鄰近地鐵基坑爆破對高層建筑振動影響及施工工藝參數(shù)優(yōu)化研究

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在施工過程中也面臨著嚴(yán)峻考驗[1-2]。在車站深基坑開挖階段，由于場地空間限制，大型設(shè)備難以展開作業(yè)，在面對堅硬巖層時，通常采用爆破作業(yè)挖掘，由此可能對周邊建筑物的地基巖層造成擾動，嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致建筑物地基沉降或主體結(jié)構(gòu)歪斜[3-4]。

為了解決這一問題，前人做了大量研究。徐志豪[5]通過實地監(jiān)測并分析某基坑爆破工程的數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)隨著基坑深度的增加，相同距離的爆心距質(zhì)點(diǎn)的振動速度也會有所提高。蔣善平等[6]在考慮單次爆破的最大用藥量以及爆破源到監(jiān)測點(diǎn)的距離基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測某工程在爆破時的質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度，研究了爆破引起的振動傳播特性，得出采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行分孔精準(zhǔn)起爆，能夠顯著降低爆破對周邊建筑造成的振動影響的結(jié)論。陳文宇等[]在對深圳地鐵某車站基坑進(jìn)行爆破開挖時，研究發(fā)現(xiàn)震動最大時點(diǎn)在炸藥爆炸瞬間，之后震動逐漸衰減至穩(wěn)定。震動響應(yīng)在建筑不同方向上有所不同，垂直高度增加時震動響應(yīng)增強(qiáng)，而水平距離增加時震動響應(yīng)減弱。李清等8通過實驗和理論分析的結(jié)合，探究了適用于實際工程項目的爆破振動衰減模式，并據(jù)此建立了回歸模型和預(yù)測公式，為未來的爆破設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

地鐵車站深基坑工程伴隨復(fù)雜的周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，這對基坑爆破開挖提出了不同的要求。因此對復(fù)雜環(huán)境下深基坑爆破開發(fā)對周邊環(huán)境的影響進(jìn)行深入研究具有重要的工程實際意義。本文以某地鐵基坑石方爆破工程為依托，通過對比分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展爆破試驗，研究基坑爆破對高層建筑振動影響，并優(yōu)化施工工藝參數(shù)，旨在為類似工程提供科學(xué)參考。

1工程概況

1.1 工程基本情況

某地鐵車站為11m站臺地下二層島式車站，長度約185m ，寬度約19.7＼～24.1m，頂板覆土約 2.7～3.5m ，底板埋深為 16.6m ，端頭井底板埋深約19m左右，入巖深度約 18m 。主體基坑采用鉆孔灌注樁 + 內(nèi)支撐 + 樁間噴射混凝土的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，擬采用爆破結(jié)合機(jī)械破除開挖。

車站所在區(qū)域為丘陵及山前坡洪積裙地貌單元，覆蓋層厚度較薄 （0.8～4.8m） ，土層主要為人工填土及Q3坡洪積的硬塑粘性土，下伏基巖為寒武系石灰?guī)r。地下水主要為填土中的上層滯水、第四系松散巖類孔隙水及碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

1.2外部環(huán)境

周邊環(huán)境復(fù)雜，車站南北向為現(xiàn)狀道路，東側(cè)為學(xué)校、居住小區(qū)，西側(cè)自南向北依次為醫(yī)院（地下室距基坑主體 33.2m ，門診樓距基坑主體71.5m）、酒店（距基坑主體 45.2m? 、加油站（距基坑主體 28.23m. 、公園。

2爆破方案

針對基坑石方爆破，選取多循環(huán)、小規(guī)模小孔距的淺孔松動控制爆破方案。選用爆速低的 Φ32 乳化炸藥，采用非電毫秒延期起爆技術(shù)，孔間延期時間17ms。

為保護(hù)基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)不受損害、周邊建筑的安全等因素，先采用在基坑中心線打孔進(jìn)行“V”型掏槽爆破，形成一定深度、長度的溝槽，營造臺階爆破的自由面，再在槽兩側(cè)鉆孔進(jìn)行臺階松動爆破。在臨近圍護(hù)樁，采用提前布置密集防護(hù)孔的方式進(jìn)行保護(hù)，打孔孔距為 250mm ，孔徑為 50mm ，布置1＼～2排減震孔，同時采用炮被 + 爆破鋼板雙層覆蓋的方式進(jìn)行保護(hù)，坡面處覆蓋雙層炮被，杜絕爆破飛石。

根據(jù)GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》[9]要求，房屋建筑安全震動速度不超過 2.0cm/s ，本工程設(shè)計安全震動速度要求為 1.5cm/s 。由于基坑西側(cè)最近距加油站為28m ，為保護(hù)周邊建筑不被爆破振動損傷，按設(shè)計距基坑周邊建筑物28m范圍以內(nèi)進(jìn)行機(jī)械破碎，28m范圍以外進(jìn)行爆破施工。本次須爆破巖石為中風(fēng)化灰?guī)r，根據(jù)相關(guān)公式求得一次起爆最大藥量為 1.43kg 。

3振動影響分析

3.1 振速分析

為研究基坑爆破作業(yè)對周圍建筑物振動的影響，在基坑周圍的鄰近建筑中設(shè)置地表振動監(jiān)測點(diǎn)。各監(jiān)測點(diǎn)振速對比如圖1所示。對比分析各監(jiān)測點(diǎn)的振動速度和主要振動頻率等可以看出，在次起爆最大藥量 1.49kg 條件下，1號監(jiān)測點(diǎn)最大峰值振速出現(xiàn)在切向方向，為1.158cm/s，主振頻率為 62.256Hz 。2、3、4號監(jiān)測點(diǎn)最大峰值振速出均現(xiàn)在垂直向方向，分別為 0.582cm/s 、1.243cm/s、0.357cm/s，主振頻率分別為 68.651Hz r87.698Hz、40.742Hz，峰值振速均符合《爆破安全規(guī)程》相應(yīng)的規(guī)定，也未超過設(shè)計要求安全振動速度。

3.2主振頻率分析

各監(jiān)測點(diǎn)主振頻率對比如圖2所示。根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，實際爆破作業(yè)中產(chǎn)生的地震波主要頻率普遍超過10Hz ，且大部分頻率集中在 20～90Hz 之間。這一頻率帶與建筑物的固有頻率形成了鮮明的對比。

對于一般的中低層建筑而言，固有頻率多在 1～10Hz 區(qū)間。而對于高層建筑來說，由于其結(jié)構(gòu)特性固有頻率往往更低[10]。這種頻率上的差異性表明，在基坑爆破施工中產(chǎn)生的地震波與地表建筑物發(fā)生共振的風(fēng)險較低。這是因為共振現(xiàn)象往往在激勵頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率時才會發(fā)生。

高層建筑的自振頻率受到其結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的影響，剛度越大自振頻率越高，而質(zhì)量越大自振頻率則越低。鑒于高層建筑通常具有較大的質(zhì)量和相對較低的剛度，它們的自振頻率自然較低，這進(jìn)一步減小了與爆破地震波產(chǎn)生共振的可能性。綜合這些因素可以得出結(jié)論，本次基坑爆破作業(yè)地震波主要頻率與建筑物的固有頻率并不吻合，不太可能引發(fā)地表建筑物的共振現(xiàn)象。

值得注意的是，大部分爆破地震波的垂直分量主頻率高于水平分量。那些水平分量中頻率較低的地震波可能對建筑安全構(gòu)成較大威脅。基于此，在制定爆破振動控制策略時，不僅要考慮垂直方向的影響，還必須重視水平方向地震波對建筑物的潛在危害。

4工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1起爆間隔對建筑振動影響分析

在炸藥量為 1.43kg ，測試距離為28m試驗條件下，對15ms、17ms和20ms等3種起爆間隔時間對建筑振速的影響進(jìn)行了深入研究。不同起爆間隔下的振速曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，建筑物振速峰值隨著起爆間隔時間的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。這一現(xiàn)象可能源于基坑與建筑物間距離的接近，導(dǎo)致即使在較長的起爆間隔下，建筑物仍受到顯著的振動影響。此外還可以看出，隨著起爆間隔的延長，監(jiān)測點(diǎn)的振速曲線顯示出了明顯的周期性波動。

進(jìn)一步對比分析可知，在15ms的起爆間隔下，建筑物振速峰值達(dá)到 0.74cm/s ，而在17ms時這一峰值上升至 0.81cm/s 。相對地，當(dāng)起爆間隔延長至20ms時，振速峰值降至 0.69cm/s 。這表明17ms的起爆間隔下，爆破釋放的振動能量較為集中，對建筑物的影響最為顯著。

然而，從減輕對建筑物振動影響的角度出發(fā)，20ms的起爆間隔是更佳的選擇，通過精確控制起爆間隔，能夠在保證爆破效率的同時，有效減輕對周邊環(huán)境的振動干擾。

4.2爆破順序?qū)ㄖ镎駝拥挠绊?/p>

為探究不同爆破順序?qū)ㄖ駝佑绊懙牟町悾褂靡淮纹鸨畲笏幜繛?1.43kg ，并在距離基坑爆破位置28m處設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)，以模擬實際施工條件下的爆破振動情況，并評估其對周圍環(huán)境的影響。

不同起爆順序下的振速曲線如圖4所示。對比分析從基坑兩側(cè)起爆和從基坑中間位置起爆2種起爆順序影響效果可以看出，從基坑兩側(cè)起爆時，振速峰值達(dá)到0.88cm/s ，而從基坑中間起爆時，振速峰值為 0.81cm/s 0進(jìn)一步分析速度曲線的趨勢和振動衰減時長發(fā)現(xiàn)，無論是中間起爆還是兩側(cè)起爆，振動曲線的趨勢和振動衰減時長都幾乎一致。這表明盡管起爆點(diǎn)的位置不同，但對振動響應(yīng)的整體特征影響有限。

此外，2種起爆方式下的振動頻率特征基本吻合。結(jié)合前文分析，說明盡管起爆點(diǎn)的位置對振速峰值有一定影響，但振動的頻率特性和衰減過程更多受到其他因素的影響，如地質(zhì)條件、爆破參數(shù)等。

綜上所述，通過精細(xì)化管理爆破參數(shù)和順序，可以在保證施工效率的同時，最大限度地減少對周圍環(huán)境的振動影響，實現(xiàn)爆破作業(yè)的安全性和環(huán)境的可持續(xù)性。

5結(jié)束語

本文基于某地鐵基坑石方爆破工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和對比模擬計算，研究了基坑爆破對周邊高層建筑的影響，并對爆破參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論如下。

1）本項目爆破工程峰值、振速符合《爆破安全規(guī)程》相應(yīng)的規(guī)定，同時滿足設(shè)計要求安全振動速度，不會對周邊高層建筑造成影響。

2）建筑物振速峰值隨著起爆間隔時間的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。隨著起爆間隔的延長，爆破振速顯示出明顯的周期性波動。

3）對比17ms起爆間隔時間，20ms的起爆間隔更有利于本次爆破工程，能夠在保證爆破效率的同時，有效減輕對周邊環(huán)境的振動干擾。基坑兩段起爆與中間起爆產(chǎn)生的差異較小，振動頻率趨勢基本一致，對建筑振速影響較小。

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[10]張迪.地鐵隧道精確延時爆破振動傳播規(guī)律與控制試驗研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2016.