地鐵隧道爆破施工對近接裝配式建筑物影響分析

高亞男，孫 超，段 燦，張永義，關 輝，于廣明

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266033；3.青島騰遠設計事務所有限公司，山東 青島 266101；4.青島市地鐵一號線有限公司，山東 青島 266071；5.中建隧道建設有限公司，重慶 401320；6.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，山東 青島 266102)

地鐵隧道爆破施工事故時常發生，其產生的振動沖擊波等將可能對城市居民環境構成一定的威脅[1-2]。因此加強對地鐵隧道爆破施工條件下的建筑物的安全控制是目前迫切需要解決的關鍵難題[3]。因裝配式建筑物與現澆式建筑物相比整體性較差、抗振性能薄弱，使其在爆破振動下的動力響應更為敏感[4]。當爆破振動從裝配式建筑物基礎傳遞到上部結構并超過構件的極限承載能力時，會導致裝配式建筑物出現裂縫，嚴重時發生傾斜倒塌，故研究爆破振動對裝配式建筑物的影響具有重要意義。但關于地鐵爆破施工對裝配式建筑物的影響這一方面的相關研究資料匱乏，目前國內外學者主要是從節點和構件兩方面切入裝配式建筑物振動試驗研究。柳炳康等[5]對裝配整體式混凝土框架進行試驗研究，發現在振動荷載作用下，由于梁柱節點處于雙向受壓狀態，振動達到一定強度時框架梁端首先出現塑性鉸，梁柱沒有出現明顯破壞。范力[6]對2個單層2跨的裝配式混凝土框架結構進行試驗研究，結果表明框架結構的抗振性能較好，損傷累積僅對初期影響較大。顏磊[7]在研究現澆結構的基礎上將其轉化為裝配式結構，通過對比發現剛度和位移角變化幅度較小。本文在國內外學者對振動作用下的裝配式建筑物研究的基礎上，依托武漢市地鐵11號線爆破工程，通過對現場監測數據進行分析，總結出裝配式建筑物在水平方向和垂直方向上的振動響應規律，為今后研究地鐵爆破施工對裝配式建筑物的影響提供參考。

1 工程概況

武漢市地鐵11號線左嶺站～葛店南站暗挖區間起止里程為K59+463.400～K63+163.400，全長約3.7 km，區間范圍內上部土層為人工填土、粉質粘土、粘土，下伏基巖為花崗巖，強風化帶埋藏深度較大，中、微風化巖埋藏深度為2.00～11.00 m。上部土層為人工填土，厚約3 m，強風化帶埋藏較淺，中、微風化帶巖面埋深約5 m，圍巖等級Ⅳ級。隧道斷面為馬蹄形復合式襯砌結構，拱頂埋深17～30 m，底板埋深25～36 m，采用鉆爆法施工，每次開挖進尺為1.5 m，振動速度控制上限為1.5 cm/s，掏槽方式采用雙楔形，非文物地段起爆采用非電導爆管的方式。隧道側穿某裝配式建筑物，該建筑物為11層裝配式混凝土框架結構，主體長25.5 m、寬16.5 m、高36.6 m，無地下室，裝配式建筑物位置示意圖如圖1所示，其平面圖與立面圖如圖 2和圖 3所示。

圖2 裝配式建筑物平面圖

圖3 裝配式建筑物立面圖

本工程選取的鉆爆參數及炮眼布置如表1、表2和圖4、圖5所示。

圖4 上臺階鉆爆圖

圖5 下臺階鉆爆圖

表1 上臺階爆破參數表

表2 下臺階爆破參數表

2 裝配式建筑物水平方向振速分析

參考有關文獻的同類研究[8-14]，選取裝配式建筑物外部地表某處作為固定監測點，在裝配式建筑物上監測得到的數據都以該固定監測點為基準，分析裝配式建筑物在爆破振動下的動力響應。當隧道爆破掘進至裝配式建筑物西北側時采集數據，掌子面位置與裝配式建筑物位置如圖1(b)所示。

圖1 裝配式建筑物位置示意圖

為了研究裝配式建筑物在水平方向上的爆破振動響應情況，對裝配式建筑物一層布點如圖6所示。

圖6 爆破振動監測點水平方向布置示意圖

布點監測采集數據如表3～表6所示，將表3～表6中的三矢量最大振速繪制成折線圖，如圖7～圖10所示。

表3 第一次爆破水平方向監測點最大振速值表

表4 第二次爆破水平方向監測點最大振速值表

表5 第三次爆破水平方向監測點最大振速值表

表6 第四次爆破水平方向監測點最大振速值表

圖7 第一次爆破水平方向監測點最大振速值圖

圖8 第二次爆破水平方向監測點最大振速值圖

圖9 第三次爆破水平方向監測點最大振速值圖

圖10 第四次爆破水平方向監測點最大振速值圖

由圖7～圖10可知：

(1)在四次爆破振動過程中，隨爆心距的增加裝配式建筑物內部監測點的振速均呈現出非線性遞減的趨勢。分析認為振速的變化規律與裝配式建筑物內部墻體的位置有關，爆破地震波的衰減速度受傳播介質影響較大；在四次爆破最大振速曲線中，B4點出現較為明顯的起伏，分析認為B4處的爆心距較B3小。

(2)三矢量方向振速表現為垂向速度最大，徑向速度與切向速度相差不大。這在一定程度上可驗證工程中大多以垂向速度作為振動速度的控制標準，使結果偏于安全。

(3)裝配式建筑物內部測點的振速均小于固定測點B0的振速，分析原因為地震波傳播到裝配式建筑物的基礎時會產生一定的散射、折射，因此造成部分能量的損耗，根據能量守恒定律，地震波速得到削減。

3 裝配式建筑物垂直方向振速分析

為研究裝配式建筑物垂直方向的振動響應情況，在裝配式建筑物各層底板位置布設監測點，測點布設如圖11所示。

圖11 監測點垂直方向布置示意圖

為使得到的爆破振動規律具有普適性，因此對四次爆破的數據進行采集，如表7～表10所示。

表7 第一次爆破垂直方向監測點最大振速值表

表8 第二次爆破垂直方向監測點最大振速值表

表9 第三次爆破垂直方向監測點最大振速值表

表10 第四次爆破垂直方向監測點最大振速值表

通過對上表中主頻的分析能夠看出，裝配式建筑物內部測點的主頻主要分布在30～100 Hz。將表7～表10的數據進行整理，繪制成折線圖12～圖15。

由圖12～圖15可知：

圖12 第一次爆破垂直方向監測點最大振速值

圖13 第二次爆破垂直方向監測點最大振速值

圖14 第三次爆破垂直方向監測點最大振速值

圖15 第四次爆破垂直方向監測點最大振速值

(1)在裝配式建筑物三個矢量方向的振速中垂向振速最大，說明在實際工程中采用垂向最大振速作為爆破振動控制標準是相對安全的。

(2)三個矢量方向的振速均在第二層達到最大值，然后隨著樓層的增高而逐漸減小，當達到建筑物的中間層時開始出現轉折，隨著樓層的增高振速呈現出遞增的趨勢。由此表明：裝配式建筑物在爆破振動下會出現一定的高程放大效應，這與其他學者的研究結果一致。

(3)二層振速達到最大值的原因可認為是裝配式建筑物二層層高較一層層高小0.3 m，層高的不同使得二層振速較大。

4 結 論

本文通過分析武漢市地鐵11號線隧道爆破施工對某裝配式建筑物振動影響，得到以下結論：

(1)爆破引起裝配式建筑物的振動頻率主要位于30～100 Hz。

(2)在水平方向上，隨爆心距的增加裝配式建筑物內部監測點的振速呈現出非線性遞減的趨勢，且裝配式建筑物內部測點的振速均小于固定測點B0的振速，說明裝配式建筑的基礎會影響爆破地震波的傳播，使其能量有一定損耗。

(3)在垂直方向上，三個矢量方向的振速均在第二層達到最大值，然后隨樓層的增高而逐漸減小，中間層時開始出現轉折，隨著樓層的增高振速呈現出遞增的趨勢。由此表明：裝配式建筑物在爆破振動下會出現一定的“高程放大效應”，說明裝配式建筑物低層受爆破振動影響較大，在地鐵爆破施工過程中應對裝配式建筑物低層采取相應的防護措施。

(4)裝配式建筑物在水平方向和垂直方向的三個矢量方向振速中垂向速度均為最大值，說明在實際工程中采用垂向最大振速作為爆破振動控制標準是可行的。

(5)本文針對裝配式建筑物因隧道爆破施工引起動力響應問題進行研究，其研究成果可為類似工程提供一定的借鑒。