全影響，使爆破后的巖石運(yùn)動(dòng)方向與高壓電塔及施工營(yíng)地相背，斜朝向漢江下游，加強(qiáng)填塞質(zhì)量和填塞長(zhǎng)度，加強(qiáng)覆蓋防護(hù)及圍擋。

3 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析

爆破時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行震動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的：一是驗(yàn)證爆破參數(shù)理論計(jì)算的正確性，指導(dǎo)后續(xù)施工，保證安全；二是證明爆破震動(dòng)在國(guó)家規(guī)范允許范圍內(nèi)[1]，避免爆破震動(dòng)引起附近村民維權(quán)糾紛，保證工程順利進(jìn)展。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

所采用的爆破測(cè)振儀(EMI53633)的工作原理為：傳感器接收振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至記錄儀，記錄儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及現(xiàn)場(chǎng)特征值顯示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完畢后，取回記錄儀，將記錄儀通過數(shù)據(jù)線纜連接計(jì)算機(jī)，通過專用分析軟件取出采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行爆破安全評(píng)估和數(shù)據(jù)打印。傳感器地面安裝采用石膏粉并加水溶解變稠，放置傳感器并固定后，聯(lián)機(jī)采集。爆破施工前四次均在右岸沿山頭高壓電塔處地面布置爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，前三次爆破沒有監(jiān)測(cè)到震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第四次監(jiān)測(cè)到爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；后續(xù)均在距離震源200～300m處布置爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 爆破期間震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

3.2.1 振動(dòng)速度峰值

由表2～表3可知，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一般民用建筑物爆破期間的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于1.5～2.0cm/s的范圍。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度也遠(yuǎn)小于電塔部位的安全允許爆破質(zhì)點(diǎn)振速2.5 cm/s。綜上分析，可以認(rèn)為高壓電塔和沿山頭一組村居民房是安全的。

3.2.2 地震波主頻

根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，頻率分布在5.634～25.974Hz。由于一般房屋的頻率較低，這樣地震波的頻率和房屋的自振頻率容易使建筑物產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)響應(yīng)程度[3]。因此在考慮爆破震動(dòng)危害時(shí)應(yīng)關(guān)注此現(xiàn)象。

另對(duì)沿山頭一組村居民房進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，部分磚木結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)墻體抹灰層少量脫落、門窗洞口墻體出現(xiàn)裂縫，但均未超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—2015)墻體構(gòu)件不適于繼續(xù)承載的非受力裂縫寬度限值5mm及不適于承載的側(cè)向位移(或傾斜)的限值H/250。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，大部分房屋因年久失修，均為村民自建磚木結(jié)構(gòu)，房屋本身結(jié)構(gòu)不合理，存在一定質(zhì)量問題，從裂縫發(fā)生的部位及裂縫特征看，應(yīng)屬微沉降裂縫，由于自然和非自然壓力影響的裂縫確實(shí)存在，自然力的影響一般不宜察覺，而爆破容易被感知，因此其中也存在一定的偶然性[4]。

4 爆破安全驗(yàn)算及分析

本工程施工區(qū)域開挖爆破影響范圍主要包括周圍電塔周邊村居民房。開挖爆破產(chǎn)生的爆破震動(dòng)、飛石、空氣沖擊波都會(huì)產(chǎn)生危害，其中爆破震動(dòng)危害最大。為確保電塔及周邊村居民房安全，部分石方開挖須進(jìn)行控制爆破。

4.1 爆破安全允許距離

為了在施工過程中使周圍的建筑物不因爆破震動(dòng)而遭破壞，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)第13.2.4公式計(jì)算：

1)頂板和兩幫高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)技術(shù)。采用高強(qiáng)錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)對(duì)頂板和兩幫圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制巷道頂板及兩幫圍巖的變形，增大兩幫的剛度，在一定程度上減小巷道的底鼓。

R=(K/v)1/αQ1/3

式中R——爆破震動(dòng)安全允許距離，m；

Q——計(jì)算藥量,kg，齊發(fā)爆破時(shí)Q為總藥量，秒延時(shí)和毫秒延時(shí)爆破Q為最大一段藥量；根據(jù)專家審查意見，推薦最大一段起爆藥量不大于50kg，根據(jù)實(shí)際施工時(shí)參數(shù)取值50kg；

v——保護(hù)對(duì)象所在地的質(zhì)點(diǎn)安全允許振速,cm/s，此處附近村居民房取值v1=1.5cm/s，電塔按設(shè)計(jì)要求取值v2=2.5cm/s；

K、a——與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，本計(jì)算取K=200，a=1.5。

經(jīng)計(jì)算R1=96.15m，遠(yuǎn)小于爆破區(qū)域距居民區(qū)距離463m；R2=68.4m，遠(yuǎn)小于爆破區(qū)域距電塔距離506m。

4.2 爆破飛石安全距離

露天爆破個(gè)別飛石安全距離，與爆破方法、地形地質(zhì)、爆破參數(shù)、氣象等因素相關(guān)，由于條件復(fù)雜，至今還沒有成熟理論公式，一般按規(guī)范規(guī)定，或用經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定安全距離。

采用瑞典德湯尼克研究基金會(huì)提出的中深孔臺(tái)階深孔爆破的飛石距離經(jīng)驗(yàn)公式[5]核算：

RFmax=KφD

式中RFmax——飛石的飛散距離，m；

Kφ——安全系數(shù)，取15～16；

D——藥孔直徑，cm。

經(jīng)核算飛石飛散距離小于《水利水電工程施工通用安全技術(shù)規(guī)程》(SL 398—2007)及《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中個(gè)別飛散物對(duì)人員的安全允許距離200m。對(duì)設(shè)備或建(構(gòu))物的安全允許距離，應(yīng)由設(shè)計(jì)確定，一般不小于人員安全距離的一半，不大于人員安全距離。

4.3 空氣沖擊破超壓值計(jì)算及其影響

本工程采用露天鉆孔爆破，根據(jù)《工程爆破實(shí)用手冊(cè)》[6]，其超壓值計(jì)算如下：

式中 Δp——空氣沖擊波超壓值，105Pa；

K、α——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)，一般階梯爆破K=1.48，α=1.55；

R——藥包至被危害對(duì)象的距離，m；

Q——一次爆破炸藥量，kg。

本工程藥包至居民區(qū)的距離為463m，至電塔最近約250m(電塔樁號(hào)K0-330，爆破區(qū)域范圍樁號(hào)K0-50～K0+250)，總炸藥量按爆破期間最大總裝藥量3000kg計(jì)算。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)可知，空氣沖擊波超壓的安全允許標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)不設(shè)防的非作業(yè)人員為 0.02×105Pa，掩體中的作業(yè)人員為0.1×105Pa。另根據(jù)建筑物的破壞程度與超壓關(guān)系進(jìn)行分析，屬于基本無(wú)破壞，建筑物無(wú)損壞。

根據(jù)上述震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及安全驗(yàn)算：電塔部位及距爆區(qū)200～300m的震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的相關(guān)規(guī)定，而沿山村一組村居民房距爆破區(qū)域約463m，相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度應(yīng)遠(yuǎn)小于GB 6722—2014相關(guān)規(guī)定；爆破震動(dòng)安全允許距離遠(yuǎn)小于爆區(qū)至居民區(qū)及電塔距離，爆破沖擊波超壓值計(jì)算遠(yuǎn)小于GB 6722—2014相關(guān)規(guī)定，建筑物無(wú)損壞。故本工程爆破不會(huì)對(duì)高壓電塔及周圍村居民房造成震動(dòng)破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.本文通過對(duì)本工程爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)影響安全驗(yàn)算，界定了爆破作業(yè)對(duì)周邊建筑物的影響范圍。

b.根據(jù)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及安全驗(yàn)算，本工程的爆破不會(huì)直接導(dǎo)致電塔破壞及周圍民房結(jié)構(gòu)性損壞，從民房裂縫調(diào)查情況看也不至于影響結(jié)構(gòu)安全，但由于建筑物本身的質(zhì)量、地基條件等因素，加上爆破次數(shù)相對(duì)頻繁，促使房屋的微小沉降加快，而產(chǎn)生少量民房裂縫。

c.對(duì)爆破引起的震動(dòng)效應(yīng)作精確判斷很困難，但爆破地震波的振幅、頻率是關(guān)鍵要素，震動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)評(píng)價(jià)爆破震動(dòng)作用及影響具有重要意義。