(南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210009)

城市地鐵隧道穿越建(構(gòu))筑物需考慮施工方法對周圍環(huán)境的影響。當(dāng)巖體較為堅硬時，通常采用爆破掘進(jìn)，但其誘發(fā)的地震效應(yīng)不容忽視，需嚴(yán)格控制隧道爆破引起周圍環(huán)境的地表及結(jié)構(gòu)的振動。已有研究結(jié)果表明[1-2]，爆破振動強(qiáng)度過大、爆破引起建筑物共振、以及高頻爆破振動迫使剛性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中等，均有可能導(dǎo)致爆破影響區(qū)內(nèi)的建筑物產(chǎn)生不同程度的損傷，且對木結(jié)構(gòu)古建筑的爆破振動影響尤甚。這歸因于木結(jié)構(gòu)古建筑在自然環(huán)境及歷史因素作用下通常存在不同程度的結(jié)構(gòu)病害，結(jié)構(gòu)耐久性和抗震性日益衰退，對爆破振動也更為敏感。因此，深入研究隧道爆破掘進(jìn)時古建筑的地震動效應(yīng)，優(yōu)化爆破施工方案，有助于降低爆破施工環(huán)境影響。

現(xiàn)場模擬爆破試驗是研究爆破地震效應(yīng)對建(構(gòu))物影響的重要手段，并為后續(xù)的深入研究提供實測參考資料。Dowding[3]在觀測研究的基礎(chǔ)上得出，爆破地震對200～300英尺外的建筑結(jié)構(gòu)并無影響。婁建武等[4]基于長期爆破振動時2層普通民房振動響應(yīng)及結(jié)構(gòu)體裂縫的實測數(shù)據(jù)，指出普通民房結(jié)構(gòu)體的容許振動速度標(biāo)準(zhǔn)為2 cm/s。謝志招等[5]測試了國家級文物古石塔的爆破振動響應(yīng)，并建議將古塔層頂?shù)募铀俣群退俣茸鳛榭刂扑Y(jié)構(gòu)安全性評價標(biāo)準(zhǔn)。林鍵等[6]實測了爆破地震波及其引起的多層結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)各樓層振動能量集中在6～25 Hz頻帶上。Ma et al[7]測試了某一古橋的爆破振動響應(yīng)，通過對比國內(nèi)外不同規(guī)范得出了古橋的振動速度標(biāo)準(zhǔn)為2 mm/s。上述研究表明，爆破施工下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)既與建(構(gòu))物自身的動力特性相關(guān)，也與爆破地震動特性有關(guān)[8]。楊佑發(fā)等[9]通過對地面六層框架結(jié)構(gòu)在爆破振動下響應(yīng)的研究，指出在爆破地震波作用下, 結(jié)構(gòu)更多的是發(fā)生沖擊破壞，累計損傷相對較小。徐學(xué)勇等[10]通過對飽和鈣質(zhì)砂爆炸響應(yīng)動力特性的研究，得出了不同土質(zhì)對爆破波的吸收和衰減有著很大的影響。李書進(jìn)等[11]結(jié)合實驗和模擬手段，研究了木結(jié)構(gòu)的振動特性，指出木結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在榫卯節(jié)點以及墻面板上。張繼春等[12]通過試驗研究了渝懷鐵路淺埋隧道掘進(jìn)爆破地表震動效應(yīng)，分析了不同類型炮孔的自由面條件對地表震動效應(yīng)的影響，并指出掏槽孔爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)最強(qiáng)烈，其地表振動速度幅值是其他各類炮孔爆破的2倍以上。然而，目前針對結(jié)構(gòu)形式多樣的古建筑的動力特性研究仍存在諸多不足，基于一般結(jié)構(gòu)所建立的振動響應(yīng)規(guī)律較難適用于此類古建筑，而現(xiàn)有規(guī)范對文物建筑安全性的控制要求尤其嚴(yán)格，嚴(yán)重制約著爆破施工方案的設(shè)計合理性與操作可行性。

針對該問題，基于南京地鐵4號線鼓樓站隧道爆破掘進(jìn)工程，通過現(xiàn)場試驗分別研究了單孔爆破和多孔孔間毫秒延遲爆破對鄰近文物鼓樓的振動安全性影響。通過模擬爆破地點及鼓樓地點測到的峰值振速，探討兩處地表振動衰減規(guī)律的相關(guān)性，分析不同爆破強(qiáng)度下文物鼓樓的振動規(guī)律，據(jù)此預(yù)估了實際爆破時鼓樓的峰值振動速度，并提供了相應(yīng)的施工建議。

1 工程概況

圖1 暗挖結(jié)構(gòu)與文物鼓樓的相對位置示意

南京地鐵4號線鼓樓站東側(cè)為既有地鐵1號線鼓樓站，東側(cè)有已通車的鼓樓隧道，西側(cè)為鼓樓公園，公園環(huán)島中間為文物古建筑。鼓樓附近的隧道擬采用礦山法施工，包括區(qū)間隧道、風(fēng)道、鼓樓小里程暗挖段和三聯(lián)拱部分。擬建方案中，隧道距鼓樓城闕僅約1.3 m，豎向距離14.5 m；1#風(fēng)道距城闕約為19.8 m，豎向距離13.5 m；三聯(lián)拱距城闕約為18.1 m，豎向距離11 m，暗挖結(jié)構(gòu)與文物鼓樓的相對位置示意如圖1所示。

省級保護(hù)文物鼓樓始建于明代洪武十五年(1382年)，為典型的高臺基木結(jié)構(gòu)：下部為明初留存的磚石砌筑城闕，上部為重建于清初的木結(jié)構(gòu)碑樓。經(jīng)檢查，鼓樓已存在不同程度的損傷，且有多處危險點：城闕四周墻體均有裂縫，部分裂縫鑿開，鑿開處裂縫已進(jìn)入砌體，磚塊開裂；城闕頂部四周的女兒墻粉刷層大面積龜裂，石板壓頂下有通上水平裂縫；碑樓檐柱、柱、木枋油漆脫落，木材開裂，表面腐朽；屋面有多處滲漏，屋架有干縮裂縫，如圖2所示。

圖2 文物鼓樓病害

鑒于此，直接在擬建隧道位置進(jìn)行爆破試驗極有可能加重古建筑的損傷。因此，需預(yù)先選取合適的區(qū)域進(jìn)行模擬爆破，既降低爆破試驗對文物古樓傷害，又能有效獲取結(jié)構(gòu)振動特性。

2 模擬爆破試驗方案

2.1 試驗場地及測點布置

模擬爆破試驗的場地靠近測試結(jié)構(gòu)，且場地平坦；在爆區(qū)范圍內(nèi)由近及遠(yuǎn)處均有測點布置；試驗區(qū)與結(jié)構(gòu)附近均布置測點，并估計兩處環(huán)境差異對測試結(jié)果的影響[7]。結(jié)合現(xiàn)場實際情況和勘查資料，選取隧道1#風(fēng)道處為模擬爆破點，如圖3(a)所示。該路段地質(zhì)情況與鼓樓處較為接近，場地空曠，地勢較為平坦。其中，1#風(fēng)道的地層分布為①-1層、①-2層的雜填土；④-2b2層、④-3b1-2層粉質(zhì)黏土；K-2-2層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、K-3-2層中風(fēng)化砂礫巖、K-3-0及K-3-1層中風(fēng)化泥巖，模擬爆破作業(yè)在K-3-2層中風(fēng)化砂礫巖中，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ的堅硬巖石。鼓樓的地層分布為①-1層雜填土；④-2b2層、④-3b1-2層粉質(zhì)黏土；K-2-2層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，K-3-2及K-3-3層中風(fēng)化泥巖。區(qū)域場地構(gòu)成上軟下硬軟硬不均的工作面，更有利于爆破地震動的低頻成分的傳遞，具體場地地質(zhì)條件及圍巖分類見表1。

表1 場地地質(zhì)條件及圍巖分類

為評估隧道側(cè)穿鼓樓時爆破施工振動影響，現(xiàn)場模擬爆破點與風(fēng)道地表各測點之間的相對位置與實際爆破點至文物鼓樓各測點之間的相對位置一致，如圖3(a)所示，模擬爆破點與假想平移鼓樓城闕的最近距離為1.3 m，最大為94.3 m。1#風(fēng)道地表和鼓樓地表各布置6個測點，分別采用F和A區(qū)分；文物鼓樓城闕以及碑樓四角，每個觀測面各布置4個測點，分別采用B和C區(qū)分，共8個測點。測點數(shù)量共計20個，每個測點測試2個水平方向、1個豎直方向的振動速度，各測點布置如圖3所示。

圖3 1#風(fēng)道與文物鼓樓的測點布置(單位：m)

2.2 試爆方案及工況

圖4 試驗爆破孔及起爆順序

根據(jù)委托方提供的資料，預(yù)先在掌子面掏槽，形成臨空面。掘進(jìn)進(jìn)尺0.6 m，鉆孔孔深0.7 m，孔距和最小抵抗線取0.5 m。圖4為試驗爆破孔號及起爆順序，共進(jìn)行6次爆破測試。試爆分為兩類：一類為單孔爆破，一孔爆破完成后再裝藥起爆另一孔，按照孔號順序，1 ～ 5號孔單孔藥量依次為100 g、200 g、300 g、400 g、500 g，共5個工況；二類為孔間毫秒起爆的多孔試驗，多孔爆破采用6孔毫秒延時爆破，其中孔6～孔10每孔裝藥200 g，孔11裝藥100 g，共1 100 g，各孔間延時50 ms。

3 測試結(jié)果分析

3.1 實測結(jié)果分析

根據(jù)爆破強(qiáng)度及布置測點數(shù)量，本次爆破振動測試共采集數(shù)據(jù)120組。其中，有效數(shù)據(jù)84組，分別為風(fēng)道地表的6個測點數(shù)據(jù)(F-1～F-6)，鼓樓地表的4個測點數(shù)據(jù)(A-1、A-3、A-4、A-6)，鼓樓碑樓的4個測點數(shù)據(jù)(C-1、C-2、C-3、C-4)。圖5給出了典型工況下鼓樓碑樓的速度時程曲線，例如，圖中F-2-x-200 g表示為裝藥量為200 g工況下F-2測點x方向的速度。

圖6和圖7分別為隧道風(fēng)道和鼓樓處各測點的峰值振速。圖7(d)～圖7(f)給出鼓樓碑樓的峰值振速均小于1.0 mm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》GB 6722—2014[13]給出的一般古建筑的安全允許振動速度(2.0 mm/s)。

圖6 1#風(fēng)道地表各測點的峰值振速

圖7 文物鼓樓地表和鼓樓碑樓各測點的峰值振速

由于巖土體材料的阻尼特性，巖土介質(zhì)不斷耗散爆破地震波的能量，且模擬爆破點上部的土層以Ⅴ～Ⅵ的軟土為主，耗散作用更顯著，無論是單孔爆破還是延時爆破，地表的峰值振速隨爆心距的增大而迅速衰減。單孔爆破時，裝藥量從100 g遞增至500 g時，地表和文物鼓樓各測點x、y和z向的峰值振速隨裝藥量的增加而遞增。極個別測點出現(xiàn)隨裝藥量增加峰值振速降低的現(xiàn)象，這可能是由于周圍環(huán)境振動影響導(dǎo)致的。而對于裝藥量為1 100 g的6孔毫秒延時爆破，各測點的振動速度值均比單孔500 g裝藥量測得的振動速度低，由于各孔爆破的時間差異很小，存在疊加效應(yīng)，測點的峰值振速大于單孔裝藥量100 g和200 g的結(jié)果，更接近300～ 400 g裝藥量的峰值振速。由此可知，雖然延時爆破的裝藥量較大，但通過合理的爆破順序能顯著降低各測點的振動速度。

3.2 鼓樓及1#風(fēng)道地表振動衰減的相關(guān)性

巖體的不均勻特性、上覆土層條件、裝藥方式等因素影響爆破振動衰減規(guī)律，進(jìn)而影響爆區(qū)周圍結(jié)構(gòu)的振動特性[1]。為了解場地條件差異性對地表振動衰減的影響規(guī)律，現(xiàn)對模擬爆破區(qū)域1#風(fēng)道處與鼓樓地表之間的相關(guān)性進(jìn)行研究。

爆破地震波在巖體中的傳播規(guī)律通常遵循薩道夫斯基公式，可采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，以確定該公式中的常數(shù)K、α值，得到巖體中振動波的衰減規(guī)律[1, 7, 13]，其表達(dá)式為

V=K(ρ)-α

(1)

(2)

式中,V為爆破振動質(zhì)點最大速度；Q為炸藥量；R為爆源距， 定義為比例距離；K、α分別為與爆破點至測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)、衰減指數(shù)。

基于6個工況下風(fēng)道及文物鼓樓地表的實測數(shù)據(jù)，按照式(1)和(2)建立比例距離和峰值振速之間的關(guān)系，x、y和z3個方向的振動衰減規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)比例距離相近時，風(fēng)道地表和文物鼓樓地表的峰值振速能基本吻合，2處地表的衰減趨勢連續(xù)，模擬爆破區(qū)域的地表振動特性大致能反映實際爆破區(qū)域的地表振動特性。經(jīng)擬合，x和y向的衰減規(guī)律基本一致。

圖8 地表的振動衰減規(guī)律

圖9 鼓樓碑樓與鼓樓地表的峰值振速之比

3.3 不同爆破強(qiáng)度下的文物鼓樓振動響應(yīng)

圖9為鼓樓碑樓與地表相應(yīng)4個角點的水平向和豎向的峰值振速之比。相對于地表，碑樓的水平振動有明顯的放大現(xiàn)象，豎向為單純的衰減，爆破振動對碑樓水平向的破壞作用占主導(dǎo)地位，這與一般建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的規(guī)律一致[4]。對比不同爆破強(qiáng)度下的速度放大系數(shù)可知，裝藥量為400 g時，雖然地表處水平向的峰值振速小于其他工況下地表的水平向峰值振速(圖7(a)～圖7(b))，但能顯著放大鼓樓碑樓處的峰值振速，最大達(dá)到2.4倍。

根據(jù)相關(guān)單位給出的結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，碑樓的自振頻率列于表2。由上述分析可知，不同爆破強(qiáng)度引起的鼓樓碑樓的速度放大效應(yīng)存在顯著差異，圖10對比了裝藥量為300 g、400 g和500 g下C-1-y(測點C-1，振動分量為y向)速度時程的Fourier譜。裝藥量為400 g時，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)接近文物鼓樓碑樓的1階自振頻率，且振幅較大，F(xiàn)ourier譜譜值最大處的頻率為1.34 Hz；裝藥量為500 g時，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)更接近文物鼓樓碑樓的2階自振頻率，F(xiàn)ourier譜譜值最大處的頻率為2.32 Hz；裝藥量為300 g時，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)均偏離文物鼓樓碑樓的1階和2階自振頻率，F(xiàn)ourier譜譜值最大處的頻率為1.83 Hz。綜上可知，碑樓動力響應(yīng)的共振頻率范圍仍集中在1階、2階頻率范圍內(nèi)，本次模擬爆破試驗對文物鼓樓的影響很小。

圖10 不同爆破強(qiáng)度下C-1-y測點速度時程的傅里葉譜

表2 文物鼓樓碑樓的自振頻率 Hz

3.4 實際爆破位置的鼓樓碑樓振動特性的預(yù)估

對于一個線性系統(tǒng)，其動力響應(yīng)與輸入的振動強(qiáng)度成比例關(guān)系[14]。因此，通過模擬爆破位置地表相應(yīng)的峰值振速值能更好預(yù)測實際爆破時文物鼓樓地表的峰值振速。假設(shè)鼓樓碑樓在各工況下仍為線性系統(tǒng)，其放大效應(yīng)不變，各質(zhì)點的峰值振速預(yù)測值可按比例換算，并列于表3。

當(dāng)炸藥量300 g及以下時，鼓樓碑樓各測點的峰值振速均小于3 mm/s；炸藥量400 g時振動速度峰值小于5 mm/s；毫秒延時爆破時振動速度峰值也基本低于3 mm/s。單孔300 g炸藥量或毫秒延時爆破對文物鼓樓安全性的影響較小。

表3 鼓樓碑樓的峰值振速預(yù)測值 m/s

4 結(jié)論

以南京地鐵4號線鼓樓站隧道爆破施工為背景，通過不同強(qiáng)度的現(xiàn)場模擬爆破試驗，研究了爆破地震動特性對文物鼓樓振動響應(yīng)規(guī)律的影響。由實測數(shù)據(jù)和《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，以及鼓樓碑樓振動響應(yīng)的頻譜特性可知，此次模擬爆破試驗并未加重古建筑的損傷，可作為實際爆破方案選取裝藥量的依據(jù)，并為研究類似古代建筑物的振動特性提供較為全面的實測資料?？偨Y(jié)爆破影響區(qū)范圍內(nèi)地表及文物鼓樓的振動規(guī)律如下：

(1)對比不同裝藥量與爆破方法，采用6孔毫秒延時爆破(1 100 g裝藥量)的地表峰值振速與單孔爆破300～ 400 g的結(jié)果接近，能顯著減小地表峰值振速。

(2)當(dāng)爆心距離相近時，模擬爆破區(qū)域與鼓樓地表的峰值振速接近，爆破振動的地表衰減規(guī)律具有連續(xù)性。

(3)文物鼓樓的水平振動呈放大效應(yīng)，豎向振動呈衰減效應(yīng)。對比300 g、400 g和500 g裝藥量下結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)的頻譜特性，裝藥量400 g時將引起鼓樓碑樓在1階固有頻率附近產(chǎn)生較大的振幅，速度放大效應(yīng)最為顯著，達(dá)2.4倍。

(4)根據(jù)鼓樓碑樓的峰值振速的預(yù)測結(jié)果，在爆破強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，建議采用單孔300 g炸藥量或總裝藥量為1 100 g的毫秒延時爆破。