孤石深孔爆破對臨近豎井的振動影響研究*

張 彪

(中鐵二十三局集團有限公司，成都 610072)

孤石為花崗巖殘積土中不均勻風化所殘留的球狀風化核[1]，由于其具有分布隨機、形狀各異、大小不等、單軸抗壓強度較高等性質，盾構無法直接破碎，需要采取預處理措施。

城市環境下的爆破法施工經常遇到臨近建筑物振動影響問題，國內學者采用理論分析、數值模擬及現場監測等手段進行了研究。夏宇磬等通過現場測試研究了爆破振動下預埋混凝土管道的動力響應特征[2]。劉義佳等分析了爆破振動頻率和持續時間對結構爆破振動響應的影響[3]。楊招偉等提出了基于地表實測振動的巖石動力學參數預測方法[4]。管曉明等研究了隧道爆破振動下既有建筑結構的動力響應[5]。雷振等采用現場試驗和數值計算研究了臺階爆破對臨近建筑的振動影響[6]。張黎明等通過現場試驗對管道地表的爆破振動峰值振速、主振頻率及軸向微應變進行了研究[7]。李新平等以白鶴灘水電站為工程依托，分析了地下洞室高邊墻上質點爆破振動速度隨高程變化規律[8]。夏宇磬等研究了隧道開挖爆破振動對下埋供水管道的動力響應[9]。于建新等開展了大跨度隧道爆破現場監測試驗，分析了爆破參數對隧道結構振動規律的影響[10]。孫金山等分析了露天爆破時瑞利波在爆源遠區邊坡巖土介質中誘發的動應力和質點振動特征[11]。葉海旺等研究了砌體房屋結構在爆破振動下的動態響應[12]。

以廈門軌道交通1號線【集美中心站～誠毅廣場站】盾構區間隧道為依托工程，基于現場測試和數值分析的方法，針對城市環境下孤石深孔爆破下臨近建(構)筑物的振動影響展開研究，提出了滿足盾構掘進要求的孤石爆破減振措施。

1 工程實例

1.1 孤石尺寸及周邊環境

廈門軌道交通1號線集美中心站～誠毅廣場站區間隧道為單洞單線圓形隧道，線路埋深15～20 m。補勘期間在區間右線YDK24+008～YDK24+026段(左線豎井旁)發現存在對盾構掘進影響較大的中、微風化花崗巖孤石。經詳細補堪，孤石沿盾構掘進軸線長約17.88 m、寬10.96 m(布滿盾構掘進橫斷面)、厚度8.05 m(對盾構掘進產生影響的最大厚度為4.05 m)，需爆破的方量約700 m3，孤石與豎井結構位置關系及相關尺寸如圖1所示。

圖 1 孤石與豎井位置關系(單位：m)Fig. 1 Relative position of boulder and shaft(unit：m)

孤石西側為左線豎井結構，豎井壁圍護樁有兩根樁與該孤石相連，孤石東側、東南側及南側為市民公園山體，在距離孤石約130 m的山頂上有一處新建的集美塔，西北側約197 m為西亭村民房，東北側約115 m為在建鋼筋混凝土框架結構樓房，西側約140 m為已建誠毅書城。

1.2 現場爆破方案

為滿足盾構機掘進需求，孤石爆破后塊度應滿足單邊長度小于30 cm。由于孤石在地面10 m以下，沒有臨空面，很難進行石渣的拋擲，表現為“無限均勻介質中炸藥的內部作用”現象，巖石破碎范圍主要為“爆腔、粉碎區、裂隙區”。為盡量擴大“爆腔、粉碎區、裂紋區”，采用110 mm鉆孔孔徑進行鉆孔，并用直徑90 mm PVC套管護孔，采用直徑60 mm的2#巖石乳化炸藥進行爆破，孤石爆破炸藥單耗q取5.0 kg/m3。

為防止孤石爆破時豎井基坑圍護樁和相鄰分區孤石完整性發生破壞，在豎井基坑一側距離盾構掘進邊線1.5 m處設置兩排減振孔及孤石爆破分區之間設置兩排隔離孔。減振孔與隔離孔孔徑均為127 mm，孔距20 cm，排距20 cm，鉆孔深度大于裝藥孔50 cm以上。

為了加快孤石爆破的施工效率，同時也為避免爆破對豎井造成過大的沖擊或擠壓，孤石采用五個爆破分區進行爆破，如圖2所示。

圖 2 孤石爆破分區Fig. 2 Boulder Blasting partition

考慮到爆區周邊的環境狀況，孤石爆破采用多段別毫秒延期、小規模爆破、單孔單響的設計方案，采用有利于爆破能量均勻分布的三角形布孔方式。爆破一區～爆破四區爆破裝藥孔的孔、排距為a×b=0.8 m×0.7 m，鉆孔深度超過盾構開挖邊界1.0 m。為了減小爆破振動對豎井圍護樁的影響，靠近豎井圍護樁的爆破五區孔、排距調整為a×b=0.6 m×0.5 m，從而減小單孔裝藥量。

2 孤石爆破現場監測

為了分析孤石爆破對臨近構(建)筑物的振動影響，采用爆破振動測振儀對豎井圍護樁頂部、集美塔進行現場監測。

以孤石爆破分區1區、5區為例，對孤石爆破振動監測結果進行分析，如表1所示。

表1 孤石1區、5區爆破監測結果Table 1 Blasting monitoring results of boulder 1 and 5 partitions

孤石1區、5區爆破時，集美塔監測點均低于2.0 cm/s，滿足爆破安全規程(GB6722—2014)要求，而豎井監測點均超過爆破安全規程，究其原因主要為爆破源離豎井結構較近，孤石爆破對豎井結構擾動較大所致。

對比分析1區、5區爆破時監測點1#、2#的振速值，5區爆破振速值明顯低于1區爆破振速值，表明后期施工時應減小炮孔間距，減少單孔裝藥量，可以有效控制豎井結構振動速度，防止臨近結構的破壞。

3 數值分析

3.1 孤石爆破計算模型

結合施工現場探測繪制的孤石所處位置的平、縱剖面圖上的形狀、尺寸以及位置相對關系，建立了數值計算模型，模型整體尺寸設定為35.74 m(長度)×40.56 m(寬度)×36.17 m(高度)的無限均勻土體介質，如圖3所示。

圖 3 計算模型(單位：m)Fig. 3 Numerical calculation model(unit:m)

孤石模型內部分區如圖4所示。

圖 4 孤石模型Fig. 4 Boulder model

考慮到孤石分區5區離豎井結構最近，以爆破5區為例，研究減少裝藥量對豎井結構的振動影響。

計算參數分別如表2～表5所示。

表 2 炸藥單元計算參數Table 2 Calculation parameters of explosive elements

表3 孤石計算參數Table 3 Boulder parameters

表4 豎井計算參數Table 4 Calculation parameters of shaft

表5 空氣單元參數Table 5 Parameters of air elements

豎井結構采用MAT_ELASTIC模型，材料參數見表4。

孤石為MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，材料參數見表3。

3.2 豎井振動效應分析

取不同位置監測點分析孤石爆破時豎井的振動影響，監測點如圖5所示。

圖 5 豎井監測點Fig. 5 Monitoring points of shaft

圖6給出了豎井監測點振動時程曲線。

圖 6 豎井監測點振動時程曲線Fig. 6 Vibration time curve of shaft monitoring point

從豎井監測點振速時程曲線可以看出，監測點振動速度均小于2 cm/s，孤石爆破分區五區在爆破過程中使鄰近豎井結構產生的振動速度控制在合理范圍內，不會對豎井結構造成破壞或損上，因此增加孤石爆破分區，減少一次爆破量，可以有效減小臨近建筑物的振動影響。

4 結論

(1)減振孔可以有效減弱孤石爆破對豎井基坑圍護樁的破壞，隔離孔可以保證相臨爆區孤石的完整性。

(2)以孤石分區5區為例，為減少單孔裝藥量，減小炮孔之間行距和排距，可以有效控制豎井振動速度，并保證孤石爆破效果。

(3)豎井監測點振動時程曲線表明，通過增加孤石爆破分區、減小炮孔間距等措施，減少單孔的裝藥量，可以有效控制豎井結構振動速度，防止臨近結構的破壞。