城鎮(zhèn)控制爆破減振技術(shù)試驗研究

賴廣文 楊琳 鄧志勇

（1.深圳市宏源建設(shè)工程有限公司，廣東深圳 518108；2.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518043；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著城市的快速發(fā)展，在已有建（構(gòu)）筑物周邊進(jìn)行爆破施工的項目日益多見，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量以爆破振動波的形式在地層中傳播，對附近地上、地下建筑工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以及多次重復(fù)、疊加的振動波不可避免地會對施工現(xiàn)場鄰近的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，在爆破施工中采取必要的技術(shù)和措施進(jìn)行減振，確保周邊建構(gòu)筑物安全。

本文以深圳市西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城區(qū)舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托，針對爆破區(qū)域緊鄰運(yùn)營地鐵、居民區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，爆破振動安全控制要求極其嚴(yán)格，為確保安全，施工初期從施工工藝、施工方法等方面進(jìn)行了多項減振技術(shù)的現(xiàn)場試驗，成功地完成了項目施工。

縱觀國內(nèi)外爆破振動研究現(xiàn)狀［1-3］，爆破施工中降低爆破振動影響主要從2方面改進(jìn)，一是從技術(shù)設(shè)計方面，即減少最大段起爆藥量、調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)、優(yōu)化起爆網(wǎng)路等；二是增加施工措施方面，即設(shè)置隔振孔、構(gòu)造爆破臨空面、調(diào)整炮孔布置方式等。本項目針對上述幾種措施并結(jié)合工程實際，進(jìn)行現(xiàn)場試驗和分析研究。

1 工程概況

西鄉(xiāng)商業(yè)中心項目設(shè)計4層地下室，基坑開挖深度為19.5 m，基坑安全等級為一級。基坑施工中需進(jìn)行基坑石方爆破開挖，爆破工程量約10.0萬m3。爆破區(qū)域南側(cè)臨近深圳地鐵1號線坪洲站出口，邊距線軌凈距約17 m。北側(cè)為基坑在建建（構(gòu)）筑物，南側(cè)為市政路，西側(cè)為市政副路、距居民小區(qū)40 m，東側(cè)距居民小區(qū)30 m，項目環(huán)境平面圖見圖1。施工中必須確保地鐵隧道、車站結(jié)構(gòu)、居民小區(qū)、市政管線、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

圖1 項目環(huán)境平面圖（單位：m）

根據(jù)項目施工要求，前期進(jìn)行現(xiàn)場試驗，優(yōu)化施工方案，確保施工安全。現(xiàn)場試驗主要針對電子雷管、隔振孔（面）、自由面方向、孔底氣墊層等降爆破振動影響的技術(shù)措施進(jìn)行試驗分析，為優(yōu)化爆破施工方案提供試驗數(shù)據(jù)支持。

2 電子雷管微差減振試驗

李子華等［4］利用單孔和群孔試驗確定了17 ms的電子雷管孔間延時時差，可以達(dá)到最佳的干擾減振效果。本項目和文獻(xiàn)中的施工項目處在相同區(qū)域，地質(zhì)條件接近，且同為基坑爆破施工項目，主爆孔孔徑均為?76 mm，因此本項目在17 ms延時間隔的基礎(chǔ)上進(jìn)行爆破試驗，確定該地段的最佳延時時差。

群孔試驗（數(shù)碼電子起爆網(wǎng)路）設(shè)置2排孔，每排9個孔，孔深5.5 m、孔距2.3 m，排距2.0 m，單孔藥量9.0 kg，孔間延時分別為15，16，17，18，19 ms，逐孔起爆。17 ms時數(shù)碼電子雷管的起爆時差設(shè)置如圖2所示。同時為了便于比較，設(shè)置了1組電-非電混合起爆網(wǎng)路試驗，每組7個孔，孔深5.5 m、單孔藥量9.0 kg，起爆網(wǎng)路采用電-非電起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)裝入非電雷管10段，孔外用非電雷管5段串接，起爆網(wǎng)路如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)逐孔起爆，對控制爆破振動速度有一定的效果。

圖2 17 ms時數(shù)碼電子雷管起爆時差設(shè)置示意

圖3 電-非電起爆網(wǎng)路示意

爆破振動測點設(shè)置在距每次試驗中第1響炮孔的位置，距離分別為15，30，50 m。1#測點典型振動波形見圖4。圖4（a）為孔間延時17 ms電子雷管起爆的振動波形，其波形分布比較連續(xù)均勻，振動速度峰值為0.76 cm/s；圖4（b）為電-非電雷管起爆的振動波形，其波形可以明顯分辨出不同的起爆時段，振動速度峰值為 1.13 cm/s。對比圖 4（a）和圖 4（b）可知，在試驗條件一致情況下，電子雷管起爆的減振效果更好，比電-非電雷管起爆的振動速度小30%以上。

圖4 1#測點典型振動波形

電子雷管起爆時不同孔間延時和爆心距測得的質(zhì)點振動速度峰值見表1。可知，孔間延時17 ms時最大爆破振動速度均小于其他孔間延時的最大爆破振動速度，說明其干擾降振效果最佳。因此，電子雷管孔間延時17 ms時，可以達(dá)到最佳減振效果。

表1 試驗爆破振動速度統(tǒng)計

3 減振孔試驗

在爆破區(qū)域外圍設(shè)置減振孔可以降低對周邊保護(hù)物的爆破振動影響，其主要是利用減振孔在爆破產(chǎn)生波的傳播路徑上設(shè)置障礙，使波的傳播路徑發(fā)生變化，同時波在障礙物界面處發(fā)生反射和透射，消耗部分地震波的能量，從而降低地震波對周邊保護(hù)物的影響，達(dá)到減振的效果［5-6］。但對于爆破產(chǎn)生地震波的減振特性目前沒有準(zhǔn)確結(jié)論。試驗中設(shè)置了單排減振孔和雙排減振孔2種模式，具體參數(shù)見表2。

表2 減振孔布置參數(shù)

試驗爆破炮孔采用電-非電雷管逐孔起爆，網(wǎng)路形式類似于圖3。孔徑為?76 mm，孔距2.3 m，排距2.0 m，孔深5.5 m。

本階段試驗中，單排減振孔總設(shè)置了20個，雙排減振孔采用梅花形布置，設(shè)置了42孔，減振孔距離爆破區(qū)域20 m。爆破振動測點布置：1#—5#測點距爆源距離分別為15，25，35，45，55 m。振動測試獲取有效數(shù)據(jù)60組，分別為無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的監(jiān)測點爆破振動數(shù)據(jù)。對同一測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量合速度，然后利用薩道夫斯基公式回歸，計算得到上述3種情況的振動速度回歸曲線，見圖5。不同工況下，振動速度的回歸式為

無減振孔，相關(guān)系數(shù)0.953：

圖5 無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的振動速度回歸曲線

單排減振孔，相關(guān)系數(shù)0.886：

雙排減振孔，相關(guān)系數(shù)0.899：

式中：v為監(jiān)測點振動速度峰值，cm/s；Q為爆破單響最大炸藥量，kg；R為監(jiān)測點距爆源距離，m。

爆破振動速度計算式可表述為

式中：k，α為衰減系數(shù)。

不同工況下，k，α的變化規(guī)律為：①3種情況衰減系數(shù)α變化不大，衰減系數(shù)k則按照無減振孔、單排減振孔到雙排減振孔的順序逐漸減小。②相對于無減振孔的情況，單排減振孔情況下k值減小約13%，雙排減振孔減小約26%。

單孔裝藥量一致情況下，用減振率來估算減振孔的減振效果，減振率ρ為

3種工況下減振效率對比見表3。

表3 減振效率對比

由表3可知，設(shè)置減振孔的爆破振動速度比未設(shè)置減振孔的低，起到了減振的效果，同時雙排減振孔比單排減振孔的減振率大。隨著爆心距的增大減振率逐漸變小，減振效果在減弱，在1#測點位置單排減振孔的減振效率為18.0%、雙排減振孔的減振效率為25.0%，而在5#測點位置減振效率分別降為8.8%，11.76%，減振效果明顯減弱。按此規(guī)律隨著爆心距的繼續(xù)增大，減振效果越來越弱，對于遠(yuǎn)離爆源區(qū)的爆破振動減振孔基本沒有減振作用。

由減振孔試驗可得：對于爆源區(qū)附近的爆破振動，減振孔可以起到減振的作用，且雙排減振孔比單排減振孔的減振效果好。保護(hù)物鄰近爆破區(qū)域時可以采用減振孔的減振措施，以降低爆破振動對保護(hù)物的影響。

4 孔底加氣墊層試驗

張志呈等［7-8］指出定向卸壓隔振爆破引起的地面振動速度低于其他爆破方法，且隔振材料越好、在合理范圍內(nèi)孔底空氣間隔越大，降低振動效果越好。試驗采用孔底加氣墊層的方法分析減振效果。

試驗作業(yè)臺階高度5.0 m，設(shè)計布置2排炮孔，鉆孔直徑為76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m。炮孔底部放置50 cm長PVC管作為炮孔底部氣墊層，藥柱長度2.5 m，填塞長度2.5 m，單孔裝藥量為7.0 kg，炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)及測點布置見圖6。起爆網(wǎng)路采用電-非電雷管逐孔起爆。

圖6 試驗裝藥結(jié)構(gòu)、測點布置

試驗中進(jìn)行爆破振動檢測，比較檢測數(shù)據(jù)分析減振效果。1#測點布置在作業(yè)臺階底部，距最左側(cè)炮孔水平距離5 m；2#測點布置在作業(yè)臺階上，距爆區(qū)后排孔10 m。在爆破前對2個測點儀器進(jìn)行保護(hù)。

試驗共進(jìn)行了4組，其中2組為不加氣墊層的，2組為加氣墊層的。未設(shè)置氣墊層和設(shè)置氣墊層后的典型振動波形見圖7—圖8。

圖7 未設(shè)置氣墊層爆破振動波形

圖8 設(shè)置氣墊層后爆破振動波形

由圖7—圖8可見，設(shè)置氣墊層后各段振動波形較為連續(xù)，無明顯分段起爆的特征，推斷預(yù)留的空氣墊層降低了爆轟波和爆生氣體壓力，延長了炮孔中爆生氣體的存在時間，提高了爆生氣體準(zhǔn)靜壓力作用下巖石斷裂破碎的質(zhì)量。

孔底加氣墊層試驗振動結(jié)果見表4。

表4 孔底加氣墊層試驗最大爆破振動速度 cm·s-1

試驗第1，2組為孔底未設(shè)置氣墊層，試驗第3，4組為孔底設(shè)置長度0.5 m氣墊層。由表4可見，未設(shè)置氣墊層時，1#測點最大爆破振動速度為1.16 cm/s，2#測點最大爆破振動速度為1.45 cm/s，頂部的爆破振動速度要大于底部的；第2組結(jié)果與第1組的結(jié)果基本一致，其中 1#測點為 1.23 cm/s，2#測點為 1.51 cm/s。設(shè)置氣墊層后，臺階底部的爆破振動速度明顯減小，第3組中1#測點最大爆破振動速度為0.98 cm/s，2#測點最大爆破振動速度為1.44 cm/s，第4組中1#測點為0.96 cm/s，2#測點為1.49 cm/s，試驗第3，4組結(jié)論基本一致，孔底加設(shè)氣墊層后1#測點爆破振動速度降振效果明顯，對于臺階底部的爆破振動起到了較好的減振作用，減振效率可以達(dá)到15%～20%。2#測點的最大爆破振動速度未發(fā)現(xiàn)明顯變化，說明孔底加設(shè)氣墊層對臺階頂部的減振作用不大。

為了驗證氣墊層長度對減振效果的影響又進(jìn)行了2組試驗，試驗中氣墊層長度設(shè)計為1.0 m，其他參數(shù)不變，對于作業(yè)臺階底部的減振效果比氣墊層長0.5 m的明顯，但爆破后底部留有根底，臺階底部不平整。

由孔底加氣墊層試驗可得：對于作業(yè)臺階底部的爆破振動，炮孔底部加氣墊層可以起到減振作用，氣墊層長度大，減振效果好，但影響爆后底部平整度。因此，對保護(hù)物的位置標(biāo)高低于爆破區(qū)域時，可以選擇炮孔底部加設(shè)氣墊層的減振措施，但氣墊層的長度應(yīng)不影響臺階底部的平整度。

5 爆破自由面方向試驗

實踐表明，保護(hù)物與爆破自由面的相對位置不同，受爆破振動的影響也有所不同。因此，通過不同爆破自由面方向進(jìn)行試驗分析爆破振動的衰減規(guī)律，以便后期施工中有意避免不利因素，降低爆破振動的影響［9-10］。

試驗設(shè)計2種作業(yè)自由面，分別垂直和平行地鐵軌行區(qū)，炮孔布置如圖9所示。作業(yè)面臺階高5.0 m，炮孔鉆孔直徑為76 mm，每次試驗布置兩排孔，每排6孔，孔距2.3 m、排距2.0 m，炮孔深5.5 m，填塞長度2.0 m，單孔裝藥量10.5 kg。起爆網(wǎng)路采用電-非電雷管逐孔起爆。

圖9 炮孔布置示意

為分析爆破振動衰減規(guī)律，測點布置成一條測線，分別與爆源距離為15，25，35，45，55 m，測線垂直于地鐵軌行區(qū)。

爆破自由面垂直和平行于地鐵軌行區(qū)方向分別進(jìn)行了5組爆破，共取得50組有效數(shù)據(jù)。根據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，爆破振動衰減回歸曲線見圖10。

圖10 爆破自由面垂直和平行地鐵軌行區(qū)時振動速度回歸曲線

由圖10可知，圖10（a）中振動衰減系數(shù)k為36.88，圖10（b）中振動衰減系數(shù) k為 52.75，而兩圖中衰減系數(shù)α基本一致，說明爆破作業(yè)自由面方向?qū)φ駝铀p規(guī)律的影響是顯著的，但由于試驗場地地質(zhì)條件一致，其衰減系數(shù)α與作業(yè)自由面方向無關(guān)。爆破作業(yè)自由面垂直于地鐵軌行區(qū)時，其爆破振動向自由面兩側(cè)的傳播衰減較快，自由面平行于地鐵軌行區(qū)時其爆破振動直接向后傳播，振動衰減相對較慢。由圖10還可以看出，圖10（a）中的衰減系數(shù)k值比圖10（b）中的降低了30%，對地鐵軌行區(qū)的安全，自由面垂直軌行區(qū)有利于降低爆破振動的影響。

由爆破自由面方向試驗可得：爆破區(qū)域有保護(hù)物時，爆破作業(yè)自由面方向盡可能調(diào)整到垂直于保護(hù)物的方向，以降低對保護(hù)物的爆破振動影響。

6 工程實踐

本次試驗以深圳西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托，根據(jù)爆破試驗結(jié)果，從施工效率和成本考慮，方案中將基坑距地鐵隧道的距離劃成不同的爆破區(qū)域，即50 m外區(qū)域、30～50 m區(qū)域、30 m內(nèi)區(qū)域，分區(qū)域采用不同的減振措施。

方案中鉆孔直徑為76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m，填塞長度2.5m，炸藥單耗0.3～0.4 kg/m3。項目重點保護(hù)對象為運(yùn)營地鐵隧道，按照令（第278號）《深圳市城市軌道交通運(yùn)營管理辦法》［11］要求爆破振動速度安全控制標(biāo)準(zhǔn)為1.2 cm/s，距地鐵隧道30 m范圍為安全控制區(qū)。設(shè)計振動速度預(yù)警值為1.0 cm/s，施工中采用不同的綜合減振措施，確保地鐵隧道等建構(gòu)筑物安全。綜合減振措施有：

1）爆破作業(yè)臨空面基本上調(diào)整到垂直于地鐵軌道方向，由北向南分臺階推進(jìn)，每層臺階高度5 m以內(nèi)。

2）50 m外區(qū)域采用導(dǎo)爆管雷管微差控制爆破方法，逐孔起爆。

3）30～50 m區(qū)域采用電子雷管精細(xì)控制爆破方法，孔間延時17 ms逐孔起爆。

4）30 m內(nèi)區(qū)域采用電子雷管起爆、減振孔、孔底氣墊層等綜合降振措施。孔間延時17 ms逐孔起爆；孔底加氣墊層時炮孔超深部分裝填PVC空管作為氣墊層，長度約為50 cm。

5）開始50 m范圍內(nèi)施工時，沿基坑邊線鉆取2排?140 mm減振孔，減振孔深度比開挖臺階超深1 m。

施工過程在地鐵隧道迎爆側(cè)壁面、軌道基礎(chǔ)上布置振動監(jiān)測點，對每次爆破的爆破位置、測點位置、爆破裝藥參數(shù)都進(jìn)行了詳細(xì)記錄，全過程振動速度均未超出1.0 cm/s控制指標(biāo)，運(yùn)營地鐵隧道安全。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，軌道基礎(chǔ)的振動速度值低，迎爆側(cè)壁面的振動大。

7 結(jié)論

通過現(xiàn)場爆破試驗、工程實踐，可以得到以下結(jié)論：

1）爆破試驗區(qū)域地質(zhì)條件下，電子雷管孔間延時設(shè)置為17 ms時，可以實現(xiàn)最佳的爆破減振效果。

2）減振孔對于臨近爆破區(qū)域的爆破振動可以起到降振的作用，且雙排隔振孔比單排隔振孔的減振效果好。與無減振孔相比，單排減振孔時衰減系數(shù)k值減小約13%，雙排減振孔時k值減小約26%。雙排減振孔的減振效率明顯好于單排減振孔的減振效果，最大減振率可達(dá)25%。

3）炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階底部的爆破振動的減振效果顯著，減振效率約為15%～20%。氣墊層長度大，減振效果好，但影響爆后底部平整度。炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階上的爆破振動速度影響不大。

4）爆破作業(yè)自由面垂直于保護(hù)物時衰減系數(shù)k值比自由面平行于保護(hù)物時k值降低約30%，衰減系數(shù)α與作業(yè)自由面方向無關(guān)。

本試驗以工程項目為依托，試驗系統(tǒng)性、完整性有待進(jìn)一步完善，以便為工程實踐提供堅實的技術(shù)依據(jù)。