抗滑樁開挖爆破振動對民房影響研究

吳建兵 ,楊招偉 ,張文龍 ,陳步高 ,徐馳

（1 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 311121；2 長江水利委員會長江科學院，湖北武漢 430010；3 防災減災湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北宜昌 443002）

0 引言

鉆孔爆破目前仍是工程建設過程中巖體開挖的主要手段。巖體開挖時，炸藥爆炸釋放的能量除用于巖體破碎外，一部分能量還以地震波的形式向外傳播，不可避免地對傳播路徑上的民房等造成影響。

爆破對周邊民房等建筑物的影響評價大多采用振動監測的方法對整個開挖過程進行控制[1-3]。隨著我國居民法律意識及環保意識的增強，爆破負面效應對鄰近民居的影響越來越受到人們的關注，極有必要開展爆破振動作用對周邊民房的影響分析研究。

本文通過分析四川白鶴灘水電站遷建集鎮抗滑樁開挖爆破實測振動數據，參照薩道夫斯基公式對振動波傳播規律進行回歸分析，并結合爆破相關安全控制標準，確定了爆破振動影響范圍，對其作用下的民房破壞情況進行了評估，提出了相應的工程控制措施。

1 項目概況

四川省寧南縣白鶴灘鎮遷建新址位于原白鶴灘鎮下游3.2km 的新建斜坡上。新址位于該斜坡中部，東側邊界為1 號公路，南側邊界為2# 沖溝，北側邊界為5# 沖溝，場地地勢西高東低，高程在830～1060m 之間，有一定的起伏，地形坡度總體較陡（約20°）。白鶴灘鎮規劃新址西接白跑公路，為原白鶴灘鎮與跑馬鄉通鄉的重要連接道路。遷建集鎮開挖爆破開挖區與民房分布如圖1 所示。

圖1 白鶴灘遷集鎮開挖施工區與民房分布

遷集鎮抗滑樁開挖爆破采用垂直中空直眼掏槽爆破法，選取2# 巖石乳化炸藥，非電毫秒雷管(1～20 段)，32mm×20cm 規格的藥卷。用炮泥堵塞所有裝藥炮眼，堵塞長度不小于25cm。為保證炸藥起爆的可靠性和準確性，采用復式起爆網路。

由圖1 可知，開挖區附近分布有大量民房建筑物（新建村民居），且基本都在征地紅線以外，周邊房屋及其他生活基礎設施不可避免地會受開挖爆破影響。

2 爆破振動破壞機制及控制標準

振動作用下民房等建筑物的動力響應程度與振動峰值、頻率，民房結構特征等密切相關，用結構對爆破振動的響應，可以很好解釋爆破引起的建筑或結構的損傷。建筑物在動荷載作用下產生裂縫的根本原因，就是建筑物各部分在擾動作用下產生的不協調位移或運動。

建筑物在一個振動脈沖傳播經過時，其本身受應力波的能量影響，在輸入脈沖的振動頻率段內將產生受迫振動。當該脈沖完全經過后，建筑物將進行自由振動，頻率為自振頻率，采用其自振波形可得到建筑物的自振頻率。為估算結構的自振頻率，Newmark和Hall（1982）建議了如下所示的簡單公式：

式中：L 為建筑物的寬度，h 為建筑物的高度。

白鶴灘遷集鎮附近土坯房寬約7～10m，單層高度5m 左右，兩層磚房高約8～9m，根據式（1）可估算其自振頻率約在20～40Hz 之間。

針對不同類型民房等建筑物進行爆破振動影響評價時，應分區使用不同的安全判據和允許標準。根據白鶴灘遷集鎮爆破開挖可能影響區內民房的調查結果，依照相關標準[4]，建議白鶴灘遷集鎮安全控制爆破振動標準如表1 所示。

表1 白鶴灘遷集鎮安全控制爆破振動標準

3 影響分析

3.1 振動速度分布

對白鶴灘遷集鎮抗滑樁開挖爆破共進行了42 次監測，獲取有效振動數據126 個（每點次包含水平徑向、水平切向及垂直向三個方向，42×3=126），分析新建村房屋受爆破的影響。

監測儀器采用TC-4850 爆破監測儀，由成都中科測控有限公司生產，測試精度為0.001cm/s，振動幅值測試范圍為0～34.5 cm/s，采樣頻率為8000Hz，所用三向振動傳感器頻響范圍為0～1000Hz。

按高于允許標準上限、允許標準閾值范圍、低于允許標準下限這三個區間，對不同主頻的實測峰值振動速度進行了統計，測試點距離爆源均在不同距離范圍內，統計結果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，實測爆破振動數據中88.9%的振動峰值低于允許標準下限，不會影響該區域內的建筑物；9.8%的峰值在允許標準上限與下限之間，依照規范處于損傷閾值范圍；1.3%的峰值超過標準上限，磚房和土坯房等民用建筑受其危害較大。

圖2 民居爆破振動頻率分布

3.2 爆破振動衰減規律

爆源參數和場地條件與爆破地震波的衰減有較大關系，目前國內預測爆破地震波衰減規律，普遍采用薩道夫斯基公式，如式（2）所示：

式中：ν 為峰值質點振動速度，cm/s；Q 為單響藥量，kg；r 為爆心距，m；K、α 是與爆破方法、場地條件相關的系數。

選取2019 年3 月30 日抗滑樁掏槽爆破結果，評估掏槽爆破對周邊民房的影響。在試驗區后方布置4 個振動測點（圖3），實測爆破振動結果如表2 所示，2# 測點典型振動波形如圖4 所示。

表2 試驗區爆破振動監測結果

圖3 爆破振動測試點布置示意圖

圖4 2#測點實測波形

爆破振動的擬合結果如圖5 所示。圖中，R2為表征擬合程度高低的相關系數。可以看出，水平徑向、水平切向和豎直向三項PPV 擬合效果良好，擬合系數都在0.8 以上。

圖5 典型爆破誘發振動擬合結果

3.3 民房等建筑物安全控制措施

（1）抗滑樁掏槽爆破時，要嚴格控制最大單段藥量。通過分析爆破地震波的傳播與衰減規律，得出了不同單段藥量與爆心距的關系，如表3 所示。

表3 爆心距與允許單段最大藥量關系表

采用高精度毫秒雷管，選取合適孔間、排間間隔時間，將爆破總藥量分配到各個爆破部位，可降低單段起爆藥量。

（2）裝藥前認真檢查各個炮孔成孔情況及抵抗線大小，及時調整爆破裝藥量。

（3）抗滑樁掏槽爆破過程中，降低巖體夾制作用，且應合理選擇掏槽方式。

（4）嚴格保證堵塞質量，控制堵塞長度，做好炮孔堵塞工作；為避免爆破飛石傷害事故，堵塞物中嚴禁夾雜碎石。

4 結論

針對白鶴灘遷集鎮抗滑樁的掏槽爆破開挖問題，用半年時間對周邊建筑物進行跟蹤監測，研究爆破振動對民房的影響，得到如下結論：

（1）結合國家規程規范，通過對房屋結構和現場勘測分析，提出了適合白鶴灘遷集鎮抗滑樁在掏槽爆破作用下影響周邊民房的安全控制振動標準；

（2）較國標中規定的土坯房安全控制標準來看，建議標準偏保守，但從控制爆破開挖對周圍的環境影響及減少民事糾紛的角度來看，在滿足施工要求的前提下，其用于該工程是合適的；

（3）當爆破最大段藥量控制在30kg 內，振動不會對新建村民房造成損害。同時應加強現場管理，由爆破飛石引起的民房損害事故，可采用保證炮孔堵塞質量和堵塞長度的方法來避免。