臨水深基坑爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制分析
——以濛浬樞紐二線船閘為例

許艷琴 高德恒

中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣東 廣州 510610

1 引言

在深基坑爆破過(guò)程中不可避免對(duì)周邊環(huán)境及建（構(gòu)）筑物會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)影響，尤其是在臨水深基坑爆破開(kāi)挖，爆破振動(dòng)過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致已建船閘開(kāi)裂、閘墻失穩(wěn)、漏水等事故災(zāi)害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)緊鄰水工建筑物環(huán)境下爆破振動(dòng)進(jìn)行了大量研究，在爆破振動(dòng)對(duì)臨近水工建筑物影響的監(jiān)測(cè)與分析方面，鐘權(quán)等對(duì)大渡河深溪溝水電站安裝間排水廊道爆破開(kāi)挖對(duì)水電站長(zhǎng)發(fā)機(jī)組的振動(dòng)影響進(jìn)行分析和總結(jié)[1]；朱智斌等對(duì)老撾南俄1水電站擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)中對(duì)進(jìn)水口南開(kāi)挖爆破影響大壩和電站廠房開(kāi)展的爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，通過(guò)有效措施控制爆破施工的影響，為爆破反饋設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工提供依據(jù)[2]。爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞，主要受質(zhì)點(diǎn)振速峰值、振動(dòng)主頻、持續(xù)時(shí)間和建筑物固有頻率等多種因素影響[3-4]。因此在爆破施工中需要對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)成果反饋調(diào)整和優(yōu)化爆破參數(shù)，減小爆破振動(dòng)的危害。

2 工程概況

北江航道擴(kuò)能升級(jí)北江濛浬水利樞紐新建1000t級(jí)二線船閘一座，船閘基坑長(zhǎng)度為743m，寬度為50m，基坑開(kāi)挖深度最大為19.5m，屬于超大型臨水一級(jí)深基坑。基坑地連墻采用雙排混凝土結(jié)構(gòu)，地連墻寬度為1m,兩排地連墻間距為8m，地連墻外側(cè)距一線船閘導(dǎo)航墻及閘室墻最近距離僅為3m。基坑范圍內(nèi)巖土層自上而下劃分為第四系人工填土層（Q4ml）、第四系沖洪積層（Q4al+pl）及第四系殘坡積層（Q4dl+el）；下伏基巖為石炭系下統(tǒng)（C1）石灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖。基坑范圍內(nèi)破碎條帶多，巖體受擠壓、扭曲嚴(yán)重，揭露以堅(jiān)硬～中硬巖為主,采用爆破的方法進(jìn)行基坑施工開(kāi)挖。

3 爆破安全設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)方案

3.1 爆破安全設(shè)計(jì)

基坑爆破區(qū)域位于二線船閘深基坑內(nèi)，爆破施工現(xiàn)場(chǎng)條件較復(fù)雜，爆區(qū)內(nèi)有110kV高壓線穿過(guò)以及信號(hào)塔基站，通訊基站與爆區(qū)最近點(diǎn)距離為20m，已建并運(yùn)營(yíng)的一線船閘離最近點(diǎn)基坑爆區(qū)僅11m，爆區(qū)北側(cè)與正在使用的水利樞紐壩頂公路交通橋相距20m。根據(jù)爆破區(qū)域的周邊環(huán)境，采用分區(qū)分片臺(tái)階爆破，減震爆破和控制單孔炸藥量的方法[5]。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

爆破時(shí)需將爆破振動(dòng)控制在《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）規(guī)定的安全振動(dòng)范圍之內(nèi)，需嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制飛石及爆破振動(dòng)的影響。爆破監(jiān)測(cè)對(duì)象的綜合爆破施工方案后并結(jié)合基坑爆破區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)分析。已建船閘閘室墻、電信基站發(fā)射塔、壩頂公路交通橋等距離爆破區(qū)域較近作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，其中船閘右側(cè)閘墻距離爆破區(qū)域最近，如振速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致閘墻損傷后閘室漏水，在爆破施工中作為監(jiān)測(cè)的重中之重。

4 爆破振動(dòng)控制

4.1 炸藥用量的震速控制

為確保爆破振動(dòng)安全允許值滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定。為減少爆破振動(dòng)對(duì)一線船閘（最近點(diǎn)距離11m）、一線船閘及附屬建筑物（最近點(diǎn)距離61m）、濛浬樞紐壩頂公路交通橋（最近點(diǎn)距離31m）、濛浬樞紐泄水室（最近點(diǎn)距離91m）、通訊塔基站（最近點(diǎn)距離為20m）；運(yùn)行中的濛浬水電站（最近點(diǎn)距離為344m）的影響，分別驗(yàn)算安全爆破振動(dòng)最大裝藥量，運(yùn)行中的北江濛里水電站按0.5cm/s；濛浬樞紐壩頂公路交通橋按4cm/s；通訊塔基站塔基按2.0cm/s；一線船閘及附屬建筑物、濛浬樞紐閘室按2.0cm/s分別進(jìn)行安全校核，取其中的較小值。

4.2 爆破振動(dòng)安全校核

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定，爆破振動(dòng)安全允許距離按式（1）計(jì)算。

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，單位為m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位為kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，單位為cm/s；K、α分別為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)（其中取K=150，α=1.6），按照規(guī)程分別計(jì)算單次爆破允許的最大段裝藥Qmax。各種距離條件下的最大單段裝藥量如表1所示。

表1 基坑爆破距離被保護(hù)物不同距離時(shí)最大單段藥量

表2 船閘閘墻上、下爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度成果表

表3 電信塔基站基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度成果表

4.3 爆破方法的震動(dòng)控制

對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制的主要是基坑區(qū)域的臺(tái)階爆破，根據(jù)振動(dòng)校核的單段最大裝藥量與之前設(shè)計(jì)的單孔藥量的對(duì)比，為充分控制爆破振動(dòng)，對(duì)臨近不同建構(gòu)筑物的區(qū)域選擇不同的起爆網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制最大段起爆藥量[6]。爆破采用分區(qū)分臺(tái)階的方法進(jìn)行，為控制爆破振動(dòng)對(duì)地連墻及舊船閘的影響，爆破臨空面方向與地連墻垂直，采用單孔單響起爆方式。在靠近基坑連續(xù)墻邊緣時(shí)另外預(yù)留11m范圍巖體為緩沖區(qū)對(duì)地連墻及一線船閘進(jìn)行保護(hù)，緩沖區(qū)巖石采用孔徑為50mm的小孔徑、小臺(tái)階弱松動(dòng)爆破施工，爆破后連續(xù)墻邊預(yù)留松動(dòng)石方靠挖機(jī)挖除。接近基底時(shí)，保證基底巖體完整及控制超欠挖。

4.4 爆破飛濺防護(hù)

為了防止爆破后高壓氣體涌出的泥石飛濺和地面隆起，嚴(yán)格控制單孔、單響藥量，在炮孔上部先用麻袋裝沙后覆蓋鋼板，再加壓3層沙袋覆蓋的防爆破飛濺措施。基坑爆破從2017年6月至2018年10月結(jié)束，單次爆破總藥量最大為2310kg，由于防護(hù)到位，未發(fā)生由于巖石硬度的變化、過(guò)量裝藥或者覆蓋不到位，引起爆破飛石造成傷亡事故，證明按照上述方案實(shí)施的飛濺防護(hù)措施是成功的[7]。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 一線船閘

（1）從2017年7月至2018年6月結(jié)束，共進(jìn)行爆破40余次，2017年11月17日監(jiān)測(cè)到一線船閘閘墻頂部爆破中的振動(dòng)速度值在-1.39～2.33cm/s，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在2.34～3.13s，大于該測(cè)點(diǎn)建（構(gòu)）筑物規(guī)定的安全允許振速2.0cm/s。如圖1所示，其中通道1（X軸）指向爆心，通道2為Y軸，通道3為Z軸。本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)速度對(duì)應(yīng)著最近炮孔爆心距離測(cè)點(diǎn)的距離為15m，基坑開(kāi)挖面高程距離設(shè)計(jì)底部高程為5m，爆破的炮孔直徑為50mm，藥卷直徑為32mm，單孔裝藥量為3.1kg。一線船閘區(qū)域其余測(cè)次振速均小于安全允許振速2.0cm/s，主振頻率大部分在5.5～86.7Hz之間。

圖1 飛石防護(hù)示意圖

圖2 一線船閘監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)波形圖

（2）在同一次爆破中，閘墻頂部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度總體均大于底部測(cè)點(diǎn)，在兩次爆破鉆孔數(shù)，藥量基本相近的情況下對(duì)比分析爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨著基坑爆破開(kāi)挖高程從上至下，一線船閘監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度總的趨勢(shì)是增大的，即隨著基坑深度的逐漸增加振動(dòng)速度有放大的趨勢(shì)，船閘閘墻頂部測(cè)點(diǎn)振速最大放大倍速約2.8倍，而船閘閘墻根部測(cè)點(diǎn)振速隨著基坑深度開(kāi)挖也有放大趨勢(shì)但比閘墻頂部小[8]。

（3）最大振動(dòng)速度值2.33cm/s，爆破振動(dòng)頻率在5.5～86.7Hz之間，為客觀的分析爆破振動(dòng)的破壞影響，爆破完成后均對(duì)閘室進(jìn)行檢查巡視，未發(fā)現(xiàn)有新增裂縫存在。

5.2 電信塔基站監(jiān)測(cè)

（1）電信塔基站爆破施工從2017年7月至2018年7月結(jié)束，共爆破監(jiān)測(cè)40余次，在2017年11月5日監(jiān)測(cè)到一線船閘閘室爆破中的振動(dòng)速度最大值為-1.37～1.72cm/s，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在2.65～3.84s，主振頻率為16.5～124.5Hz，測(cè)值均小于安全允許振速2.0cm/s。如圖3所示，其中通道1（X軸）指向爆心，通道2為Y軸，通道3為Z軸。

（2）由于電信塔基站離基坑邊坡最近距離為30m且位于臨近基坑的土質(zhì)山坡頂鞍部中心位置，在兩次爆破鉆孔數(shù)、距爆心距離一致、藥量基本相近的情況下對(duì)比分析電信塔爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨著基坑爆破開(kāi)挖高程從上至下，電信塔基站監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度基本相近，其爆破振速大小主要受跟爆破藥量、距爆心距離及炮孔深度影響。分析其主要原因是爆心距電信塔基礎(chǔ)較遠(yuǎn)且高差相差較大，且地震波在覆蓋層較厚且地層變化的邊坡中傳播衰減路徑復(fù)雜，地震波經(jīng)過(guò)不同巖層和土層中衰減較快造成。

（3）每次爆破監(jiān)測(cè)前后均對(duì)電信大基礎(chǔ)等進(jìn)行檢查巡視，未發(fā)現(xiàn)有新增裂縫存在，電信運(yùn)營(yíng)商在整個(gè)爆破期間也未反饋爆破影響其正常運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）以濛浬二線船閘開(kāi)挖爆破工程為實(shí)例，通過(guò)選取合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比監(jiān)測(cè)的各臨近構(gòu)建筑物的爆破振動(dòng)速度均沒(méi)有超過(guò)振動(dòng)安全允許值，巡視檢查未見(jiàn)有新裂縫和原裂縫新擴(kuò)大發(fā)生，結(jié)合沉降、位移監(jiān)測(cè)在爆破后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未有明顯突變情況發(fā)生，結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)較為合理，爆破振動(dòng)控制效果明顯有效。

（2）在同一次爆破施工中，閘墻頂部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率總體均大于底部測(cè)點(diǎn)，并且隨著基坑開(kāi)挖深度增加后，閘墻頂部測(cè)點(diǎn)與底部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度差值呈倍數(shù)增加，分析是由于船閘閘墻為直角梯形斷面結(jié)構(gòu)形式，由于右側(cè)基坑開(kāi)挖后臨空面增加，受到臨近爆破能量時(shí)閘墻結(jié)構(gòu)上部的振動(dòng)受臨空面的增加發(fā)生自下而上的振動(dòng)放大效應(yīng)，分析成果可為類似船閘工程控制爆破開(kāi)挖提供借鑒和參考。