城镇控制爆破减振技术试验研究

赖广文 杨琳 邓志勇

（1.深圳市宏源建设工程有限公司，广东深圳 518108；2.深圳市安托山投资发展有限公司，广东深圳 518043；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

随着城市的快速发展，在已有建（构）筑物周边进行爆破施工的项目日益多见，炸药爆炸产生的能量以爆破振动波的形式在地层中传播，对附近地上、地下建筑工程结构产生影响，以及多次重复、叠加的振动波不可避免地会对施工现场邻近的建筑结构产生影响。因此，在爆破施工中采取必要的技术和措施进行减振，确保周边建构筑物安全。

本文以深圳市西乡商业中心旧城区旧村改造项目地块石方爆破工程为依托，针对爆破区域紧邻运营地铁、居民区的复杂环境，爆破振动安全控制要求极其严格，为确保安全，施工初期从施工工艺、施工方法等方面进行了多项减振技术的现场试验，成功地完成了项目施工。

纵观国内外爆破振动研究现状［1-3］，爆破施工中降低爆破振动影响主要从2方面改进，一是从技术设计方面，即减少最大段起爆药量、调整装药结构、优化起爆网路等；二是增加施工措施方面，即设置隔振孔、构造爆破临空面、调整炮孔布置方式等。本项目针对上述几种措施并结合工程实际，进行现场试验和分析研究。

1 工程概况

西乡商业中心项目设计4层地下室，基坑开挖深度为19.5 m，基坑安全等级为一级。基坑施工中需进行基坑石方爆破开挖，爆破工程量约10.0万m3。爆破区域南侧临近深圳地铁1号线坪洲站出口，边距线轨净距约17 m。北侧为基坑在建建（构）筑物，南侧为市政路，西侧为市政副路、距居民小区40 m，东侧距居民小区30 m，项目环境平面图见图1。施工中必须确保地铁隧道、车站结构、居民小区、市政管线、基坑围护结构的安全。

图1 项目环境平面图（单位：m）

根据项目施工要求，前期进行现场试验，优化施工方案，确保施工安全。现场试验主要针对电子雷管、隔振孔（面）、自由面方向、孔底气垫层等降爆破振动影响的技术措施进行试验分析，为优化爆破施工方案提供试验数据支持。

2 电子雷管微差减振试验

李子华等［4］利用单孔和群孔试验确定了17 ms的电子雷管孔间延时时差，可以达到最佳的干扰减振效果。本项目和文献中的施工项目处在相同区域，地质条件接近，且同为基坑爆破施工项目，主爆孔孔径均为ϕ76 mm，因此本项目在17 ms延时间隔的基础上进行爆破试验，确定该地段的最佳延时时差。

群孔试验（数码电子起爆网路）设置2排孔，每排9个孔，孔深5.5 m、孔距2.3 m，排距2.0 m，单孔药量9.0 kg，孔间延时分别为15，16，17，18，19 ms，逐孔起爆。17 ms时数码电子雷管的起爆时差设置如图2所示。同时为了便于比较，设置了1组电-非电混合起爆网路试验，每组7个孔，孔深5.5 m、单孔药量9.0 kg，起爆网路采用电-非电起爆网路，孔内装入非电雷管10段，孔外用非电雷管5段串接，起爆网路如图3所示，能够实现逐孔起爆，对控制爆破振动速度有一定的效果。

图2 17 ms时数码电子雷管起爆时差设置示意

图3 电-非电起爆网路示意

爆破振动测点设置在距每次试验中第1响炮孔的位置，距离分别为15，30，50 m。1#测点典型振动波形见图4。图4（a）为孔间延时17 ms电子雷管起爆的振动波形，其波形分布比较连续均匀，振动速度峰值为0.76 cm/s；图4（b）为电-非电雷管起爆的振动波形，其波形可以明显分辨出不同的起爆时段，振动速度峰值为 1.13 cm/s。对比图 4（a）和图 4（b）可知，在试验条件一致情况下，电子雷管起爆的减振效果更好，比电-非电雷管起爆的振动速度小30%以上。

图4 1#测点典型振动波形

电子雷管起爆时不同孔间延时和爆心距测得的质点振动速度峰值见表1。可知，孔间延时17 ms时最大爆破振动速度均小于其他孔间延时的最大爆破振动速度，说明其干扰降振效果最佳。因此，电子雷管孔间延时17 ms时，可以达到最佳减振效果。

表1 试验爆破振动速度统计

3 减振孔试验

在爆破区域外围设置减振孔可以降低对周边保护物的爆破振动影响，其主要是利用减振孔在爆破产生波的传播路径上设置障碍，使波的传播路径发生变化，同时波在障碍物界面处发生反射和透射，消耗部分地震波的能量，从而降低地震波对周边保护物的影响，达到减振的效果［5-6］。但对于爆破产生地震波的减振特性目前没有准确结论。试验中设置了单排减振孔和双排减振孔2种模式，具体参数见表2。

表2 减振孔布置参数

试验爆破炮孔采用电-非电雷管逐孔起爆，网路形式类似于图3。孔径为ϕ76 mm，孔距2.3 m，排距2.0 m，孔深5.5 m。

本阶段试验中，单排减振孔总设置了20个，双排减振孔采用梅花形布置，设置了42孔，减振孔距离爆破区域20 m。爆破振动测点布置：1#—5#测点距爆源距离分别为15，25，35，45，55 m。振动测试获取有效数据60组，分别为无减振孔、单排减振孔以及双排减振孔的监测点爆破振动数据。对同一测点监测数据进行矢量合速度，然后利用萨道夫斯基公式回归，计算得到上述3种情况的振动速度回归曲线，见图5。不同工况下，振动速度的回归式为

无减振孔，相关系数0.953：

图5 无减振孔、单排减振孔以及双排减振孔的振动速度回归曲线

单排减振孔，相关系数0.886：

双排减振孔，相关系数0.899：

式中：v为监测点振动速度峰值，cm/s；Q为爆破单响最大炸药量，kg；R为监测点距爆源距离，m。

爆破振动速度计算式可表述为

式中：k，α为衰减系数。

不同工况下，k，α的变化规律为：①3种情况衰减系数α变化不大，衰减系数k则按照无减振孔、单排减振孔到双排减振孔的顺序逐渐减小。②相对于无减振孔的情况，单排减振孔情况下k值减小约13%，双排减振孔减小约26%。

单孔装药量一致情况下，用减振率来估算减振孔的减振效果，减振率ρ为

3种工况下减振效率对比见表3。

表3 减振效率对比

由表3可知，设置减振孔的爆破振动速度比未设置减振孔的低，起到了减振的效果，同时双排减振孔比单排减振孔的减振率大。随着爆心距的增大减振率逐渐变小，减振效果在减弱，在1#测点位置单排减振孔的减振效率为18.0%、双排减振孔的减振效率为25.0%，而在5#测点位置减振效率分别降为8.8%，11.76%，减振效果明显减弱。按此规律随着爆心距的继续增大，减振效果越来越弱，对于远离爆源区的爆破振动减振孔基本没有减振作用。

由减振孔试验可得：对于爆源区附近的爆破振动，减振孔可以起到减振的作用，且双排减振孔比单排减振孔的减振效果好。保护物邻近爆破区域时可以采用减振孔的减振措施，以降低爆破振动对保护物的影响。

4 孔底加气垫层试验

张志呈等［7-8］指出定向卸压隔振爆破引起的地面振动速度低于其他爆破方法，且隔振材料越好、在合理范围内孔底空气间隔越大，降低振动效果越好。试验采用孔底加气垫层的方法分析减振效果。

试验作业台阶高度5.0 m，设计布置2排炮孔，钻孔直径为76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m。炮孔底部放置50 cm长PVC管作为炮孔底部气垫层，药柱长度2.5 m，填塞长度2.5 m，单孔装药量为7.0 kg，炮孔的装药结构及测点布置见图6。起爆网路采用电-非电雷管逐孔起爆。

图6 试验装药结构、测点布置

试验中进行爆破振动检测，比较检测数据分析减振效果。1#测点布置在作业台阶底部，距最左侧炮孔水平距离5 m；2#测点布置在作业台阶上，距爆区后排孔10 m。在爆破前对2个测点仪器进行保护。

试验共进行了4组，其中2组为不加气垫层的，2组为加气垫层的。未设置气垫层和设置气垫层后的典型振动波形见图7—图8。

图7 未设置气垫层爆破振动波形

图8 设置气垫层后爆破振动波形

由图7—图8可见，设置气垫层后各段振动波形较为连续，无明显分段起爆的特征，推断预留的空气垫层降低了爆轰波和爆生气体压力，延长了炮孔中爆生气体的存在时间，提高了爆生气体准静压力作用下岩石断裂破碎的质量。

孔底加气垫层试验振动结果见表4。

表4 孔底加气垫层试验最大爆破振动速度 cm·s-1

试验第1，2组为孔底未设置气垫层，试验第3，4组为孔底设置长度0.5 m气垫层。由表4可见，未设置气垫层时，1#测点最大爆破振动速度为1.16 cm/s，2#测点最大爆破振动速度为1.45 cm/s，顶部的爆破振动速度要大于底部的；第2组结果与第1组的结果基本一致，其中 1#测点为 1.23 cm/s，2#测点为 1.51 cm/s。设置气垫层后，台阶底部的爆破振动速度明显减小，第3组中1#测点最大爆破振动速度为0.98 cm/s，2#测点最大爆破振动速度为1.44 cm/s，第4组中1#测点为0.96 cm/s，2#测点为1.49 cm/s，试验第3，4组结论基本一致，孔底加设气垫层后1#测点爆破振动速度降振效果明显，对于台阶底部的爆破振动起到了较好的减振作用，减振效率可以达到15%～20%。2#测点的最大爆破振动速度未发现明显变化，说明孔底加设气垫层对台阶顶部的减振作用不大。

为了验证气垫层长度对减振效果的影响又进行了2组试验，试验中气垫层长度设计为1.0 m，其他参数不变，对于作业台阶底部的减振效果比气垫层长0.5 m的明显，但爆破后底部留有根底，台阶底部不平整。

由孔底加气垫层试验可得：对于作业台阶底部的爆破振动，炮孔底部加气垫层可以起到减振作用，气垫层长度大，减振效果好，但影响爆后底部平整度。因此，对保护物的位置标高低于爆破区域时，可以选择炮孔底部加设气垫层的减振措施，但气垫层的长度应不影响台阶底部的平整度。

5 爆破自由面方向试验

实践表明，保护物与爆破自由面的相对位置不同，受爆破振动的影响也有所不同。因此，通过不同爆破自由面方向进行试验分析爆破振动的衰减规律，以便后期施工中有意避免不利因素，降低爆破振动的影响［9-10］。

试验设计2种作业自由面，分别垂直和平行地铁轨行区，炮孔布置如图9所示。作业面台阶高5.0 m，炮孔钻孔直径为76 mm，每次试验布置两排孔，每排6孔，孔距2.3 m、排距2.0 m，炮孔深5.5 m，填塞长度2.0 m，单孔装药量10.5 kg。起爆网路采用电-非电雷管逐孔起爆。

图9 炮孔布置示意

为分析爆破振动衰减规律，测点布置成一条测线，分别与爆源距离为15，25，35，45，55 m，测线垂直于地铁轨行区。

爆破自由面垂直和平行于地铁轨行区方向分别进行了5组爆破，共取得50组有效数据。根据萨道夫斯基公式进行数据回归，爆破振动衰减回归曲线见图10。

图10 爆破自由面垂直和平行地铁轨行区时振动速度回归曲线

由图10可知，图10（a）中振动衰减系数k为36.88，图10（b）中振动衰减系数 k为 52.75，而两图中衰减系数α基本一致，说明爆破作业自由面方向对振动衰减规律的影响是显著的，但由于试验场地地质条件一致，其衰减系数α与作业自由面方向无关。爆破作业自由面垂直于地铁轨行区时，其爆破振动向自由面两侧的传播衰减较快，自由面平行于地铁轨行区时其爆破振动直接向后传播，振动衰减相对较慢。由图10还可以看出，图10（a）中的衰减系数k值比图10（b）中的降低了30%，对地铁轨行区的安全，自由面垂直轨行区有利于降低爆破振动的影响。

由爆破自由面方向试验可得：爆破区域有保护物时，爆破作业自由面方向尽可能调整到垂直于保护物的方向，以降低对保护物的爆破振动影响。

6 工程实践

本次试验以深圳西乡商业中心旧城旧村改造项目地块石方爆破工程为依托，根据爆破试验结果，从施工效率和成本考虑，方案中将基坑距地铁隧道的距离划成不同的爆破区域，即50 m外区域、30～50 m区域、30 m内区域，分区域采用不同的减振措施。

方案中钻孔直径为76 mm，孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m，填塞长度2.5m，炸药单耗0.3～0.4 kg/m3。项目重点保护对象为运营地铁隧道，按照令（第278号）《深圳市城市轨道交通运营管理办法》［11］要求爆破振动速度安全控制标准为1.2 cm/s，距地铁隧道30 m范围为安全控制区。设计振动速度预警值为1.0 cm/s，施工中采用不同的综合减振措施，确保地铁隧道等建构筑物安全。综合减振措施有：

1）爆破作业临空面基本上调整到垂直于地铁轨道方向，由北向南分台阶推进，每层台阶高度5 m以内。

2）50 m外区域采用导爆管雷管微差控制爆破方法，逐孔起爆。

3）30～50 m区域采用电子雷管精细控制爆破方法，孔间延时17 ms逐孔起爆。

4）30 m内区域采用电子雷管起爆、减振孔、孔底气垫层等综合降振措施。孔间延时17 ms逐孔起爆；孔底加气垫层时炮孔超深部分装填PVC空管作为气垫层，长度约为50 cm。

5）开始50 m范围内施工时，沿基坑边线钻取2排ϕ140 mm减振孔，减振孔深度比开挖台阶超深1 m。

施工过程在地铁隧道迎爆侧壁面、轨道基础上布置振动监测点，对每次爆破的爆破位置、测点位置、爆破装药参数都进行了详细记录，全过程振动速度均未超出1.0 cm/s控制指标，运营地铁隧道安全。分析监测数据，轨道基础的振动速度值低，迎爆侧壁面的振动大。

7 结论

通过现场爆破试验、工程实践，可以得到以下结论：

1）爆破试验区域地质条件下，电子雷管孔间延时设置为17 ms时，可以实现最佳的爆破减振效果。

2）减振孔对于临近爆破区域的爆破振动可以起到降振的作用，且双排隔振孔比单排隔振孔的减振效果好。与无减振孔相比，单排减振孔时衰减系数k值减小约13%，双排减振孔时k值减小约26%。双排减振孔的减振效率明显好于单排减振孔的减振效果，最大减振率可达25%。

3）炮孔底部加气垫层对作业台阶底部的爆破振动的减振效果显著，减振效率约为15%～20%。气垫层长度大，减振效果好，但影响爆后底部平整度。炮孔底部加气垫层对作业台阶上的爆破振动速度影响不大。

4）爆破作业自由面垂直于保护物时衰减系数k值比自由面平行于保护物时k值降低约30%，衰减系数α与作业自由面方向无关。

本试验以工程项目为依托，试验系统性、完整性有待进一步完善，以便为工程实践提供坚实的技术依据。