地鐵車站斜井爆破開挖對側穿建筑物穩定性的影響分析

中圖分類號：U455.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0056-04

Abstract：During theblastingandexcavationofsubwaytunnels，adjacentbuildingswillbefrequentlydisturbedbyblasting vibrationwaves.Whenthisdisturbanceexcedsacertainthreshold，thebuildingwillbedamaged.Basedontheblasting excavationoftheinclinedshaftatZhenjiangRoad StationofQingdaoMetroLine5，andbasedonthenumericalanalysismethod ofthefiniteelementsoftwareLS-DYA，theblastingexcavationprocessoftheinclinedshaftcyclefotageissimulatedandthe impactofblastingexcavationonthestabilityofside-penetratingbuildingsisanalyzed.Theresultsshowthatthemaximum vibrationvelocityofbuildingpilesisgreaterthanthemaximumvibrationvelocityofplatesandcolumnsateverymoment，and themaximumvaluesofvibrationveloities ineachdirectionandcombinedvibrationvelocitiesarelowerthantherequirementsof thespecification；thevibrationvelocityintheexcavationdirectionismostobviouslyafectedbytheblastcenterdistaneandis thelargestamongthepeakvibrationvelocitiesineachdirection;the\"voidffect\"onlysignificantlyamplifiestheblasting vibrationvelocitywithinacertaindistanceafterexcavation；duringon-sitemonitoringatentionshouldbepaidtothepositionof thepiletopandplateedge.Theresearchresultscanprovidereferenceforfuturesafetyasesmentofbuildingsadjacentto subway tunnel blasting construction.

Keywords： vibration effects; LS-DYNA; inclined tunnel; cyclic footage;side-penetrating buildings

在進行地鐵隧道的爆破施工時，由于炸藥能量的瞬時釋放，其所產生的巨大沖擊力將穿透周邊的巖石層，并對鄰近的建筑物造成巨大的振動擾動，一旦這種擾動大于一定的閾值，就可能導致建筑的坍塌和損毀。王崗等對多層建筑的應力反映做出了深入的分析，他們發現，5層樓的頂層的應力最強，達到了承重橫墻應力的12.63倍，而窗口、門口以及其他區域的應力則要弱得多，只有普通橫墻應力的8.21＼～10.88倍。通過使用ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件，劉斌]發現，當受到地震波的影響，建筑物的振動響應會發生變化，其中最明顯的變化集中于結構拐角、邊墻表面、樓板面，以及墻體接縫和基礎表面附近。奚俊杰3通過研究隧道臺階爆破開挖對地表臨近建筑物影響，發現在同等最大單響炸藥量的情況下，上臺階爆破引起的地表建筑物的振動比下臺階爆破引起的振動大。為此，不少研究人員4-5采用上臺階機械開挖，下臺階爆破開挖的方式，將爆破振動控制到了安全的范圍內。相關研究表明[6-7，單位最大裝藥量是影響爆破振動的主要因素，控制最大裝藥量可明顯減弱爆破對鄰近建筑物的影響。

雖然國內外已有許多隧道爆破開挖穿越建筑物的先例，但所開挖的隧道大多為水平的，在豎直方向上基本沒有變化，而且大多數學者所研究的基本為一次爆破對建筑物的影響，對于多次循環進尺爆破的研究相對較少。本文正基于此，以地鐵5號線鎮江路站斜井爆破開挖為背景，研究多次循環爆破振動對側穿建筑物穩定性的影響。

1 工程概況

鎮江路站為地鐵5號線的第6座車站。該車站采用暗挖法施工，設有臨時斜井一座。斜井總長430.65m ，里程 XJK0+000.00～XJK0+430.65 ，其中明挖段長 68m ，暗挖段長 362.65m ，埋深于 8.5～27.5m 間。斜井開挖范圍內有大量建筑物，其中與斜井水平距離最近的五星電器裙房在暗挖入口段，最近距離為12.92m ，該建筑為地上4＼～5層框架結構，基礎埋深為16.65m ，受到斜井爆破開挖的影響較大，斜井及周圍建筑物相對位置如圖1、圖2所示。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

采用有限元軟件Hypermesh/LS-DYNA對斜井的爆破開挖過程進行數值模擬，基礎量綱選用 cm-kg-s 。選取五星電器裙房為保護對象，該建筑位于斜井里程XJK0+68～XJK0+107.193 上，其中 XJK0+68～XJK0+ 90.609為斜井暗挖直線段， XJK0+90.609～XJK0+ 107.193曲線段。僅取斜井暗挖里程前 40m 進行爆破，每一循環爆破進尺為 0.5m ，耗時 0.035s ，總共進行80次循環。模型示意圖如圖3所示。

2.2計算材料及屬性

計算模型中主要包含圍巖、建筑物樁、板和柱4種材料。各材料均采用合適的關鍵字定義屬性。具體參數見表1—表3。

2.3 等效荷載施加

考慮到模型大小和計算效率，斜井循環進尺爆破采用等效荷載爆破法，該方法不需要建立炮孔結構，模型相對簡單，能夠有效模擬隧道工程中群孔爆破條件下炮孔中遠區的巖體動力學響應問題，是目前應用較為廣泛的一種方法8。等效荷載計算結果見表4。

3計算結果分析

3.1建筑物振速分析

利用LS-Prepost后處理軟件得出建筑物樁、板、柱的最大振速時程變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，每一循環掏槽孔產生的爆破振動影響最大；建筑物樁的最大振速每一時刻均大于板和柱的最大振速，最大振速為 0.418cm/s ，對應時刻為 2.41s 最大振速出現在節點3125361處，即沿開挖方向靠斜井一側的第4根樁的樁頂處，記為#4樁樁頂，如圖5所示。

通過以上所述的方法，可以分別得出水平 （X） ）豎直（Y）開挖方向 （Z） 方向的最大振速值及對應位置和時間，各向振速最大值見表5。

三向振速峰值均出現在2.4s以后，此時斜井開挖到#4樁后方已進入曲線段。三向振速峰值中， Z 向峰值最大，因為隨著開挖的逐步推進， Z 向樁體與開挖面的相對距離最小，因而受到該向的爆破振動也最大；三向振速峰值均不是在開挖面與樁體距離最近時達到最大，而是在此之后，斜井開挖經過最近樁體一段距離，由于開挖在爆破面后方產生了空洞，樁體受到的振動影響得到進一步放大，這一現象也被稱作“空洞效應\"。

各向振速及合振速峰值均在 2.0cm/s 以下，滿足GB6722—2014《爆破安全規程》對于一般民用建筑物的振速控制要求。

3.2建筑物樁的振速時程分析

由前文可知，振速峰值均出現在建筑物樁頂位置，為了進一步研究爆破對建筑物樁的影響規律，選取了#1、#4、#5樁頂節點作為研究對象，得出相應的振速時程曲線，為便于分析，在保留振速時程變化特征的前提下，對其進行了平滑處理，平滑后的振速時程變化曲線如圖6所示。

3個節點均在開挖面離對應樁體最近時出現第一個峰值，而后隨著開挖的推進而跌宕增大，待開挖一定距離后出現最大值，此時，空洞效應最為顯著，而后隨著爆心距的增加，空洞效應逐漸削弱，振速峰值也呈現跌宕降低的趨勢；#5樁頂節點振速明顯低于其他節點，主要因為斜井開挖到#4樁后進入曲線段，開挖面與樁的距離越來越大，相較于其他節點，最小爆心距較大且沒有受到空洞效應的增強。

因此，對于該工程，應著重控制#1＼～#4樁的爆破振動速度。

3.3建筑物板的振速分析

通過分析建筑物板的振速云圖變化可以得出，每一時刻板的最大振速均出現在近斜井一側的邊緣處，如圖7所示。建筑物板的最大合振速為 0.115cm/s ，出現在最高層頂板節點3141527處，即該層離斜井最近的位置。

通過觀察各層板邊緣處節點的振速時程變化曲線可以得出該層樓板的最大振速值，各層頂板最大振速見表6。

由此可知，隨著樓層的增高，板的最大振速也隨之增大，5層頂板最大振速約為1層的1.8倍。因此，在對建筑物板進行振速監測時，應加強對頂層樓板近斜井一側邊緣處的振速測控，

4結論

1）建筑物樁的最大合振速每一時刻均大于板和柱的最大振速。三向振速峰值中，開挖方向（ Z 向）峰值最大，因為隨著開挖的逐步推進， Z 向爆心距最小，因而受到該向的爆破振動也最大。

2）建筑物樁的三向振速峰值均不是在開挖面與樁體距離最近時達到最大，而是在此之后，斜井開挖在爆破面后方產生了空洞，樁體受到“空洞效應”的影響從而使其振速得到進一步放大。“空洞效應”只在開挖過后一定距離內對爆破振速有明顯的放大作用，而當距離再次增大時，爆心距又會成為影響爆破振速的主要因素。

3）建筑物各層板的最大振速均出現在近斜井一側的邊緣處。隨著樓層的增高，建筑物板的最大振速也隨之增大，5層頂板最大振速約為1層的1.8倍。

4該爆破方案下，各類振速均在 2.0cm/s 以下，滿足GB6722—2014《爆破安全規程》對于一般民用建筑物的振速控制要求。現場監測時，應著重關注樁頂、板邊緣位置。

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