王輝，陽生權(quán)，常中民，丁雄，趙磊軍

（1. 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2. 中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，湖州浙江313000）

輕軌隧道下穿建筑物爆破震動試驗(yàn)研究

王輝1，陽生權(quán)1，常中民2，丁雄1，趙磊軍1

（1. 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2. 中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，湖州浙江313000）

以重慶軌道交通環(huán)線體育公園站淺埋輕軌隧道工程為研究背景，進(jìn)行了施工通道鉆爆循環(huán)掘進(jìn)下穿“兩江春城”的爆破震動效應(yīng)試驗(yàn)。在鉆爆初期，通過監(jiān)測參數(shù)計(jì)算出爆破振動衰減參數(shù)，并通過測量輕軌隧道下穿建筑物時(shí)，爆破引起的建筑物不同樓層處的振動速度波形，探討建筑物的震動特性及爆破地震波傳播和衰減規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，其爆破振動衰減參數(shù)為=1.88，k=99.43；淺埋輕軌隧道鉆爆掘進(jìn)過程中，其垂直方向的爆破振速明顯大于水平方向的，因此在研究爆破振動傳播和衰減規(guī)律及其對建筑物振動的影響時(shí)，主要以垂直方向的爆破振速為依據(jù)；建筑物的爆破振速在底層隨著樓層的增加而增大，中層隨著樓層的增加而減小，頂層又隨著樓層的增加而增大，而不是隨樓層的增加而減小，即不滿足傳統(tǒng)薩道夫斯基衰減規(guī)律。同時(shí)測得輕軌隧道下穿建筑物后的爆破振速相比下穿前的，存在放大效應(yīng)，其放大倍數(shù)約為1.32～1.69。

爆破震動；震動特性；衰減規(guī)律；放大效應(yīng)；爆破振速

1 研究背景

隨著我國城市化大發(fā)展、大繁榮，重慶市作為我國西南經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，交通壓力與日俱增。而重慶市有山城之名，屬于巖基城市。鉆爆法作為重慶市輕軌隧道循環(huán)掘進(jìn)的主要方法，對加快重慶市的城市化建設(shè)，減緩城市交通壓力有著舉足輕重的作用。同時(shí)，重慶市地形高低起伏，特別是市內(nèi)高樓眾多，人口密集，輕軌站大都建在火車站、汽車站附近等人口密集處，有利于疏通交通要道。因此，爆破施工產(chǎn)生的爆破三大公害——空氣沖擊波、爆破飛石、爆破噪聲，尤其是在城市復(fù)雜環(huán)境下爆破的地震效應(yīng)，對建筑物的影響是不能忽視的[1-3]。以重慶市為代表的人口和建筑密集的巖基城市進(jìn)行輕軌隧道循環(huán)爆破開挖，在設(shè)計(jì)時(shí)就對其爆破震動提出了嚴(yán)格的控制要求。因此在鉆爆施工時(shí)，首先要求能夠準(zhǔn)確了解爆破地震波的傳播和衰減規(guī)律，預(yù)測爆破振速，通過優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)與施工方案，使爆破振速在可控范圍之內(nèi)。

目前，我國在鉆爆施工工程中通常采用薩道夫斯基公式預(yù)測爆破振速值[4-7]，即

式中：R為測點(diǎn)到爆破中心的距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破取總藥量，微差爆破時(shí)取最大段裝藥量，kg；v為爆破巖石質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；k為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)和爆破方法有關(guān)的場地系數(shù)；為爆破震動衰減系數(shù)。

對于爆破震動對建筑物的影響，有不少學(xué)者做了大量的研究，并取得了一些成果[8-12]。如朱振海等人[8]采用動光彈方法試驗(yàn)研究了溝槽對建筑物的減震作用，表明在建筑物附近開挖具有一定深度的溝槽對于降低爆破地震波對建筑物的危害具有明顯效果，增加溝槽的寬度對于爆破地震波的傳播影響不大；魏曉林[9]結(jié)合數(shù)個(gè)鄰居建筑物實(shí)例的安全問題，進(jìn)行了理論分析，提出了鄰近建筑物大藥量爆破危害的影響計(jì)算方法；王俊平等人[10]在研究爆破地震波作用下建筑物的動力響應(yīng)分析方法時(shí)，首次將波動理論引入爆破工程中，為研究爆破工作開辟了一條新途徑；張建波等人[11]采用回歸分析的方法研究了淺埋隧道下穿建筑物的爆破振動傳播規(guī)律，所得結(jié)論對類似工程有一定的借鑒意義；沈秀峰[1]運(yùn)用有限元分析軟件研究了爆破三要素——爆破地震波的幅值、頻率、持續(xù)時(shí)間，對建筑物微振動的影響，得出了爆破地震波的特有性質(zhì)；郭建群等人[12]提出了穿越高樓下的淺埋隧道爆破控制技術(shù)，認(rèn)為在開挖斷面積一定的條件下，存在一個(gè)較為合理的單循環(huán)進(jìn)尺，其相應(yīng)的炮孔數(shù)目最少，炸藥單耗最低。

在已有學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文擬以重慶市軌道交通循環(huán)系中體育公園站施工通道下穿“兩江春城”為研究對象，通過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，研究以此地區(qū)為代表的重慶巖基城市爆破地震的傳播和衰減規(guī)律，以及建筑物不同樓層的爆破震動特性，以期為以后輕軌隧道采用鉆爆法循環(huán)掘進(jìn)施工方案提供一些參考性建議。

2 工程概況

重慶市輕軌隧道的體育公園站施工通道位于川東南弧形構(gòu)造帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部的次一級構(gòu)造，構(gòu)造骨架形成于燕山期晚期褶皺運(yùn)動。

該工程的地質(zhì)構(gòu)造隸屬于沙坪壩背斜西翼，巖層產(chǎn)狀為：傾向290°，傾角5°。巖層面為貫通性結(jié)構(gòu)面，層面之間的巖芯較為破碎，層間結(jié)合較差，為軟弱結(jié)構(gòu)面。該地屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地面高程為301～307m，地表土層厚度為0.50～8.60m。該段施工通道全長412m，標(biāo)準(zhǔn)斷面凈寬6m，凈高5.5m，埋深16～25 m，屬于中淺埋隧道，采用鉆爆法循環(huán)施工。該隧道圍巖屬于III、IV級，巖性以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主。

由于該施工通道下穿“兩江春城”，且“兩江春城”的部分主體結(jié)構(gòu)還正在修建，鉆爆法對其基礎(chǔ)、地基、主體結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生一定的影響，因此對其爆破振動控制要求較為嚴(yán)格。

3 監(jiān)測方案與量測方法

重慶市輕軌隧道體育公園站的施工場地總平面圖如圖1所示。

圖1 場地總平面圖Fig.1The site layout

由于體育公園站施工通道下穿“兩江春城”，新建建筑物眾多，其中還包括剛施工完的地基基礎(chǔ)，因此，在設(shè)計(jì)采用鉆爆法施工時(shí)，對爆破振速提出了嚴(yán)格要求，其最大爆破振速要小于2cm/s。針對這一設(shè)計(jì)要求，在隧道爆破開挖初期，需要通過小炮試驗(yàn)，近距離爆心距跟蹤監(jiān)測。隧道開挖前期，在地表布置測點(diǎn)，爆破循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺為2m，每次爆破完，地表測點(diǎn)推進(jìn)2m，爆破監(jiān)測測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 鉆爆初期爆破測點(diǎn)布置立面圖Fig.2The elevation diagram for monitoring points layout in early drilling and blasting

通過實(shí)驗(yàn)，得出該地區(qū)的爆破震動傳播和衰減規(guī)律，若不滿足設(shè)計(jì)要求，則通過爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整爆破參數(shù)。然后，在滿足爆破設(shè)計(jì)確保建筑物安全的前提下，研究一棟具有代表性的7層框架結(jié)構(gòu)樓房的不同樓層及地表在隧道下穿前后的爆破震動特性。此時(shí)采用遠(yuǎn)距離爆心距固定測點(diǎn)監(jiān)測，即樓層及地表的監(jiān)測點(diǎn)位置不變，隨著隧道循環(huán)掘進(jìn)，其爆心距不斷變化。其爆破監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 下穿建筑物前后爆破測點(diǎn)布置立面圖Fig.3The elevation diagram for monitoring points layout before and after undercrossing building

本次爆破震動監(jiān)測，采用四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的UBOX5016數(shù)據(jù)采集設(shè)備及配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該振動測量系統(tǒng)由拾振器、記錄儀和筆記本電腦組成，其爆破震動監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 爆破震動監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4Blasting vibration monitoring system

現(xiàn)場爆破監(jiān)測安裝傳感器時(shí)，采用適量的水與生石膏粉調(diào)節(jié)成漿糊狀，將傳感器粘結(jié)在石膏上，過幾分鐘后石膏凝固，使傳感器與地面保持剛性連接，并且垂直速度傳感器與水平面垂直，水平徑向速度傳感器與水平面平行，水平切向速度傳感器在水平面內(nèi)與水平徑向速度傳感器垂直，構(gòu)成一個(gè)關(guān)于爆心的3維直角坐標(biāo)系，進(jìn)行爆破震動測試。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

為了嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，其最大爆破振速控制在2cm/s的范圍內(nèi)，施工方采用了邊施工、邊監(jiān)測，同時(shí)優(yōu)化爆破方案的信息化動態(tài)施工方法，有效地控制了爆破地震效應(yīng)對周圍密集的高層建筑的影響。在隧道鉆爆初期，通過對爆破震動進(jìn)行了監(jiān)測，并計(jì)算出場地影響系數(shù)k的值和衰減指數(shù)值，了解此地區(qū)的爆破震動傳播與衰減規(guī)律，其部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。

表1 鉆爆初期施工爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)Table1The monitoring data of blasting vibration in early drilling and blasting construction

分析表1中的數(shù)據(jù)，在小炮實(shí)驗(yàn)中，其它條件變化不大的情況下，最大振速隨著爆心距的增大而衰減，最大段用藥量、爆心距、最大振速三者之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。

運(yùn)用UBOX5016和與之對應(yīng)的開發(fā)軟件BM BView，基于常用的薩道夫斯基公式（1）進(jìn)行回歸分析，對式（1）兩邊取對數(shù)，可得式（2）：

根據(jù)得出的爆破震動衰減公式，經(jīng)試算，當(dāng)單孔最大起爆用藥量為8kg時(shí)，距離地表最近距離為16m的爆破振速為1.993cm/s，小于設(shè)計(jì)要求的2cm/s。因此，確定鉆爆施工在保證安全的前提下，采用了最大單孔用藥量為8kg。

隨著鉆爆施工的推進(jìn)，對一棟具有代表性的7層框架結(jié)構(gòu)樓房的不同樓層及地表在隧道下穿前后的爆破震動進(jìn)行監(jiān)測，由于篇幅原因，只列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，所得監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 下穿建筑物過程爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2The monitoring data of blasting vibration during the process of undercrossing building

通過分析表2中的數(shù)據(jù)可以得出：首先，水平徑向爆破振速、水平切向爆破振速明顯要比垂直方向爆破振速小很多，因此，在分析爆破振動速度時(shí)，主要以垂直方向的爆破振速作為參考依據(jù)。同時(shí)，上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，垂直方向上的爆破振速已有部分超標(biāo)，并沒有達(dá)到預(yù)期效果。

當(dāng)下穿建筑物前，其爆破振速基本在可控范圍之內(nèi)，當(dāng)從建筑物正下方穿過時(shí)，開始存在爆破振速超標(biāo)現(xiàn)象，如建筑物正下方爆心距16～24m處，豎直方向的振速均大于設(shè)計(jì)要求的2cm/s；甚至下穿后距建筑物水平距離10m，仍然存在爆破振速超標(biāo)現(xiàn)象，如爆心距18.90～26.00m處，豎直方向的振速也均大于設(shè)計(jì)要求的2cm/s。

為了能準(zhǔn)確地分析建筑物在爆破振動條件下不同樓層的震動規(guī)律，對建筑物不同樓層在輕軌隧道下穿前后的垂直方向爆破振速情況繪制了變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同樓層垂直方向振動速度變化曲線圖Fig.5The vibration velocity variation curves for the vertical direction of different floors

從圖5中可以看出，建筑物的不同樓層在輕軌隧道下穿前后，其垂直方向爆破振速變化較大，3條垂直方向振動速度變化曲線都反映了爆破振速在底層時(shí)有隨著樓層的增加而增大的變化趨勢，然后在中層隨著樓層的增加而遞減，最后到頂層又隨著樓層的增加而略微增大。這一變化趨勢，打破了已有傳統(tǒng)的爆破振動傳播和衰減規(guī)律，即爆破振速并不是單純地隨著爆心距的增大而減少，需要考慮多方面的原因。因此，為了得出正確的爆破振動傳播和衰減規(guī)律，本研究將實(shí)測建筑物正下方的爆破振速與根據(jù)已有衰減公式得出的預(yù)測爆破振速進(jìn)行了對比，所得數(shù)據(jù)與誤差分析結(jié)果具體見表3。

表3 理論預(yù)測與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較及誤差分析Table3Comparison of the predicting data and measured data and error analysis

分析表3中的數(shù)據(jù)可以得知，建筑物正下方的實(shí)測爆破振速與預(yù)測爆破振速相差甚遠(yuǎn)，其絕對誤差、相對誤差、放大倍數(shù)均相差較大。相比而言，最底層樓層的各數(shù)值相差較小，而最頂層的數(shù)值相差較大。同樣，用回歸分析的方法計(jì)算實(shí)測爆破振速的衰減規(guī)律，可得

其中，k=5.513，=0.398。

可以看出，該衰減方程不符合薩道夫斯基衰減規(guī)律。在低層時(shí)，實(shí)測爆破振速比預(yù)測振速大，有一個(gè)放大效應(yīng)。唐海等人[13]也提出了爆破振動會隨高程的增大而產(chǎn)生一個(gè)放大效應(yīng)，在此次監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到很好的證明。當(dāng)爆破振速傳到中層時(shí)，爆破振速并不是一直增加的，而是在衰減系數(shù)的影響下減小，可以認(rèn)為此時(shí)的衰減效應(yīng)大于放大效應(yīng)，會存在一個(gè)臨界值。當(dāng)爆破振動傳到頂層時(shí)，爆破振速反而增加，并不是我們認(rèn)為的爆破振動會衰減到更小，這主要是由于當(dāng)爆破振動傳到頂層時(shí)，頂層受到的自由約束最少。

由于下穿建筑物前后，在相同的爆心距情況下，爆破振速存在較大的差異，因此，對下穿建筑物前后不同樓層的爆破振速進(jìn)行了對比分析，所得結(jié)果如表4所示。

分析表4中的數(shù)據(jù)可以得出，下穿建筑物后測得的不同樓層爆破振速明顯比下穿前測得的爆破振速要大，同樣存在一個(gè)放大效應(yīng)，其放大倍數(shù)約為1.32～1.69倍。這主要是由于已開挖的隧道改變了原圍巖的整體結(jié)構(gòu)，淺埋輕軌隧道在爆破掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生“空洞效應(yīng)”，從而導(dǎo)致爆破振動在下穿建筑物前后存在一個(gè)放大效應(yīng)。

針對上述試驗(yàn)現(xiàn)象，通過對“兩江春城”不同樓層的框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的爆破振動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)均有類似規(guī)律：不同樓層的爆破振速，隨著樓層的增加，先增大后減小，然后再增大；建筑物下穿后，相對于下穿前，爆破振速均有一個(gè)放大效應(yīng)，且高層建筑相對于低層建筑，這一現(xiàn)象更為明顯。

5 結(jié)論

1）在爆破施工初期，通過試驗(yàn)，并利用薩道夫斯基公式進(jìn)行了回歸分析，得出重慶輕軌隧道體育公園站地表振動衰減參數(shù)：=1.88，k=99.43，這一參數(shù)對此工程爆破施工具有一定的指導(dǎo)意義。

2）淺埋輕軌隧道鉆爆掘進(jìn)過程中，其垂直方向的爆破振速明顯大于水平方向的爆破振速，因此在研究爆破振動傳播和衰減規(guī)律，以及其對建筑物振動的影響時(shí)，主要以垂直方向的爆破振速為依據(jù)，但也不能忽略水平方向的爆破振動對建筑物的影響。

3）在考慮建筑物爆破振動的傳播和衰減規(guī)律時(shí)，需要打破傳統(tǒng)的觀念，在本文研究的工程實(shí)例中，并不是爆破振速隨著爆心距的增大而衰減，而是存在著先增大再減小最后在建筑物頂層又有一個(gè)放大效應(yīng)。因此，爆破過程中需要注意對地基的加固處理，以及對建筑物女兒墻、外墻等的防護(hù)處理。

4）下穿建筑物后測得的爆破振速明顯比下穿前測得的爆破振速大，而在工程施工中，人們往往誤認(rèn)為已經(jīng)下穿隧道，建筑物就處于安全狀態(tài)。其實(shí)不然，下穿建筑物后，因形成空洞效應(yīng)，會對爆破振速產(chǎn)生放大效應(yīng)，本工程下的放大倍數(shù)約為1.32～1.69倍。因此，在實(shí)際施工中，應(yīng)重視下穿建筑物后對建筑物的爆破振動監(jiān)測。

5）輕軌淺埋隧道鉆爆循環(huán)掘進(jìn)過程中，沿高程有一個(gè)放大效應(yīng)，已開挖隧道也會產(chǎn)生一個(gè)放大效應(yīng)，建筑物的不同樓層并沒有形成一個(gè)規(guī)律性的衰減規(guī)律，因此，在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮這些放大因素。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Experimental Study on Blasting Vibration of Light Rail Tunnel Undercrossing Buildings

Wang Hui1，Yang Shengquan1，Chang Zhongmin2，Ding Xiong1，Zhao Leijun1
（1. College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China；2. The Third Engineering Co., Ltd. China Railway 16th Bureau Group, HuzhouZhejiang 313000，China)

Taking the shallow light rail tunnel project of Sports Park Station in Chongqing rail transit circle as the research background, made blasting vibration effect experiments of construction channel blasting and drilling excavation undercrossing“ Two Rivers Spring City”. In the early drilling and blasting, calculated the blasting vibration attenuation parameters by monitoring parameters，and through measuring the blasting caused vibration velocity waveforms of different building floors at the light rail tunnel undercrossing buildings, studied the building vibration characteristics as well as the blasting seismic wave propagation and attenuation laws. The research found that the blasting vibration attenuation parameters were =1.88 and k=99.43, and in the process of shallow buried light rail tunnel drilling and blasting excavation，the blasting vibration velocity of the vertical direction is significantly greater than that of horizontal direction，so the study of blasting vibration propagation and attenuation laws as well as the influences of vibration on buildings are premised on the blasting vibration velocity in vertical direction; The blasting vibration velocity increased with the increment of floors at the bottom, decreased with the increment in the middle and increased again with the increment at the top, it did not decrease with the increase of the building floors, which did not meet traditional Steve sadove’s attenuation law. Meanwhile compared the measured blasting vibration velocity before and after light rail tunnel undercrossing buildings, the later exists blasting vibration amplification effect and the magnification is about 1.32～1.69 times.

blasting vibration; vibration characteristics; attenuation law; amplification effect；blasting vibration velocity

U455.3+2

A

1673-9833(2014)06-0017-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.004

2014-10-10

湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育基金資助項(xiàng)目 （13CY013），地方級基金資助項(xiàng)目（201443030400184）

王輝（1989-），男，湖南常德人，湖南科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閹r土工程，E-mail：736352029@qq.com

陽生權(quán)（1968-），男，湖南耒陽人，湖南科技大學(xué)教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土力學(xué)與支護(hù)方面的教學(xué)與研究，E-mail：984336908qq.com