王 波， 郭 迅， 郭嘉源， 范曉慶， 宣 越， 查申申

(1.中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081； 2.防災(zāi)科技學(xué)院， 廊坊 065201； 3.中鐵三局天津建設(shè)工程有限公司， 天津 300350)

一直以來(lái)，鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在建設(shè)鐵路的過程中，為縮短距離和避免大坡道，工程上往往要進(jìn)行隧道開挖，其中鉆爆法是比較常見的施工方法之一。然而隧道爆破振動(dòng)不僅會(huì)影響已成形隧道的安全性和耐久性，還會(huì)影響周邊建筑物的正常使用功能。因此，實(shí)施隧道爆破振動(dòng)安全控制，以減少“擾民”和“民擾”事件的發(fā)生顯得尤為重要[1]。中外學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了大量的研究工作。周俊汝等[2]認(rèn)為爆破振動(dòng)頻率是影響爆破振動(dòng)危害的重要原因，通過數(shù)值模擬手段揭示了爆破振動(dòng)頻率的衰減規(guī)律。李建旺[3]以玉渡山隧道為工程背景，采用完全重啟動(dòng)分析法對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為已成形隧道形成的爆破振動(dòng)放大效應(yīng)對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響不可忽視。胡世敬[4]運(yùn)用Midas GTS有限元分析軟件，建立了隧道爆破振動(dòng)對(duì)地表影響模型，歸納了最大振速和振動(dòng)加速度的變化規(guī)律。王蕊等[5]運(yùn)用數(shù)值三維模型實(shí)體建模手段，得到了隧道爆破時(shí)下穿村莊建筑物的響應(yīng)規(guī)律。王玲霞[6]結(jié)合實(shí)際工程案例，提出了爆破振動(dòng)下地表振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率的衰減規(guī)律。婁建武等[7]通過長(zhǎng)期的爆破振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)分析，提出了適宜當(dāng)?shù)孛穹拷Y(jié)構(gòu)的容許振速標(biāo)準(zhǔn)值。李勝林等[8]以某淺埋地鐵隧道爆破施工工程為背景，運(yùn)用不同方法對(duì)比分析了地表振動(dòng)衰減規(guī)律，認(rèn)為日本株式會(huì)社公式的擬合分析效果較好。陳良兵等[9]對(duì)某隧道爆破施工進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，分析表明既有臨空面的存在能顯著減小爆破振動(dòng)效應(yīng)。朱利明等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，認(rèn)為采取微差爆破技術(shù)可有效減小振動(dòng)速度峰值。歷建華等[11]總結(jié)多次爆破工程中建構(gòu)筑物損傷特征，提出小于安全允許振速的多次爆破振動(dòng)產(chǎn)生的累積效應(yīng)也會(huì)對(duì)房屋造成非結(jié)構(gòu)性損傷。樊浩博等[12]以某隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆破振動(dòng)引起的地表建筑響應(yīng)進(jìn)行了分析，提出振動(dòng)速度不能完全反映建筑結(jié)構(gòu)的受力狀況。

現(xiàn)以某鐵路隧道工程為背景，圍繞爆破引起的地表振動(dòng)特點(diǎn)展開研究，對(duì)比分析了不同爆破方案下的地表振動(dòng)強(qiáng)弱，并對(duì)當(dāng)前的爆破安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，確定了現(xiàn)場(chǎng)爆破引起的地表振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響程度，結(jié)果可為隧道爆破振動(dòng)安全控制和房屋損傷評(píng)估提供參考。

1 工程概況

隧道位于河北省張家口市，全長(zhǎng)4 880 m，下穿村莊段長(zhǎng)度約300 m。如圖1所示，洞身位置地層為弱風(fēng)化砂巖，基本承載力500 kPa，層厚10～19 m；洞身上覆層為粗圓礫土，基本承載力500 kPa，層厚27～47 m；地表覆土為新黃土，基本承載力130 kPa，層厚2～10 m。下穿村莊段圍巖等級(jí)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)(表1)，局部采用爆破開挖施工。該地段周邊房屋密集，多為單層民居，以土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)為主，抗震能力較為薄弱。當(dāng)隧道施工至距村莊200 m時(shí)，當(dāng)?shù)卮迕穹从潮埔鸬牡乇碚鸶忻黠@，已嚴(yán)重影響到人們的正常生活和房屋的安全性。

圖1 下穿村莊段地質(zhì)情況示意圖Fig.1 The geological characteristics of under-crossing village

2 測(cè)試方案及設(shè)備

為了評(píng)估爆破產(chǎn)生的地表振動(dòng)對(duì)下穿村莊居民生活的影響，在隧道上方40～45 m，距爆破點(diǎn)水平距離1～84 m監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(圖2)，關(guān)注隧道爆破引起的地表振動(dòng)強(qiáng)度，獲得了隧道徑向、切向和豎向的振動(dòng)加速度和速度。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.2 The scheme of field test

表1 下穿村莊區(qū)域圍巖等級(jí)信息Table 1 The characteristics of surrounding rock in monitoring section

本次測(cè)試所使用的傳感器為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的941B型動(dòng)圈式加速度傳感器，該傳感器上設(shè)置四個(gè)檔位，分別對(duì)應(yīng)加速度、小速度、中速度和大速度。拾振器輸出的是電壓信號(hào)，經(jīng)過放大器濾波處理進(jìn)行優(yōu)化，傳至SigLab數(shù)據(jù)采集儀后保存到電腦中，數(shù)據(jù)處理時(shí)按照相對(duì)應(yīng)的靈敏度換算成物理信號(hào)(加速度或速度)。SigLab數(shù)據(jù)采集器是由美國(guó)Spectral Dynamics公司開發(fā)的一種高性能振動(dòng)信號(hào)記錄分析儀器，它有4通道A/D輸入和2通道模擬輸出(信號(hào)發(fā)生器)，分辨率為16 Bit，各道獨(dú)立采樣，經(jīng)過高陡度模擬、數(shù)字抗混濾波以后，每道可采集上至20 kHz的信號(hào)并且可實(shí)現(xiàn)多通道同步采集分析[13]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，分別將傳感器檔位調(diào)制1檔和2檔，拾取地表振動(dòng)加速度和速度。同時(shí)，選擇與941B拾振器配接的941放大器通頻帶為0.025～35 Hz。

3 測(cè)試結(jié)果分析

將各工況下的測(cè)點(diǎn)信息和對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果匯總于表2、表3中。內(nèi)容涉及各測(cè)點(diǎn)距起爆點(diǎn)的水平距離、炸藥量、測(cè)點(diǎn)三向振動(dòng)強(qiáng)度以及所使用的雷管類型。圖3、圖4展示了某測(cè)點(diǎn)記錄到的地表三向振速時(shí)程曲線和對(duì)應(yīng)的傅里葉幅值譜。

表2 地表振速測(cè)試記錄Table 2 The test record of surface vibration velocity

3.1 地表三向振動(dòng)強(qiáng)度

隧道爆破振動(dòng)峰值通常由掏槽眼部分起爆所引起[14]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得了各測(cè)點(diǎn)的三方向振動(dòng)強(qiáng)度。如圖5所示，對(duì)比結(jié)果顯示同一測(cè)點(diǎn)處的水平雙向地表振動(dòng)強(qiáng)度一般略高于豎向。水平雙向振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比分析不明顯，這是因?yàn)槿斯げ荚O(shè)水平向傳感器時(shí)存在方位誤差，不能嚴(yán)格按照隧道徑向和切向進(jìn)行布置，因此未獲得較為精準(zhǔn)的振動(dòng)強(qiáng)度值。

3.2 雷管類型對(duì)振速的影響

隧道爆破采用非電毫秒雷管和數(shù)碼電子雷管

表3 地表振動(dòng)加速度測(cè)試記錄Table 3 The test record of ground vibration acceleration caused by blasting

圖3 地表某測(cè)點(diǎn)三向振速時(shí)程曲線Fig.3 The velocity time-history of three-direction vibration on the earth surface

圖4 地表某測(cè)點(diǎn)三向振速傅里葉幅值譜Fig.4 The Fourier amplitude spectrum of three-direction vibration on the earth surface

圖5 同一測(cè)點(diǎn)處三向振速及三向加速度對(duì)比Fig.5 The comparison of three-direction vibration velocity and acceleration at the same point

兩種類型。一般來(lái)說(shuō)，因毫秒雷管的固有延期時(shí)間有誤差且難以控制，當(dāng)不同爆破孔的時(shí)間重疊時(shí)，會(huì)增強(qiáng)振動(dòng)強(qiáng)度；而電子雷管可精確控制延期時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度微差爆破，通過錯(cuò)峰減振機(jī)理達(dá)到降振效果[15-18]。對(duì)比表3中的測(cè)點(diǎn)11和測(cè)點(diǎn)15的測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在水平距離相近的情況下，即便爆破總炸藥量多33 kg，使用數(shù)碼電子雷管實(shí)施爆破所產(chǎn)生的地表振動(dòng)強(qiáng)度也比非電毫秒雷管小得多。

4 爆破振動(dòng)對(duì)房屋的影響

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)爆破振動(dòng)強(qiáng)度很大時(shí)會(huì)對(duì)地表建筑造成損傷[19-20]，目前對(duì)于這種影響的評(píng)估指標(biāo)有兩種，即振動(dòng)加速度和速度。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，通過調(diào)節(jié)傳感器的檔位，獲得了多組加速度和速度信號(hào)，可多角度評(píng)判爆破振動(dòng)對(duì)房屋的影響。

部分學(xué)者認(rèn)為造成建筑物破損的根源是爆破振動(dòng)引起的地表加速度，它引起的結(jié)構(gòu)水平向慣性力使結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。這種觀點(diǎn)在一定程度上將爆破產(chǎn)生的地震波當(dāng)成天然地震波，依據(jù)表4所示的國(guó)家地震烈度表[21]進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)。現(xiàn)場(chǎng)拾取的各測(cè)點(diǎn)地表峰值加速度大小范圍為0.40～1.72 m/s2(表3)，對(duì)應(yīng)地震烈度表中的Ⅵ度和Ⅶ度。因此，從加速度指標(biāo)來(lái)看，隧道爆破產(chǎn)生的地表振動(dòng)會(huì)造成房屋損傷。

然而，爆破振動(dòng)和天然地震波雖有相似之處，但還有很大的差異[1,22]。一般來(lái)說(shuō)，爆破地震波的幅值大，衰減快，而自然地震波的幅值小，衰減慢。另一方面，爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間不到1 s(圖3)，遠(yuǎn)小于天然地震的持續(xù)時(shí)間。最后，二者的振動(dòng)主頻也相差較大。圖6為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的各測(cè)點(diǎn)地表振動(dòng)主頻匯總結(jié)果，綜合來(lái)看，隧道爆破產(chǎn)生的地表振動(dòng)主頻集中在18～25 Hz，而天然地震波的主頻率一般低于5 Hz。前者與建構(gòu)筑物的固有頻率相差較大，避免因共振而加重結(jié)構(gòu)損傷的現(xiàn)象發(fā)生[23]。因此，完全按照地震烈度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估爆破振動(dòng)對(duì)房屋的影響是欠妥的。

表4 地震烈度[21]Table 4 The scale of earthquake intensity[21]

圖6 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻匯總Fig.6 The comparison of main frequency of vibration at each point

截至目前，中外學(xué)者統(tǒng)一將振速作為爆破振動(dòng)影響程度的評(píng)定指標(biāo)，認(rèn)為超過安全允許振速的爆破振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)性損傷，而小于安全允許振速的多次爆破振動(dòng)產(chǎn)生的累積效應(yīng)可能對(duì)房屋造成非結(jié)構(gòu)性損傷[1]。然而，世界各國(guó)對(duì)于安全允許振速的取值也存在差別。美國(guó)礦務(wù)局取安全振速為5.1 cm/s；而蘇聯(lián)學(xué)者提出，地表振速在1.2 cm/s以下，周邊建筑就不會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)，給出了如表5所示的爆破振動(dòng)烈度表。

中國(guó)學(xué)者認(rèn)為爆破地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是由爆破地震動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性共同決定的,結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值、振動(dòng)頻率及其歷程有著密切的關(guān)系，僅以質(zhì)點(diǎn)峰值振速作為單一的爆破振動(dòng)安全判據(jù)難以準(zhǔn)確地衡量其危害[2,24],因此制定了如表6所示基于頻率—振速雙因素的爆破振動(dòng)安全判據(jù)，除建筑類別外，結(jié)構(gòu)所在位置的振動(dòng)頻率也是影響安全振速取值的條件之一?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，質(zhì)點(diǎn)主振頻率介于18～25 Hz，使用120 kg炸藥實(shí)施隧道爆破時(shí)，在正上方測(cè)得的振速值為0.67 cm/s(表2)，基本滿足規(guī)范給出的建筑安全允許振動(dòng)速度。

表5 爆破振動(dòng)烈度[22]Table 5 The Intensity scale of blasting vibration[22]

表6 爆破振動(dòng)安全允許振速[25]Table 6 The safe vibration velocity of blasting[25]

5 結(jié)論

隧道爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)附近居民的正常生活產(chǎn)生影響，容易引發(fā)“擾民”和“民擾”事件，所以振動(dòng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及安全控制技術(shù)備受施工單位關(guān)注。參照現(xiàn)階段中外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)造成的地表振動(dòng)加速度和速度響應(yīng)進(jìn)行了分析，探討了振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)下穿村莊房屋的影響，得出了以下結(jié)論。

(1)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，同一測(cè)點(diǎn)處的水平雙向地表振動(dòng)強(qiáng)度一般略高于豎向；而水平雙向(切向和徑向)的振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比不明顯。

(2)采用數(shù)碼電子雷管實(shí)施爆破可實(shí)現(xiàn)高精度微差爆破，有明顯的降振效果。當(dāng)水平距離和炸藥總量相近的情況下，使用電子雷管爆破比傳統(tǒng)毫秒雷管產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度低很多，是一種科學(xué)、有效的振動(dòng)控制措施。

(3)爆破振動(dòng)和天然地震波雖有相似之處，但仍有很大的差異，不能完全用地震烈度評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響。

(4)隧道爆破引起的地表振動(dòng)主頻集中在18～25 Hz，與房屋結(jié)構(gòu)的固有頻率存在差異，不會(huì)因共振而加重結(jié)構(gòu)損傷。

(5)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的地表振動(dòng)傳感器拾取到的最大振速為0.67 cm/s，基本滿足規(guī)范給出的建筑安全允許振動(dòng)速度，不會(huì)對(duì)周邊建筑造成結(jié)構(gòu)性損傷。