爆破振动对周边基坑槽回填土的影响分析

郑鹏武

0 引言

盾构技术已经在我国地铁建设中取得了越来越广泛的应用，然而对于一些大型的车站和岩层隧道而言，钻爆法依然在被使用。而爆破振动对于周边环境的影响早已受到人们的普遍关注。

重庆轨道交通红旗河沟车站工程即采用钻爆法施工，其周边环境复杂，有部分未密实人工填土，而填土中管线密布。基于此，采用数值模拟软件MIDAS/GTS对这一工况进行分析，旨在得出爆破施工对填土影响的一些结论。

1 工程概况

本车站位于红旗河沟转盘北侧，西侧有东和银都、重庆汽车北站、理想大厦;东侧有红锦大道立交、和府饭店等建筑。其中理想大厦距离3号线约45m，距离6号线最近距离20.8m。

2 建立模型与参数选取

2.1 计算范围与网格

根据设计资料，建立模型长 ×宽×高为 143m×143m×97m，理想大厦处基坑槽填土深度 5m，其填土的其余部分按无填充考虑。基坑距轻轨3号线45m，距地铁6号线为20.8m，模型如图1所示。本模型采用摩尔—库仑强度准则，共 69 541个单元。

2.2 计算参数取值

受隧道影响的围岩共有 3层，为表层填土、中风化砂岩、砂质泥岩，为了考虑爆破对同性质的基坑槽填土的影响，取 3种不同性质的基坑槽填土分别进行模拟，岩石抵抗动荷载的动强度约为静强度的 5倍～10倍。在冲击荷载下，软岩的动抗压强度和动弹性模量将以近10倍计高于静载时的相应值。所有地质参数见表1。

表1 地质资料参数

2.3 重力荷载

本篇考虑的是隧道爆破开挖时，对爆破产生的地震波在地下的传播，以及围岩的动应力场和震动场的模拟。认为重力荷载对爆破荷载作用下的模型动应力场影响不大，在所建立的模型中，不考虑围岩的重力荷载。

3 爆破荷载的确定

在爆破动荷载的加载方面做了以下假定:

1)假设爆破荷载以压力形式的均布荷载作用在隧道洞壁上，方向垂直于洞壁。根据计算的实际情况，将爆破荷载曲线简化成三角形曲线。

2)冲击荷载曲线典型的加载到峰值压力的升压时间为 8ms～12ms，卸载时间为 80 ms～100 ms。本次计算取加载时间为10ms，卸载时间为90ms，取计算时间为100m s。

3)掏槽爆破时，隧道的周边处于爆破作用远区，施加在隧道周壁上的爆破动荷载不会造成围岩破坏，此时围岩在爆破作用下，处于弹性振动状态。

4)三角形波峰压力的最大值 Pmax，由以下方法确定即:冲击波的初始峰值压力就是爆轰波作用在岩石上的最初压力，对于一个装药炮孔，炮孔上受到的初始波峰压力由下式计算:

其中，Pr为体中冲击波的初始波峰压力;ρr为岩石的密度;Cer为岩石中纵波的波速;ρ0为炸药密度;D0为炸药爆速;P0为炸药爆轰压力。

炮孔壁上受到的压力并不等于隧道洞壁的压力。据分析，对于Ⅱ级围岩取Pmax=10MPa时进行线性插值，本工程的围岩级别为Ⅴ级围岩，因此Pmax=3.2MPa。

4 计算结果分析

4.1 数值模拟结果与实测结果的对比

利用上述分析方法，将 6号线爆破后的理想大厦车库西侧 15m处的爆破振速进行监测并与实际监测结果对比(见图 2，图 3)。

从图2，图3可以看出，实际监测的最大振速为0.968 cm/s，而模拟所得结果为0.842 cm/s，从数值上看相差较小。但振速时程曲线的形状差别较大，其原因有多种:实际的爆破压力时程曲线图并不是模拟时所简化的三角波形;实际的地层复杂多样而且为不连续的介质，模拟时对介质的不连续无法考虑。所以实测的爆破振速形状要比模拟的结果复杂的多。

因此，可以通过对比分析看出，模拟结果中最具参考价值的结果是峰值振速，持时与主频方面误差均较大。

4.2 3号线爆破对基坑槽填土的影响

根据施工资料，在穿过建筑物的时候 3号线采用0.8m～1m的小循环进尺，本模拟遵循施工原则，爆破进尺为 1m，选择距离基坑槽最近段进行爆破分析，基坑槽填土参数取表 1中最松软的“基坑槽填土 1”。为直观表现地表振速情况，特选基坑槽四个角点的振速时程进行分析，测点布置情况如图 4所示，得出的结果如图 5～图9所示。

结合实测结果，得出以下结论:

1)4个振动监测点中，振速峰值为0.374 cm/s，发生在距离爆破点最近的第 4监测点。此值与实测结果 0.32 cm/s较为接近，表明模拟中所应用的基坑槽填土的参数“基坑槽填土 1”的参数取值与实际情况符合。

2)各点的振动持时较长，但振速在 0.2 s时减小明显。

3)从地表竖向应变看，爆破振动对基坑槽填土的影响不连续，填土计算变形为0.11mm，影响小。

4.3 6号线爆破对基坑槽填土的影响

从对 3号线的爆破模拟可以得出其施工对基坑槽填土影响较小的结论。因此本篇对距离基坑槽填土较近的 6号线爆破加以细致的分析。分别阐述不同填土性质、同一装药量情况下填土的反应。

因此分别对“基坑槽填土 1”“基坑槽填土 2”“基坑槽填土 3”几种填土性质进行分析得出:

1)针对于同一测点的不同填土的振速峰值进行分析可以看出，点1处的振速峰值分别为4.093 0 mm/s，5.387 4 mm/s，9.960 2mm/s，点 2处的振速峰值分别为 2.433 0 mm/s，6.425 0mm/s，4.087 0mm/s，点3处的振速峰值分别为4.852 2e-4m/s，1.381 1mm/s，1.200 8mm/s，点4处的振速峰值分别为1.688 6mm/s，3.750 7mm/s，1.383 4 mm/s，随着基坑填土弹性模量的增大，同一测点处的振速逐渐增大。说明基坑槽内填土性质越好，安全振速越大。

2)针对于同一测点的不同填土的振速曲线可以看出，振速曲线的持时随着基坑槽内填土的弹性模量的增大而增大。说明填土性质越好，即填土的阻尼系数越大，该填土内的振速衰减越快，质点振动的持时越短。

5 结语

结合以上分析，主要有以下结论:

1)3号线爆破施工对理想大厦基坑槽回填土影响小，采用设计的装药量进行爆破不会影响坑槽回填土的安全。

2)由于理想大厦基坑槽填土较为软弱，6号线爆破施工影响了靠近该线的基坑槽填土，由于持续时间较长的振动加之爆破开挖的反复振动，加大了基坑槽填土的变形范围。

3)经数值模拟与现场测试对比，认为本工程理想大厦处基坑槽填土的振速应控制在4mm/s，以避免填土发生较大的变形。

4)经过对不同性质的基坑槽填土的模拟可以看出，基坑槽填土越密实，可承受的振动速度越高，甚至在爆破振速为1 cm/s时也不会发生破坏;基坑槽填土越软弱，可承受的爆破振速越小。因此在回填基坑槽时一定要按标准认真回填压实以避免邻近振动作用对其影响。

5)对于相似的工程，应做好回填土的勘察。尤其对于爆破点距回填土较近的工程更应勘察回填土的密实程度。对于回填土的控制振速视其密实度、距离爆破点的距离而定。

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