隧道爆破施工對地表建筑物的振動影響與爆破控制技術分析

■張舒寧

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

隨著現代土木工程技術的發展以及交通需求的不斷提高，鄰近和交叉工程實例越來越多，爆破施工引起鄰近建筑物的結構損傷， 以及對周邊居民生活的影響也越來越大。城市隧道所處環境復雜，周邊建筑物密集，爆破振動速度的控制顯得尤為重要。

國內外學者對鄰近爆破的研究越來越深入，陳晶鑫[1]詳細分析了采石場爆破振動監測內容、標準及監測點設置要點，提出相應的控制措施。 趙凱等[2]結合南京地鐵4 號線鼓樓站爆破施工現場模擬試驗，對比分析了單孔爆破和多孔孔間毫秒延遲爆破對省級保護文物的影響。 繆圓冰等[3]研究了地面大面積爆破對下方營運隧道的影響，提出了爆破振動速度的控制標準。

在工程初步設計階段，數值模擬結果對確定爆破方案的可行性和工程量具有重要的參考價值。 因此在已研究的基礎上，本試驗以潭頭隧道為工程背景， 采用Midas 軟件進行三維有限元爆破動力分析，模擬隧道不同爆破藥量對鄰近地表歷史建筑群的影響，并進一步確定隧道控制爆破的合理藥量。

1 工程概況

潭頭隧道設計速度100 km/h，平均長度2 846.5 m，為雙向六車道隧道，單洞開挖跨徑達16.5 m。 隧道穿越的山體左側地表有一處占地4 hm2多的蒲竺寺建筑群，距今已有800 多年的歷史，該組建（構）筑物坐落在高地上，基礎為淺基礎，結構體系現狀良好。

潭頭隧道工程與蒲竺寺相距較近，其中隧道左線ZK7+682～ ZK7+734 區間與蒲竺寺建筑群最近水平距離約40 m。 該段落圍巖為微風化凝灰熔巖，隧道鉆爆施工產生的振動可能會對構筑物產生一定的影響。

潭頭隧道與蒲竺寺相對位置關系見圖1。 其中左線樁號ZK7+705 距離蒲竺寺建筑物最近，豎向垂直距離約為37 m，水平距離約為41 m，隧道爆破開挖斷面與蒲竺寺的最短斜向直線距離為55 m。

圖1 潭頭隧道與蒲竺寺相對位置示意圖

2 爆破控制標準

爆破振動下的結構響應是一個十分復雜的問題，因此針對不同的振動源和保護對象應制定不同的爆破振動控制標準。 GB6722-2014《爆破安全規程》中規定一般古建筑物與古跡的質點最大振動速度不得大于0.1～0.5 cm/s。 但是由于古建筑物和保護文物具有明顯的個體差異性，建筑材料、結構形式以及變形敏感性都各不相同，難以確定統一的允許振速標準。

將國內典型的臨近文保建筑爆破工程概況及允許振速標準匯總于表1，可知對于古代佛像和磚石塔類保護建筑的允許振速要求相對較高。 尤其是磚石塔類建筑多為高聳結構，塔尖受外力作用下易產生鞭鞘效應，且磚石為脆性材料，砌體多存在裂縫，抗震能力較差，因而對爆破振動更為敏感[4]。

表1 工程類比匯總

蒲竺寺占地4 hm2多，由大雄寶殿、仙君殿、觀音殿、浮云塔、五百羅漢山等五大部分構成。 該組建（構）筑物坐落在高地上，基礎為淺基礎，結構體系現狀良好。 寺中大量磚石結構和雕塑對變形較敏感，其中浮云塔為七層石塔，塔高36 m，為閩江南岸第一高塔。 根據蒲竺寺歷史建筑群的現狀， 結合GB6722-2014 《爆破安全規程》 相關規定和工程類比，初步確定爆破振動安全允許振速為0.1 cm/s。

3 三維有限元爆破動力分析

3.1 三維有限元模型

為了減小爆破對鄰近構筑物的影響， 確定控制爆破藥量及爆破范圍，本研究采用Midas 軟件進行了三維有限元爆破動力分析。 分析中作了以下基本假定：（1）圍巖采用理想彈塑性本構，Mohr-Coulomb 屈服準則；（2）結構采用理想彈性模型；（3）考慮掏槽孔微差起爆，僅對掏槽爆破進行分析，爆破荷載采用美國國家公路協會公式。

模型計算范圍為樁號YK7+652～YK7+952，隧道模型見圖2、3，其中圍巖采用實體單元，隧道初期支護采用板單元，建筑柱子采用梁單元，樓板采用板單元。

圖2 計算模型圖

3.2 邊界條件及參數選取

模型地表為自由邊界，其余各邊界在特征值分析時定義為彈性邊界，在動力計算分析時則采用粘彈性邊界。

巖體的動彈性模量Ed都普遍大于靜彈性模量Eme，而巖體的裂隙發育情況對動彈性模量的取值影響較大。 根據勘察資料，隧道圍巖主要為微風化凝灰熔巖，巖體較完整，以塊狀構造為主；其間存在1條1～2 m 壓扭性節理密集帶，巖體較破碎，呈碎裂結構。

圖3 隧道與建筑的空間相對關系示意圖

一般情況下堅硬完整巖體Ed/Eme為1.2～2.0，風化、裂隙發育的巖體和軟弱巖體Ed/Eme為1.5～10.0。由于缺少動彈模的實測資料，為分析動彈模取值對質點振動速度的影響，分別取靜彈模1、2、5、8 及10 倍進行計算，得到同一位置的振動速度計算結果見表2。

由表2 可知，其余條件相同時時，動彈性模量取值越大，同一監測點振動速度越小。 本工程圍巖總體較為完整， 絕大部分圍巖的Ed/Eme在1.2～2.0，取靜彈模進行計算的質點振動速度誤差小于18.5%。按最不利情況考慮，取動彈模等于靜彈模進行計算。

表2 動彈性模量取值影響分析

計算中采用的圍巖參數取值見表3。

表3 圍巖計算參數

4 結果與分析

4.1 蒲竺寺建筑群范圍內爆破振動變化規律

為得到滿足爆破控制標準的單段最大爆破藥量， 首先在距蒲竺寺最近的最不利位置樁號ZK7+705，按不同炸藥量進行爆破計算分析。 圖4 為計算中在蒲竺寺建筑群布置的振動速度監測點，測點分布在A、B 兩條測線上， 其中A 測線表示地藏殿靠近隧道側的邊界線，B 測線表示功德亭靠近隧道側的邊界線。

圖4 監測點布置圖

首先選取單段最大裝藥量30 kg 進行爆破動力分析。 圖5 為在蒲竺寺建筑群范圍內爆破振動最大速度云圖，可知蒲竺寺建筑群范圍內地表最大振動速度為0.377 cm/s，位于功德亭邊界線附近，爆心距為60.85 m，距爆心水平距離為41 m。 此處的速度歷程曲線見圖6，振動速度峰值發生在0.86 s。

圖5 藥量30 kg 時測線爆破振動速度

圖6 藥量30 kg 時最大爆破振動速度歷程曲線

為了分析質點振動速度的衰減規律，繪制振動速度隨爆心距的變化曲線見圖7。

圖7 藥量30 kg 時爆心至蒲竺寺方向振速衰減曲線

由圖7 可知，質點振動速度在距爆心較近距離時呈指數迅速衰減，但衰減幅度在遠區減緩。 繪制蒲竺寺范圍內質點爆破振速隨水平距離衰減曲線見圖8，可知當單次最大爆破藥量為30 kg 時，在蒲竺寺范圍內振動速度衰減較慢，當距離爆源的水平距離達到91 m 以外時振動速度值小于0.1 cm/s。

圖8 蒲竺寺范圍內振速隨水平距離衰減曲線

為了分析質點振動速度隨藥量的變化規律，分別采用藥量10、15、20 kg 進行動力計算， 將各工況下蒲竺寺建筑群監測點最大振動速度計算結果見圖9。

圖9 不同爆破藥量作用下監測點最大振動速度曲線

4.2 振動衰減經驗公式系數擬合

國內外大量實測結果表明，反映爆破振動強度的物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質及場地條件等因素有密切關系，且爆破振動強度與炸藥量成正比，與質點距離成反比，大致符合以下形式的經驗公式[7]：

式中，A 為反應爆破振動強度的物理量；Q 為炸藥量，R 為爆心至測點的距離。

GB6722-2014《爆破安全規程》中采用的薩道夫斯基公式即為式（1）的特殊形式：

從圖10、11 的對比結果可知，公式（4）的擬合效果較好。

圖10 蒲竺寺范圍內V～R 曲線對比

4.3 單段最大爆破藥量建議值

圖11 R=60.85 m 處V～Q 曲線對比

將蒲竺寺建筑群最大爆破振動速度測點的爆心距R=60.85 m 代入式（4），可以得到允許振速標準為0.1 cm/s 時ZK7+705 斷面爆破允許最大單段裝藥量為18.2 kg。

另外，根據本研究得到的振動速度經驗公式，還可以快速得到相同爆破藥量下蒲竺寺建筑群內不同保護對象的質點振動速度， 以及不同允許振速標準下的近接施工段落的爆破施工最大單段藥量， 可以有效指導后續的現場爆破試驗和隧道施工。

5 結語

（1）對于振動和變形敏感的文保建筑應結合工程類比、數值分析和現場爆破試驗確定安全允許振動限值。 （2）隧道圍巖較為堅硬完整時，爆破振動衰減較慢，在沒有實測動彈性參數時，采用靜彈性參數進行分析誤差相對較小。 （3）質點振動速度在距爆心較遠時衰減幅度減緩，不宜采用薩道夫斯基公式進行擬合，而應選用衰減公式的一般形式。 （4）在初步設計階段，可通過三維有限元動力計算和經驗公式參數擬合，確定進行爆破的可行性和爆破藥量，為工程方案的確定提供依據，并可對后續施工提供參考。