地铁隧道下穿砖混结构建筑物爆破振动控制

2019-09-26吴杨勇王松青吴捷豪汪海波

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年3期

宗琦，吴杨勇，王松青，吴捷豪，汪海波

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2. 中煤矿山建设(集团)城市交通建设分公司，安徽合肥 230091)

目前，在进行地铁隧道施工时，盾构法和矿山法是两种最主要的方法。在遇见坚硬的岩石时，适宜采用矿山法施工[1-2]，但是矿山法施工所产生的爆破振动会对地表建筑物危害严重。在采用矿山法修建地铁隧道时，如何有效降低爆破振动对地表建筑物的影响，已经成为了一个非常重要的课题。文献[3]根据伊斯坦布尔Kadikoy-Kartal地铁隧道爆破施工，得出了不同岩体爆破对Kadikoy-Kartal地铁隧道地面振动的环境影响。文献[4]提出砌体结构的门窗的四角部位和墙角等部位在爆破地震波作用时易产生应力集中和破坏。文献[5]利用BPNN开发一种新型的飞石距离预测模型，提高爆破作业安全性。文献[6]采用预裂爆破技术保护地表建筑物的安全。文献[7]在深埋隧道开挖过程中通过爆破技术减少岩爆事故的发生。文献[8]在大连市地铁中使用先行预裂带使爆破振速减小。文献[9]将密集减震孔应用深圳地铁5号线，减振效果非常好。文献[10]在静态和爆破载荷下对Shiraz地铁的双隧道进行了数值模拟，得出双隧道在静态和动态载荷下非常不稳定，需要一个支撑系统。文献[11]将长台阶法应用在开挖西四渡河隧道中，使振速处于安全范围内。文献[12]采用短循环进尺和小台阶，取得了安全且良好的爆破效果。以上对地铁隧道矿山法施工地表爆破振速减震研究较多，但对于下穿砖混结构建筑物的研究较少。本文通过减小最大单段药量、多分段和增加上下台阶的距离等措施来优化爆破方案，将隧道下穿砖混结构建筑物时的振速控制在安全合理的范围内，为类似工程提供参考。

1 工程概况

武汉市轨道交通27号线纸坊大街站～地铁小镇站区间，地铁隧道采用暗挖施工，隧道下穿三层幼儿园。隧道设计高度7.962m、宽度7.074m，隧道顶部有红黏土层，高度为1～2m，红黏土层用挖掘机进行机械开挖，爆破时分两个台阶，上台阶高2～3m、下台阶高3.962m。地表环境复杂，隧道下穿三层砖混结构建筑物，如图1所示。建筑物结构底板至隧道顶板高度为16～26m。该区段岩石为石灰岩，基本等级为Ⅱ～Ⅵ级，单轴抗压强度为67.25MPa。

图1 平面示意图

2 爆破方案与参数

2.1 优化前爆破方案与参数

钻孔机具采用YT-28型气腿式凿岩机，2.0m长的钎杆、直径φ42mm的钎头。炸药采用二号岩石乳化炸药，药卷直径φ32mm，药卷重量为200g，雷管采用第一系列毫秒延期导爆管雷管，并使用ms3、ms5、ms7、ms9。

隧道分上下台阶一次爆破，上台阶超前下台阶3～5m，最大单段药量为6～10kg。炮眼深度为2.2m，在上台阶上，共有4排炮眼，每排约有10个炮眼，炮眼间距为600mm，排距为800mm。下台阶上分布着4排炮眼，每排约有10个炮眼，炮眼间距为600mm，排距为800mm。隧道左右两边约有50个周边眼，隔一个炮眼进行装药。起爆时由上往下依次起爆，周边眼最后才起爆。

2.2 优化后爆破方案与参数

当工作面里程位于DK0+132.700时，工作面距离三层砖混结构建筑物已经比较近，对爆破方案进行优化，主要从以下几个方面对爆破方案进行优化：

1)减小最大单段药量，使最大单段药量减小至6kg。

2)在进行微差爆破时，增加毫秒延期导爆管雷管的段别，使用ms11段别雷管。

3)增加上台阶超前下台阶的距离，使之达到6～10m。

4)增加周边眼的密度、周边眼较其它炮眼深300mm。使隧道左右两边周边眼的个数达到100个，隔一个炮眼进行装药。

3 爆破振动监测与分析

3.1 监测方案

使用4台NUBOX-6016型监测仪对爆破振动进行监测。将监测仪器沿着进尺方向布置，4个仪器第一个布置在工作面正上方，其余测点沿进尺方向隔5m布置一个。对下方正穿的隧道振速及频率进行监测，爆心距地表约为25m。具体布置如图2所示。

图2 测点布置示意图

3.2 监测结果与分析

1)监测结果。采用振动峰值速度来评定结构安全在目前较为常用[13]。在地铁隧道里程段DK0+111.200 ～DK0+142.700进行爆破振动监测，在地铁隧道里程段为DK0+132.700进行爆破方案优化，监测的振速和频率结果如表1所示。

表1 爆破振动监测结果

第1～7组为爆破方案优化前所监测的数据，第8～13组为优化后所监测的数据，优化前和优化后的典型的振动速度时程曲线如图3所示。由图3可以看出，径向、切向和垂向的振动峰值速度在方案优化后均下降明显。

图3 优化前与优化后的典型振动速度时程图

2)爆破振动传播规律。根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)规定[14]42，砖混结构建筑物的安全允许振速为1.5～3.0cm/s。在爆破方案优化前，所测得振动峰值速度处于0.764～4.603cm/s区间内；在爆破方案优化后，所测得振动峰值速度处于0.607～1.835cm/s区间内。爆破方案优化后的振动峰值速度均小于2.0cm/s，满足安全要求。根据表1绘出振动峰值速度随工作面位置变化的关系，如图4所示。

图4 振动峰值速度随工作面位置变化情况

由图4在地铁隧道工作面向前推进方向上，爆破方案优化前的振动峰值速度明显大于优化后的振动峰值速度，说明优化爆破方案所取得的效果十分显著。

在优化后，工作面里程在137.7m时振动峰值速度较大，此处为砖混结构幼儿园的外墙。爆破地震波在岩土中传播时，岩土越致密，波速越高；岩土越疏松，波速越低[15]。在工作面里程为137.7m时，下面是基础，基础上面是承重墙，材料密实程度都是非常好的，远远大于墙体两侧的密度，爆破地震波从爆源处向上传播时，由于137.7m处密度比两侧大，爆破时传播于此的波速比两侧要大，所引起地表的振动速度也比两侧大。

对于所监测的测点，振动峰值速度在第2个测点处最大，离工作面由近到远，振动峰值速度呈现出先增大后减小的规律。

得出这种结论的原因为：

1)空洞效应：在工作面上方地表质点到在工作面前方5m处地表质点振动峰值速度增大是因为工作面处为临空面，爆破时能量有部分会散失到空气中。过了工作面前方5m处时振动峰值速度减小是由于传播路径的增长，能量发生衰减。杨云凌[16]采用数值模拟的方法研究了爆破振动空洞效应，得出了振速放大系数随着距爆源水平距离的增大先增大后减小。

2)应力波发生绕射：应力波在地表与通道上表面之间反射叠加现象明显，使得地表质点振动峰值速度衰减缓慢；第2个测点处振动峰值速度达到最大，工作面前方地表质点振速整体呈现出先增大后减小的趋势[17]。

3)爆破振动频率分布规律。根据表1数据绘出爆破振动频率随工作面位置变化的规律，如图5所示。

图5 爆破振动频率随工作面位置变化情况

爆破方案优化前，该砖混结构建筑物爆破振动频率在1.53～3.66Hz区间内；爆破方案优化后，该砖混结构建筑物爆破振动频率在1.53～6.41Hz区间内，爆破方案的优化，明显地增大了爆破振动频率。爆破安全规程中规定了我国爆破振动安全允许标准同时考虑了爆破振动频率和爆破振动速度[14]42。在爆破频率越低时，其安全允许振动速度越小。由于砖混结构建筑物本身的自振频率就较低，对于该建筑物，爆破方案优化后的爆破振动频率变大，更难形成共振现象，建筑物则更为安全。

4)爆破振动信号分析。方案优化前和优化后在现场测得的原信号比较复杂，直接进行分析非常困难。要先将信号进行分解，再对信号的分量进行分析。EMD方法不需要预设基函数，具有自适应和高效的优点。EMD方法直接从原始信号中按不同的时间尺度分解出反映原始信号本身固有特性的IMF， IMF分量通常具有实际的物理含义，并且分解出的几个IMF分量集中了原信号中最显著的信息。EMD对信号根据频率由高到低进行分解，分解后得到的IMF分量的振速幅值与频率均逐渐减小。采用EMD方法对原信号进行分解，得到的IMF分量，IMF分量中含有白噪声和带有少量能量的信号的高频，应当将白噪声和高频过滤掉，以免受到它们的干扰，从而得到较高的信噪比和更有用的信息。采用低通滤波，将白噪声和信号的高频过滤掉，留下需要的IMF分量，进行重构得到滤波后的信号。排除了干扰信号后，对信号分析才能更精确有效。图6为方案优化前与优化后的原信号与滤波后的信号的对比。图6(a)为优化前的原信号，图6(b)为优化后原信号，6(c)为优化前的滤波后的信号，图6(d)为优化后的滤波后的信号。由图6可以看出，信息重构效果好。

图6 方案优化前与优化后的原信号与滤波后信号的对比

将重构后的信号进行EMD分解，EMD对信号根据频率由高到低进行分解，分解后得到的IMF分量的振速幅值与频率均逐渐减小。分解还能得到功率谱密度，功率谱是功率谱密度函数的简称，它定义为单位频带内的信号功率。它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。图7为方案优化前与优化后滤波后重构信号的EMD分解结果。图7(a)为优化前的IMF分量，图7(b)为优化前滤波后的功率谱密度(PSD)，7(c)为优化后滤波后的IMF分量，图7(d)为优化后的功率谱密度。

图7(a)和图7(b)表明：分解得到的IMF分量为c1～c8，R为余量；其中，振动信号的主要部分由振动幅值较大的分量c1～c3组成。分量c1的优势频率为20～50Hz，分量c2的优势频率为30～50Hz，分量c3的优势频率为0～50Hz。而信号的次要部分由振速幅值和频率均较小的分量c4～c8组成，其频率都在20Hz以内，分量R是爆破振动信号的残余量。

图7(c)和图7(d)表明：分解得到的IMF分量为c1～c10，R为余量；其中，振动信号的主要部分由振动幅值较大的分量c1～c5组成。分量c1的优势频率为100～150Hz，c2的优势频率为50～100Hz，分量c3的优势频率为20～50Hz，分量c4的优势频率为0～50Hz，分量c3的优势频率为0～50Hz。而信号的次要部分由振速幅值和频率均较小的分量c6～c10组成，其频率都在30Hz以内，分量R是爆破振动信号的残余量。

图7 方案优化前与优化后滤波后重构信号的EMD分解结果

通过图7可以得出，方案优化前的最大振幅约为40mm，方案优化后的最大振幅约为15mm，下降幅度十分显著。方案优化前的优势频率为0～50Hz，方案优化后的优势频率为0～150Hz，优势频率增大得非常明显。方案优化前的功率谱密度最大约为1 000W/Hz，方案优化后的功率谱密度最大约为100W/Hz，功率谱密度下降较为明显。而对于此建筑物，最大振幅越小，爆破频率越大，功率谱密度越小，则越安全，方案优化后使得爆破施工过程更为安全。