水工隧洞爆破開挖對既有建筑物的安全性影響分析

余玉龍

（溫州市水利電力勘測設計院有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

量化隧洞建設過程中爆破振動引起建設項目及臨近建筑物的響應成為一個日益重要的課題。國內外學者就爆破對已有建筑物的安全控制標準做出不同程度的探究。

爆破參數的選取是爆破工程中的關鍵因素，基于露天爆破振動試驗，探究出爆破振動對地表及建筑物影響規律，并分析出其衰減規律，為爆破施工引起的振動破壞提出了系統的預測預防措施。水工隧洞由于其施工條件及地質工況的復雜性，爆破開挖對臨近建筑物的影響，還需要進一步的探討。基于某水工隧洞工程探究爆破振動對臨近建筑物的影響，監測其爆破衰減規律，為爆破工程應用提供技術支持。

1 爆破振動監測

1.1 爆破測試系統

爆破振動監測系統由TC-4850爆破振動儀、三維振動速度監測傳感器、防爆電纜及計算機數據監測終端組成。基于爆破工程實例，設定預定爆破參數，預估爆破振動幅值范圍及振動頻率分布范圍，為確保安全性，對預估振動監測范圍及安全閾值提高20%。監測系統做防爆處理，確保爆破振動試驗中不會出現削波、平臺等干擾情況。

1.2 監測點布置及測試方法

以水工隧洞內爆破點為震源原點，在地表沿原點縱橫方向各布置5 個監測點，其距離爆破原點分別為320、160、80、40、20 m，并將監測點的編號分別設定為TX-C5～TX-C1。同時對臨近建筑物的爆破振動現場監測，將其監測傳感器布置在建筑物的基礎表面或選擇臨近基礎具備堅固防振特性的地方。在水工隧洞附近的亭下支洞和狀元岙支洞的既有建筑物監測點分別設定為TX-1～TX-3和ZYA-1～ZYA-2。

2 爆破試驗結果及分析

2.1 爆破振動主頻分析

依據《爆破安全規程》，爆破振動監測要評估爆破振動速度與頻率的雙重影響，隧洞爆破工程中監測到的爆破振動波，應將其波形調整至頻率域，對振動波頻率劃分，確定相對集中的主頻范圍和頻帶。結合頻譜來評估隧洞爆破開挖中爆破振動對既有建筑物的影響。爆破產生的振動波具有能量釋放持續時間短和瞬間沖擊振動的特性。但振動波的頻率受距離和傳播介質影響，時間和空間分布不均勻，高頻振動波集中在近爆點，持續時間短；低頻振動波分布在遠爆點，且持續時間較長。爆破過程中，振動波能量集中分布在幾個頻率段上。

爆破振動波在介質中傳播有“損耗”，高頻率振動波會受到傳播介質的過濾和吸收作用，導致頻率降低接近既有建筑物自身振動頻率，產生安全隱患。基于亭下支洞、狀元岙支洞所測數據，評估爆破振動沿不同方向主頻分布規律，為制定預防措施提供數據參照。

X、Y、Z 三個方向上的爆破振動波頻率主要分布在10～50 Hz 這個區間，其振動監測數據占比超過70%，見圖1。若隧洞爆破開挖過程中，既有建筑物的自振頻率位于該區間內，應著重關注其對爆破振動的響應程度，在爆破開挖前，對此類建筑物進行加固處理，并在施工過程中，全程振動監測，排除隱患。同時，參照《爆破安全規程》臨近建筑物結構自振頻率均在10 Hz以下，而隧洞爆破振動波的主要頻率分布在10～50 Hz，故不會引起既有建筑物產生共振破壞。

圖1 徑向（Z方向）振動頻率分布

2.2 爆破振動衰減系數的研究分析

通過限定爆破方式和爆炸藥量，探究爆破振動速度與爆心距的演變規律，各監測點振動速度值見表1。

表1 亭下支洞爆破測試各測點振速值

基于薩道夫斯基公式探究此次爆破振動的影響范圍，并進行回歸分析。

式（1）中：Vmax是振動監測點振動速度峰值（cm/s）；K、α是振動衰減系數；Q是爆破時的裝藥量（kg）；R是爆心距（m）。

參照《爆破安全規程》和表2可知，當限定裝藥量為9.60 kg時，爆破振動監測數據顯示，土坯房、一般磚房的安全距離分別為180 m和60 m。而水工隧洞附近多為磚房建筑，且距離亭下支洞和狀元岙支洞爆破點分別為120 m 和100 m 左右，故此次爆破振動的影響在規范允許值以內。

表2 振動速度、裝藥量與安全距離關系

2.3 爆破振動對既有建筑物的影響

既有建筑物受引水隧道爆破開挖產生的振動影響，沿縱向X、切向Y 和徑向Z 三個方向產生振動波。由爆破振動數據可知，水工隧洞對既有建筑的振動影響，導致垂直方向的振動速度峰值最大，因此，可通過控制垂直方向的振動速度來控制振動波對既有建筑物的影響。

對亭下支洞和狀元岙支洞分別進行112 次和37 次的爆破振動測試，基于振動監測和數據演算，證明爆破振動不會引起既有建筑物的破壞。但在爆破工程實際中，亭下支洞附近居民反應房屋存在房屋裂縫、玻璃抖動等現象。而在水工隧洞施加減震措施后，監測振動速度出現明顯的降低，并且居民反應情況減少。余下振動產生的既有建筑物情況可能是建筑物結構疲勞，強度出現下降。雖然其振動速度滿足國家規范的限定值，但在爆破振動波反復多次振動下，建筑物出現疲勞破壞現象。對此類建筑物應在爆破開挖前對其加固處理，并在爆破開挖過程中，加強對其振動監測。

3 結論

①為避免既有建筑物與爆破開挖時的振動波產生“共振”效應，應對隧洞爆破施工過程中的振動頻率進行限定，防止其接近既有建筑物結構的自身振動。爆破過程中的主頻率存在時間空間分布不均勻現象，不易預防限定，應預先對易受爆破振動影響的建筑物加固處理。②爆炸產生的振動波值隨爆心距的增加而減小，且其衰減規律具有一定的波動性。通過薩道夫斯基經驗公式計算結果，得到爆炸振動不會對范圍內的既有建筑物產生振動破壞影響。數據顯示，既有建筑物的垂直振動速度峰值最大，應著重監測。③在水工隧洞洞口設置減震帷幕、減震溝或者對易受影響的既有建筑物進行加固，會降低爆破振動對既有建筑物的影響。