基坑爆破施工对邻近建筑物动力影响研究

2019-07-18段景川

天津建设科技 2019年3期

□文/史鹏段景川

随着我国地下空间的进一步开发、利用，地下工程与地面工程近接施工越来越多，地下工程的施工过程对地面工程造成的影响日益凸显。基坑爆破施工的动力作用会对邻近建（构）筑物造成不良影响，严重时甚至引起地表沉降、建筑物倾斜、建筑物破坏等重大工程问题[1～2]。

目前，基坑爆破施工对邻近房屋的影响问题日益受到研究者们的关注。王德宝等[3]通过优化爆破网路、布置减振孔、设置减振爆区等措研究了爆破振动对周边被保护建筑物的危害；周航生等[4]以杭州地铁车站开挖工程为例，考虑地铁车站开挖对周围土体的影响，采用经验法公式，根据现有房屋安全评价方法和规范，评估了杭州地铁车站开挖引起的周围房屋变形情况；李自林[5]对天津市地铁二号线曹庄站基坑周边建筑物沉降进行现场监测，采用曲线拟合最小二乘法对基坑周边建筑物的监测数据进行了研究；孙东瑞[6]以马鞍山公园地铁站施工为例，研究了城市地铁开挖过程中遇硬岩爆破开挖技术，避免了工程事故的发生，确保了工程进度；刘岗[7]以深圳市广深港客运专线福田地下车站基坑土石方开挖工程为例，介绍了深基坑在弱风化层施工过程中，采用台阶微差控制爆破+静态控制爆破综合技术，通过合理选择爆破参数、严格控制单孔深度、装药量、装药结构、控制爆破振动强度和飞石危害，使爆破区周围及基坑结构本身建(构)筑物得到保护。

本文以深圳地铁7 号线华新北站工程为背景，研究基坑开挖过程中遇硬岩爆破施工对邻近建筑物的动力影响规律。

1 工程概况

深圳地铁7 号线华新站北段总长72.063 m，北端岩石呈山包形状。基坑位置地面地形起伏不大，地面高程一般为14.22～16.55 m，基坑底板设计高程一般为-12 m。车站标准段基坑宽21.8 m，深约26.6 m，顶板覆土平均厚度3.55 m。

基坑竖向设置6道内支撑。第1道为密肋板支撑，密肋板兼做施工期间行车道板，肋间距3 m；第2～6 道均为φ609 mm、壁厚16 mm 的Q235 钢管支撑，支撑水平间距一般按3 m 布置。基坑西侧有圣庭苑酒店，与地下连续墙内的爆破点最近距离为57 m，圣庭苑酒店地下结构与爆破点距离为37 m。

2 工程与地质

华新北站地层由上而下依次为第四系全新统人工堆积层、残积层，下伏燕山期花岗岩。其中燕山期花岗岩由上而下分别为全风化花岗岩、强风化花岗岩、中等风化花岗岩和微风化花岗岩。全风化花岗岩呈褐红、灰褐色，风化剧烈，除石英矿物外，其他矿物已风化成土状，受扰动后易软化；强风化花岗岩呈褐黄、灰褐色，风化强烈，结构基本破坏，碎块手折可断，受扰动后易软化；中等风化花岗岩呈肉红、灰褐色，粗粒花岗结构，块状构造；微风化花岗岩呈肉红、灰白色，粗粒结构，块状构造，岩体裂隙节理稍发育，裂隙面偶见铁质浸染，断面新鲜，岩芯多呈柱状，少数呈碎块或者短柱状。

3 模型建立和参数选取

根据工程实际情况，主要研究基坑开挖并架设钢支撑后，硬岩爆破时，圣庭苑酒店的动力响应情况，从而指导工程选择合理的爆破参数，保证周边建筑物的振动变形在安全范围内。

3.1 数值模型的建立

有限元模型长82 m、宽200 m、高32 m，见图1和表1。

图1 数值模型

表1 模型主要计算参数

3.2 爆破安全基准的选取

根据大量已有的分析资料及相关标准[8]：在保证建筑物安全情况下，爆破振动速度应控制在5 cm/s以下。由打桩、爆炸产生的振动引起的峰值速度应≤2.5 cm/s，综合考虑各安全控制基准，同时结合深圳地铁的实际状况，此次分析爆破振动拟取峰值速度≤2.5 cm/s为基准进行控制。

3.3 模型边界

在自重作用下达到平衡条件后，施加爆破荷载进行动力计算与分析。模型其表达式为[9]

式中：[C]为阻尼矩阵；[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；α为质量相关的阻尼系数；β为刚度相关的阻尼系数。

根据振型正交条件，待定系数α、β与阻尼比之间应满足

式中：ξk为阻尼比；ωk为固有频率。

由体系的自由振动方程可得到固有频率ωi和ωj并根据室内试验或现场测试得到阻尼比ξi和ξj，由式（2）可确定α和β。若ωi=ωj，则

式中：ω0为系统的基频；ξ0为相应振型的阻尼比。

为消除反射波在人工边界条件上的反射，更好地模拟远场地球介质弹性恢复性能，模型边界采用静态阻尼器人工边界，阻尼器分别提供法向和切向牵引黏滞力[10]，即

式中：υn为法向速度分量；υs为切向速度分量；p0为边界材料密度；Cp为P波波速；CS为S波波速。

3.4 爆破方案

根据华新站北端硬岩实际情况，爆破单循环进尺1 m（纵向单位长度取1 m），掏槽孔眼深1 m，硬岩断面面积约156.78 m2，炸药单耗量0.20 kg/m3，采用双楔形掏槽爆破，炮眼横向间距0.6 m、竖向间距0.7 m，炮眼数量160 个，计算得到单个炮眼用药量0.195 kg，从而得到单个炮眼的爆破荷载且将其作用在硬岩爆破孔边缘上。考虑硬岩体积较大，总体分三层爆破，层间爆破间隔0.1 s，每层炮眼同时爆破。见图2。

图2 硬岩炮眼布置

根据爆破振动理论分析，爆破荷载可简化为具有线性上升段和下降段的三角形荷载，见图3。

图3 爆破时程荷载

荷载上升段、下降段作用时间根据相关资料选取。本次计算上升段时间取0.012 s，下降段结束时间取0.100 s，为了解爆破荷载结束后房屋的振动情况，计算总持续时间取2.0 s[11]。

爆破荷载的应力峰值Pmax采用经验公式求解[12]

式中：Z为比例距离；R*为爆心至荷载作用面的距离，m；Q为炸药装药量，kg。

3.5 监测点布置

为分析圣庭苑酒店在基坑硬岩爆破过程中的动力响应情况，沿圣庭苑酒店水平X方向、水平Y方向及竖直Z方向分别设置数值监测点，记录各个数值监测点在硬岩爆破过程中的加速度及速度响应情况。见图4。

图4 数值监测点布置

4 结果分析

4.1 加速度响应时程

针对华新站北端实际场地条件，计算得到爆破炸药单耗量为0.20 kg/m3的条件下圣庭苑酒店各个数值监测点的加速度响应情况。

不同程高监测点在硬岩爆破施工下的加速度响应情况见图5。

图5 竖直Z方向加速度时程曲线

由图5可知，在爆破振动作用下，各监测点的加速度响应规律大致相同。基坑爆破释放阶段（0～0.1 s），各高程的加速度突然增大，底层Z1增大到4.2 cm/s2，顶层Z7增大到6.3 cm/s2。炸药爆炸力释放完成，即0.1 s时，竖向加速度达到最大值，底层Z1为14.8 cm/s2，顶层Z7为20.1 cm/s2。在1.2 s时，各高程的加速度响应趋于稳定。

分析可知，在基坑遇硬岩爆破施工条件下，圣庭苑酒店的加速度响应随房屋高程的增加而增加，在炸药爆炸力释放完成时，加速度响应在爆炸施工初期达到峰值，随后逐步减小，房屋逐渐趋于稳定。

X水平距离监测点的加速度响应情况见图6。

图6 水平X方向加速度时程曲线

由图6可知，爆破振动作用下，随着房屋与基坑爆破点X方向水平距离的增加，加速度响应逐渐越小。在爆破荷载释放阶段（0～0.1 s），各点的加速度突然增大，离爆破点最远处X7加速度增大到2.2 cm/s2。随着爆破荷载的逐步释放，在0.1 s 时，各点加速度均达到最大值，最远处X7加速度达到11.9 cm/s2。

分析可知，在基坑遇硬岩爆破施工条件下，圣庭苑酒店的加速度响应随着距离基坑爆破处的X水平距离的增加而减小，在炸药爆破荷载释放完成时，加速度响应达到峰值。

Y方向监测点的加速度响应情况见图7。

图7 水平Y方向加速度时程曲线

由图7可知，爆破振动作用下，随着房屋与基坑爆破点Y方向水平距离的增加，加速度响应变小。在爆破荷载释放阶段（0～0.1 s），各点加速度突然增大，离爆破点最远处Y7增大到2.8 cm/s2。在0.1 s 时，各点加速度均达到最大值，最远处Y7达到9.5 cm/s2。在1.2 s时，各点加速度响应趋于稳定。

分析可知，圣庭苑酒店的加速度响应情况随着距离基坑爆破处的Y水平距离的增加而减小。同时，对比图6 可知，在水平距离Y方向加速度的减小速度大于水平距离X方向的加速度减小速度。

4.2 速度响应时程

计算得到在爆破炸药单耗量为0.20 kg/m3的条件下，圣庭苑酒店各个数值监测点的速度响应情况。

不同程高监测点在硬岩爆破施工下的速度响应规律，见图8。

图8 竖直Z方向速度时程曲线

由图8可知，随着高程的增加，速度响应增大。爆破荷载释放过程中，各高程速度突然增大，顶层Z7增大到0.43 cm/s。随着爆破荷载的逐步释放，在0.1 s 时，竖向速度均达到最大值，顶层Z7达到2.21 cm/s。在1.2 s时，各程高速度响应趋于稳定。

分析可知，圣庭苑酒店的速度响应情况随着房屋高程的增加而增大，在炸药爆破力释放完成时的速度响应达到峰值，随后逐步减小，逐渐稳定。此与加速度响应规律一致。

X水平距离监测点的速度响应规律见图9。

图9 水平X方向速度时程曲线

由图9可知，在爆破振动作用下，随着与基坑爆破点X方向水平距离的增加，速度响应减小。爆破荷载释放过程中，各X水平距离的速度突然增大，离爆破点最远处X7点速度增大到0.17 cm/s。在0.1 s时，各X水平距离处的速度均达到最大值，最远处X7点速度达到1.54 cm/s。

Y水平距离监测点的速度响应规律见图10。

图10 水平Y方向速度时程曲线

由图10 可知，在爆破振动作用下，随着与基坑爆破点Y方向水平距离的增加，速度响应减小。在爆破荷载释放过程中，各Y水平距离处的速度突然增大，离爆破点最远处Y7点速度增大到0.18 cm/s。在0.1 s时，各Y距离的速度均达到最大值，最远处Y7点速度达到1.52 cm/s。在1.2 s 时，各Y水平距离的速度响应趋于稳定。

在基坑硬岩爆破开挖施工过程中，竖直Z方向、水平X方向及水平Y方向的速度相应峰值均＜2.5 cm/s，符合工程安全规定。

4.3 不同炸药单耗量

由上述分析可知，在爆破作用荷载下，圣庭苑酒店的顶层速度动力响应最大，取其为速度响应的代表值。为分析基坑在不同炸药单耗量的爆破施工工况下的振动响应情况，计算在0.2、0.3、0.4 kg/m3的炸药单耗量工况下屋顶的速度时程曲线，见图11。

图11 不同炸药单耗量下速度时程曲线

由图11 可知，在不同炸药单耗量工况下，屋顶的速度响应规律基本一致，均表现为在炸药爆炸荷载释放过程中，速度响应增加较快，荷载释放过程完成时，速度响应达到最大值，随后响应情况逐步衰减，经小幅度振动后趋于平稳。当炸药单耗量为0.2 kg/m3时，屋顶速度响应在0.1 s处达到最大值2.21 cm/s，在安全控制标准的范围内；当炸药单耗量为0.3 kg/m3时，屋顶速度响应在0.1 s处达到最大值为2.48 cm/s，虽在安全控制标准的范围内，但已接近控制标准；当炸药单耗量为0.4 kg/m3时，屋顶速度响应在0.1 s 处达到最大值为2.91 cm/s，超出安全控制标准的规定值2.5 cm/s。