地铁车站暗挖钻爆施工振动分析与控制研究

王剑明

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200071)

1 引言

爆破在工程建设中应用广泛，但是爆破也会产生一些负面效应。爆破产生的爆破振动、空气冲击波、噪声、飞石、烟尘等有害效应[1-3]，是爆破工作者需要密切关注的问题。其中爆破振动被公认为爆破破坏作用“三大公害”之首，尤其需要重点防护[4-5]。在地铁车站钻爆开挖中，爆破振动有可能会引起管线破裂、地面沉降、周边建筑开裂等一系列的破坏，给城市建设及居民的正常起居生活带来不可预估的损失[6]。

国际上自二战以后开始关注爆破振动安全问题，国内在20世纪70年代之后，对爆破振动传播规律、与天然地震的异同、主要影响因素、工程施工中的控制技术、观测方法和手段、建(构)筑物受振的动力反应计算、安全评定标准等进行大量的科学研究和经验总结，取得了一大批有益于爆破振动安全控制的成果[7]。但是，要针对爆破振动速度多个影响因素，如最大段装药量、总装药量、距离、爆破参数、起爆方案、高差等进行分析却很难[8]。所以，本文试图对地铁车站暗挖钻爆法开挖施工时爆破振动进行系统性分析并在分析的基础上制定控制方法，最终达到控爆减振效果。

2 工程概况及钻爆方法

2.1 车站概况

重庆市轨道交通环线洪湖路站为地下单拱双层岛式车站，总长620.81 m，顶部覆土层厚约17～21 m。岩层产状较平缓，未发现断层通过。岩体基本质量等级:砂质泥岩为Ⅳ级，砂岩、强风化层岩石为Ⅲ级。地下水主要为大气降水，地面沟、塘水体渗漏以及城市地下排水管线渗漏补给，水文地质条件简单。

车站位于洪湖东路主干道下方，沿洪湖东路呈东西向布置。车站北侧主要有财富大厦(5层)、财富中心国际公寓居住小区、银行大厦(7层)等建筑物。

2.2 暗挖钻爆法开挖

车站主体利用两组施工通道进入工作面，采用双侧壁导坑暗挖钻爆法施工，分九步(左中右、上中下分九个部分)开挖，开挖总断面积为414.2 m3，其中上导坑开挖断面积约67.5 m2，如图1所示，循环进尺为0.8～2.7 m，爆破方量约为100～120 m3。

采用中心楔形掏槽爆破方法，导爆管雷管簇联网路，电雷管起爆；孔内秒延期导爆管雷管，即2 s、3 s、4 s、5 s、6 s、7 s 非电导爆管雷管顺序起爆。 每次爆破孔深不一致。上、下导坑炮孔爆破参数见表1。

图1 车站上部导坑开挖现场

表1 车站导坑暗挖爆破参数

3 监测方案

考虑爆破施工项目监测实施阶段，车站开挖距离5层财富中心较远，开挖区域主要集中于财富大厦C座和银行大厦之间的区段。因此，根据现场监测许可条件和相关规定，确定银行大厦为爆破振动主要监测对象，其到车站开挖边线的水平距离约为8 m。并且，考虑车站路面交通繁忙，沿途周边管线较多，地表周边建(构)筑物及民房密集，对钻爆开挖影响较大位置也布设了监测点。

对7层银行大厦，监测部位包括大厦负1层、负2层和二层。监测数据采集仪器为中科测控研制的TC-4850型爆破测振仪，3 Axies传感器。传感器考虑频率响应、动态量程和系统标定三方面，各项性能指标符合监测工作要求。在进行信号采集前，还应注意详细检查仪器，包括触发电平、触发方式、采样率、量程等项目。监测数据(部分)如表2，包括楼房水平与垂直方向最大振动速度、主振频率和振动持续时间。

表2 _车站建筑物振动监测成果表(部分)

4 爆破振动响应分析

为了保证地面建筑物不受爆破振动影响而产生变形甚至破坏，隧道钻爆开挖需要将爆破振动强度控制在一个许可范围内，若建筑物爆破振动强度值超过了许可阈值，则不安全。表3为《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中给出的部分建筑物的安全振动速度，分析时作为重要参考依据。

表3 部分建筑物爆破振动安全允许标准

4.1 爆破振动强度

根据爆破理论可知，以振动质点在同一时刻三个相互垂直方向(x、y、z)上的矢量值表示该质点空间运动速度，为:

根据银行大厦HDJ-1部位监测点No1振动监测值绘制的振动波形及三矢量振动合速度如图2所示。该次爆破单段药量不大，爆心距比较远，水平Y方向最大振动速度为0.862 71 cm/s，垂直Z方向最大振动速度为0.940 50 cm/s，最大合速度(峰值)为1.204 52 cm/s，峰值出现时刻在0.008 6 s。

由实测值并结合相关资料，综合分析，归纳爆破振动速度影响理论如下:

(1)爆破振动作用下建(构)筑物在垂直方向峰值振动速度大于水平方向振动速度，水平切向振动速度大于水平径向振动速度。

(2)建(构)筑物对峰值爆破振动速度(水平方向与垂直方向)具有放大效应。

(3)同等爆破作业条件下，随着爆心距的增加，爆破引起的建筑物峰值振动速度(三向)衰减特性遵守回归规律。

(4)测点质点在三个方向上振动能量比较大的峰值振动速度出现的时刻不同，但基本集中于某个时间段内。

4.2 爆破振动频率

研究时，将爆破地震波看成由一系列简谐波组成，通过傅里叶变换将时域信号转化成频域信号，如图3所示；将实测连续波形进行离散采样和量化，得到该信号波形的有限离散数值系列{x0，xl，…，xn}，采用计算机系统可对离散数列{xn}进行快速傅立叶变换(FFT)处理。本项目上，将测点主振频率与各类建筑物固有自振频率进行了对比，如图4所示。

图2 建筑物爆破振动No1波形和合速度

分析得出:暗挖爆破引起的爆破振动主频范围水平方向为16.7～97.5 Hz，垂直方向为11.5～142.9 Hz。爆破振动优势频率在10～150 Hz范围内，因为远大于建(构)筑物的1～6 Hz固有自振振动频率范围，所以爆破振动主振频率对周边建(构)筑物基本没有影响，不会导致建(构)筑物的损害。但是，从爆破振动频谱图还可看出，其低频成分与建(构)筑物的固有频率较为接近，容易引起建筑物的共振，并且爆破地震波经过一定距离的传播后，其高频成分逐渐衰减。所以对于处于较远位置的建(构)筑物，应该特别防止爆破地震波中低频成分对建筑物造成的破坏[9]。

图3 爆破振动HDJ No1频谱(X方向)

图4 车站爆破主振频率分布

4.3 爆破振动持续时间

实测中，车站钻爆开挖引起的建筑物振动幅值较小，在数据分析中取爆破振动波形1/5 A起始时间段作为爆破振动持续时间，可得到各测点爆破振动持续时间，见表2和图5。

图5 车站爆破振动持续时间分布

爆破振动持续时间反映了振动衰减的快慢。由于持续时间一般在0.3～0.8 s之间，相对较短，所以，地铁开挖爆破振动持续时间对周边建(构)筑物的动力响应影响比较小，一般不会造成建筑物的破坏。

5 钻爆开挖振动控制

通过爆破振动控制原理及监测验证分析，在钻爆开挖中可以采取以下控制措施:

(1)控制单段最大起爆药量，分散布药

依据爆破振动强度大小除了与爆心距和施工条件有关外，主要取决于一次起爆装药的大小，并且振动速度是衡量爆破振动强弱的主要指标，由爆破地震波传播规律可计算出临界距离条件下安全允许的最大起爆药量(见表4)，允许单段最大起爆药量为3.4 kg。因此，从控制药量减少振动强度考虑，爆破设计时可采用分散布药、增加爆破网路段数方法；同时，选用双侧壁导坑法、交叉中隔壁法等开挖工法，将大断面分割成多个小断面，化整为零[9]，循环小进尺、小方量，进而减少单段药量，降低振动强度，削弱爆破振动效应，减少危害。

表4 地铁开挖爆破振动单段许可装药量

(2)合理选用掏槽形式，多级嵌套

从爆破振速时间判断，产生大振速部位通常为掏槽爆破、底板或底角爆破等。质点峰值振动速度往往发生在掏槽孔爆破处。因此，掏槽孔采用“V”形多级嵌套掏槽方式，掏槽孔比辅助眼孔超深10～20 cm，布置于开挖断面的重心位置。

(3)选用低威力、低爆速装药，多段微差

从性能上看，威力、低爆速炸药意味着低振动。掏槽爆破和扩槽爆破用爆炸威力大的乳化炸药，周边炮孔则用低爆速的2＃岩石炸药。

根据爆破振动频率在时间上和空间上存在着峰谷叠加性质，在总装药量和爆破作业条件不变的情况下，选择合理的微差延期时间，能使爆破振动强度较齐发爆破降低40%～60%。掏槽孔微差时间用MS0、MS1段位，其他炮孔以逐孔起爆为主，孔间微差时间为MS1～MS2段位，排间延期时间用MS2～MS3段位。总之，多段微差爆破使用合理的延期时间，可减小地震效应、增强破碎效果并减低炸药消耗量。并且，随着新型爆破器材的不断涌现，选用新型导爆管雷管和数码雷管，也能达到精确延时爆破。

6 结束语

从本工程的实施效果来看，通过现场爆破振动监测及详细的振动影响分析，采取了有针对性控制措施，达到了预期效果。

(1)通过爆破振动监测分析得到的地铁车站暗挖爆破振动规律，为钻爆开挖单段装药量控制提供了预测手段，利于优化爆破设计；减少了爆破振动对围岩初期支护强度和稳定性的影响或破坏，保证了施工安全。

(2)钻爆施工振动监测和微差、掏槽爆破技术的应用，有利于提高炸药利用率，减少超欠挖，保证了循环进尺，从而节约了炸药量，缩短了施工循环时间。

(3)根据围岩中爆破地震波的传播规律和钻爆施工安全控制振动速度，克服了因爆破地震效应限制而导致的不能按计划进行施工的难题，确保了施工工期，节约了成本。