地铁爆破振动对周边建筑物及燃气管的影响

周光伟，陈昌萍， 李伟桢，曾　桢

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361024)



地铁爆破振动对周边建筑物及燃气管的影响

周光伟，陈昌萍， 李伟桢，曾桢

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361024)

通过爆破振动监测，研究城市地铁爆破过程中，不同弹药量对建筑物振动的影响，爆破开挖时间变化与建筑物竖向位移和裂缝宽度的变化情况，以及不同爆源深度对燃气管振动的影响.研究结果表明：建筑物竖向振动速度随着弹药量增加而增大，建筑物竖向位移和裂缝宽度随着爆破开挖时间的推进而不断增大，燃气管振动速度随着爆源深度的加深而逐渐减小.减振孔隔振实验表明，燃气管振动速度会随着减振孔深度的增加而减小，减振孔的减振效果明显.

爆破振动；地铁爆破；建筑物;燃气管;减振孔

在城市地铁建设过程中，需要开挖大量的桩基，对含有大量岩石的地层，必须采用爆破施工才能完成.目前，爆破理论和爆破控制措施尚不成熟，城市爆破施工和爆破振动会对周边环境与建筑物产生不同程度的破坏.这种影响不仅与爆破振动幅值、主频率和主频率持续时间有关，而且也受到建筑物自身的强度特征、阻尼、自振频率和高程差等的影响[1].现有降低爆破振动的主要方法为限制最大用药量、微差爆破技术、减震沟、改变装药结构、构造临空减振等，但由于爆破振动的复杂性，对不同环境条件，宜采用不同的减振措施，才能有效减小爆破振动的影响[2-3].因此，对爆破施工进行监测及爆破振动控制便显得尤为重要.

目前，国内外学者研究爆破振动的方法主要为理论分析与数值模拟[4-8].但由于爆破施工对象为地下岩土工程，而数值模拟很难准确地选取岩土参数，再加上厦门岛内地铁工程地质情况异常复杂，故本研究以厦门地铁1号线镇海路站为依托，通过爆破测振仪监测爆破振动对建筑物及燃气管产生的变化，研究爆破深度和弹药量对建筑物和燃气管的影响，以及在爆破开挖过程不同时间段上，建筑物竖向位移累积变化量和裂缝的变化情况，并通过减振孔隔振实验，研究不同深度减振孔的减振效果.以期更客观、真实地反应地铁爆破振动对周边建筑物和燃气管的影响，为城市爆破施工的安全控制提供有效方法.

1　工程概况

厦门地铁镇海路站位于思明区镇海路上，沿镇海路呈西南—东北方向布置，车站两端地势高差大，南北两端相差9.1 m.车站起点里程为YDK0+729.247，终点里程为YDK1+140.077，中心里程为YDK1+062.947，车站总长410.82 m，采用暗挖法和明挖法相结合的施工方法.该地段地质情况异常复杂，建设场地范围内除了布设燃气管道外，周边还林立着桩基础和浅基础的建筑物，因此，在爆破施工时，有必要对周边重要建筑物和燃气管进行监测，以确保施工过程中结构物和燃气管道的安全.

2　监测结果分析

2.1爆破振动对建筑物的影响

2.1.1不同弹药量下爆破振动的时程响应

由于桩基开挖处附近的建筑物是浅基础的宿舍楼，容易受到爆破振动的影响，当建筑物在持续受到爆破冲击荷载作用时，会产生不同程度的裂缝与沉降.本研究根据《爆破安全规程》[9]和《城市轨道交通工程监测技术规范》[10]的要求，对周边建筑及燃气管进行振动监测，以有效控制爆破过程中弹药量的大小和振动速度，保护周边建筑物的安全.

本次监测采用TC-4850爆破测振仪，仪器体积小、重量轻、耐压抗击、可靠易用，配接相应的传感器能完成加速度、速度、位移、压力、温度、湿度等动态过程的监测、记录、报警和分析.仪器按照爆源与被测物的位置情况进行布置，主要布置在距离爆源水平距离3 m左右，靠近建筑物外墙的地面处，按照弹药量为2.5，5，10，15 kg等4种工况对建筑物进行振动监测，监测结果如图1所示.

从图1可见，桩基深度(4 m)和爆源水平距离(3 m)一定时，不同弹药量对建筑物产生的振动不同，振动速度幅值(z轴方向)随着弹药量增加而增大.当弹药量超过5 kg时，振动速度都超过控制值2 cm/s，故爆破施工时需减少弹药量.

2.1.2爆破开挖过程中建筑物的竖向位移和裂缝宽度变化

爆破开挖过程中建筑竖向位移累积变化量如图2所示，建筑裂缝宽度变化如图3所示.

从图2～3可以看出，随着爆破开挖过程中时间的推进，建筑物竖向位移累积变化量和建筑裂缝宽度变化量均越来越大：2015年9月16日，建筑物竖向位移监测点C1沉降变化量为4.56 mm；9月17日，监测点C2沉降变化量为4.32 mm；9月17日，建筑物裂缝监测点L3裂缝宽度变化量为2 mm.这是因为当时桩基已经挖到12 m左右，由于周边土压力作用和长期的爆破冲击荷载对地基产生随机振动，使地基附近土体发生应力重分布，最终导致浅基础建筑出现不同程度的沉降与裂缝.

2.2爆破振动对燃气管的影响

燃气管是地铁施工危险源之一，如果受到的振动太大，容易引起重大安全事故，因此在爆破施工过程中需要对燃气管进行振动监测.在离爆源最近处的燃气管顶部布设爆破振动传感器，并使之保持水平状态，爆破振动发生时，爆破测振仪会自动接收到振动信号并记录数据.

本研究爆破弹药量保持不变，爆源距离燃气管水平距离为1 m，按爆源深度1，2，3，4 m等4种工况监测燃气管的爆破振动时程响应，结果如图4所示.

从图4可见，当爆源深度为1 m时，竖向振动速度最大值为0.12 m·s-1；而当爆源深度为4 m时，竖向振动速度最大值为0.04 m·s-1，即随着开挖深度的增加，燃气管的竖向振动速度逐渐减小.2.3减振孔实验分析

上述监测结果表明，因爆源距离周边建筑物及燃气管的距离很近，在长期的爆破冲击波荷载作用下，易导致建筑物沉降和裂缝宽度过大，并导致燃气管的振动过于强烈，隐藏极大的安全隐患.为此，本研究根据现场施工环境条件，进行减振孔隔振实验.减振孔由相同孔径的圆孔组成，利用减振孔的临空部分吸收爆破过程中产生的冲击波，从而达到减振的目的.

为研究相同距离和相同弹药量的条件下，不同深度减振孔和燃气管振动速度的关系，本研究共布设24个孔径为100 mm的减振孔，前后两排减振孔间隔交错分布，孔间距为300 mm，减振孔布置与现场测试情况如图5所示，燃气管振动速度和减振孔深度间的关系如图6所示.

从图6可见，减振孔的减振效果明显：振动速度随着减振孔深度的增加而减小，特别是z轴方向的减振效果达到了54%.但随着减振孔深度的增加，经济成本与施工难度也随之增加，综合考虑经济成本、施工难度和减振效果等因素，建议设置深度为9 m左右的减振孔.

3　结论

1)不同弹药量对建筑物产生的振动不同，建筑物振动速度幅值随着弹药量增加而增大.随着爆破开挖时间的推进，建筑物竖向位移累积变化量和裂缝宽度不断增大.

2)燃气管竖向振动速度随着爆源深度增加而逐渐减小.

3)减振孔隔振实验表明，随着减振孔深度增加，燃气管振动速度减小，减振效果越好.

[1]史秀志,周健,杜坤,等.爆破振动对民房破坏效应预测的BDA模型及应用[J].振动与冲击，2010,29(7):60-65.

[2]陈春歌,申志兵,张贤凯,等.水下爆破冲击波危害及安全控制措施的模拟分析[J].城市建设理论研究，2011,18(1):58-61.

[3]林琪伟.爆破震动对房屋影响的评价与控制研究[J].福建建筑，2009(9):47-49.

[4]宋光明,史秀志,陈寿如.露天矿边坡爆破振动破坏判断依据新方法及其应用[J].中南工业大学学报,2000,31(6):485-488.

[5]史秀志.爆破振动信号时频分析与爆破振动预测研究[D].长沙:中南大学,2007.

[6]KHANDELWAL M,SINGH T N.Evaluation of blast induced ground vibrationpredictors[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2007(27):116-125.

[7]SISKIND D E,STAGG M S,KOPP J W,et al.Structure response and damage produced by ground vibration from surface mine blasting(USBMRI8507)[M]. Washington：U.S Bureau of Mines,1980.

[8]DHAKAL R P,PAN T C.Response characteristics of structures subjected to blastinginduced ground motion[J].International Journal of Impact Engineering,2003,28(25):813-823.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.爆破安全规程：GB 6722—2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

(责任编辑马诚)

Impact of Vibration of Subway Blasting onSurrounding Buildings and Gas Pipes

ZHOU Guangwei，CHEN Changping，LI Weizhen，ZENG Zhen

(School of Mechanical & Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024,China)

Vibration of subway blasting was monitored and analyzed to see how amount of explosive used affected vibration of buildings，how blasting excavation time affected vertical displacement and crack width of buildings，and how explosion source depth affected pipe vibration during the blasting.The results show that the vertical vibration velocity increases with the increasing use of explosives，the vertical displacement and crack width of buildings increases with the time of blasting excavation，and the vibration velocity of gas pipes decreases gradually with the increasing depth of blasting source.Vibration isolation test of damping holes shows that the vibration velocity of the gas pipes decreases with the increasing depth of the damping holes that the effect of the damping holes is significant.

blasting vibration；subway blasting；buildings；gas pipes；damping holes

2016-04-01

2016-06-13

国家级大学生创新训练项目(201511062003)

周光伟(1972-)，男，副教授，博士，研究方向为桥梁抗震与工程结构无损检测.E-mail:gwzhou@xmut.edu.cn

TD235

A

1673-4432(2016)03-0084-04