浅析石方爆破开挖对毗邻既有构筑物的影响

马辉文

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

碾盘山水利水电枢纽是国家确定的172项节水供水重大水利工程之一，也是湖北省汉江五级枢纽项目的重要组成部分。工程由左岸土石坝、泄水闸、发电厂房、连接重力坝、鱼道、右岸船闸和右岸连接重力坝等组成。

右岸船闸预开挖区域所处右岸沿山头一带为岗地，岗顶高程58～65m，高出汉江水位16～23m，在坝址区域内，沿山头临江形成近似直立的陡岸。船闸基坑预开挖施工区附近涉及500kV跨江塔1座，爆破区域与电塔水平距离约506m，爆破区与沿山头一组村距离约463m，见图1～图2,其中爆破区与村民居住区之间有两个小山头相隔。

图1 爆破区周边建筑物示意图 (单位：m)

图2 爆破区周边建筑物卫星图

右岸船闸基坑预开挖所处地层结构，根据设计图纸显示自上而下为：开挖范围内(桩号K0-403～K0+335)已挖除的黏土层厚约1.0～11.5m，黏土底高程约41.65～54.09m。石方开挖范围(桩号K0-50～K0+250)内，岩石开挖纵深约10～78.9m，石方开挖最大深度约12.8m，强(全)风化泥质粉砂岩及弱(强)风化泥质粉砂岩，底高程约50.27～52.9m，石方开挖层厚约3.82～3.9m。弱风化泥岩间断分布(桩号K0-50～K0+14)，底高程约50.8m，石方开挖层厚约2.1m。弱(微)风化泥质粉砂岩，底高程约38.78～41.76m，石方开挖层厚约6.27～6.8m。船闸预开挖底高程44.0m。工程量174575m3。岩石种类为泥质粉砂岩。

设计要求500kV超高压线塔保护范围内的石方开挖施工前，应将施工方案报主管部门批准，并须控制单孔药量、单段起爆药量和爆破临空面方向，根据《水电水利工程爆破施工技术规范》(DL/T 5135—2013)的有关规定，确定线塔部位的安全允许爆破质点振速不大于2.5cm/s。电塔运维单位禁止在输电线路边线外500m(指水平距离)范围内进行爆破作业，如确须进行爆破作业，应在施工前制定详细的安全防护措施报电力公司审核备案，爆破方案必须经专业机构论证审查，政府有关部门批准后交电力公司、政府、派出所备案。

2 爆破实施方案

严格按照经专家论证并批复的专项施工方案施工，为减少对设计边线外保留岩体的破坏、扰动，取得较为平整的设计边坡，对基坑边坡岩体轮廓边线开挖采用预裂爆破及深孔梯段爆破相结合的施工方法。爆破材料选用岩石乳化炸药，主爆孔起爆材料选用毫秒塑料非电雷管，预裂孔起爆材料选用导爆索，总网络采用非电雷管配起爆器引爆，最大一段起爆药量不大于50kg。

爆破方案选定后，须在现场进行爆破试验，验证爆破设计参数的合理性，2019年5月13—28日，现场进行了四次生产性爆破施工试验，通过爆破试验优化调整钻爆孔布置、线装药密度(预裂爆破)、单位耗药量(梯段爆破)、堵塞长度等爆破参数，也检验了爆破器材的性能。同时进行爆破震动监测，测定爆破对周围建(构)筑物的震动影响。爆破试验取得的爆破参数见表1。

2.1 预裂爆破施工工艺

永久边坡采用预裂爆破技术，在主爆孔与预裂孔之间布设1～2排缓冲孔，其孔距、排距及装药量较前排梯段爆破孔减少1/2～1/3，缓冲孔与预裂孔平行，在与预裂孔相邻的梯段孔之后起爆，以爆开预裂孔和梯段孔之间的岩石，且不损坏预裂壁面。实施预裂爆破的作用有：ⓐ可保证边坡满足设计要求，无超、欠挖；ⓑ阻断爆破地震波传播，减少爆破震动对毗邻既有建(构)筑物的危害。故本工程为减少对设计边线外保留岩体的破坏、扰动，取得较为平整的设计边坡，对船闸基坑边坡开挖采用设计边线预裂爆破及深孔爆破相结合的施工方法。

表1 爆破参数

a.预裂爆破钻孔：钻孔前测量定位，孔径90mm、钻孔间距0.7m、孔深与边坡设计底高程相匹配、倾斜角度与边坡角度一致为73°。

b.预裂爆破装药：采用φ32药卷间隔装药；由于炮孔底部夹制性较大，不易产生要求的裂缝，孔底0.8m装药密度加大为6φ32药卷连续装药；考虑孔口的岩石长期暴露于地表面，风化程度相对较高，为避免孔口飞石严重，在孔口1m范围进行削弱装药，装药量控制在0.175kg/m。

c.预裂爆破起爆：预裂爆破对相邻爆破起爆的同步性要求高，须使用导爆索起爆。为控制预裂爆破本身产生的振动影响，预裂孔孔距0.7m，按最大深15m，核算单孔最大药量小于5kg/孔，联线按7孔一响。因考虑最大单响药量和雷管段位受限，同时为了减小主爆区对开挖线外的振动传递影响，先进行开挖线预裂爆破，使主爆区与开挖边线隔离，预裂爆破不参与主爆区同时爆破。

d.预裂爆破安全措施：预裂爆破距离右岸营区、拌和楼及下游围堰施工面较近，为防止飞石危害，按爆破参数做好装药与堵塞，堵塞长度1.5m，加强覆盖防护及围挡。

2.2 深孔爆破施工工艺

a.爆破参数选取、装药量计算：根据一次爆破开挖至底高程44m的高度、间距、底盘抵抗线及单位炸药消耗量计算单孔装药量。单孔装药量Q=qaWH。

b.深孔爆破布孔、钻孔、装药：按照表1参数表进行测量、钻孔，开钻时采用低风压、低钻速，钻入岩0.5m后复核钻杆倾角和方向，无误后继续正常压力钻进，防止钻压过大造成飘孔，若有偏差，用罗盘仪或量角器纠偏调整。缓冲孔及主爆孔均采用φ70药卷连续装药、同段双雷管入孔。

c.爆破网络连接：为严格控制最大单响药量不大于50kg，结合现场实际爆破梯度高度，部分单孔药量已接近50kg/孔，按照一孔一响，单孔药量不大于25kg，按照两孔一响，孔内全部采用MS-9段非电毫秒雷管入孔，孔外全部采用MS-3段非电雷管接力延时。爆破梯段高度4～13m，采用一次性爆破开挖至底板高程44m，为保证爆破效果达到控制要求，采用串并联结合网络实施起爆，对于爆破规模小的网络可采用全并联实施起爆。

d.安全措施：为了避免爆破震动以及个别飞散物对周围环境造成安全影响，使爆破后的岩石运动方向与高压电塔及施工营地相背，斜朝向汉江下游，加强填塞质量和填塞长度，加强覆盖防护及围挡。

3 爆破震动监测及分析

爆破时在现场进行震动监测的目的：一是验证爆破参数理论计算的正确性，指导后续施工，保证安全；二是证明爆破震动在国家规范允许范围内[1]，避免爆破震动引起附近村民维权纠纷，保证工程顺利进展。

3.1 现场监测

所采用的爆破测振仪(EMI53633)的工作原理为：传感器接收振动信号，并将信号传输至记录仪，记录仪对信号进行分析处理，并完成数据储存及现场特征值显示，现场测试完毕后，取回记录仪，将记录仪通过数据线缆连接计算机，通过专用分析软件取出采集数据，进行爆破安全评估和数据打印。传感器地面安装采用石膏粉并加水溶解变稠，放置传感器并固定后，联机采集。爆破施工前四次均在右岸沿山头高压电塔处地面布置爆破震动监测点，前三次爆破没有监测到震动监测数据，第四次监测到爆破震动监测数据；后续均在距离震源200～300m处布置爆破震动监测点。

3.2 监测结果与分析

震动监测数据见表2。

表2 爆破期间震动监测数据

表3 爆破震动安全允许标准

续表

3.2.1 振动速度峰值

由表2～表3可知，根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，震动安全标准对于一般民用建筑物爆破期间的质点振动速度远小于1.5～2.0cm/s的范围。质点振动速度也远小于电塔部位的安全允许爆破质点振速2.5 cm/s。综上分析，可以认为高压电塔和沿山头一组村居民房是安全的。

3.2.2 地震波主频

根据各监测点的数据，频率分布在5.634～25.974Hz。由于一般房屋的频率较低，这样地震波的频率和房屋的自振频率容易使建筑物产生共振现象，加强了结构响应程度[3]。因此在考虑爆破震动危害时应关注此现象。

另对沿山头一组村居民房进行了现场调查，部分砖木结构房屋出现墙体抹灰层少量脱落、门窗洞口墙体出现裂缝，但均未超出《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)墙体构件不适于继续承载的非受力裂缝宽度限值5mm及不适于承载的侧向位移(或倾斜)的限值H/250。根据现场调查分析，大部分房屋因年久失修，均为村民自建砖木结构，房屋本身结构不合理，存在一定质量问题，从裂缝发生的部位及裂缝特征看，应属微沉降裂缝，由于自然和非自然压力影响的裂缝确实存在，自然力的影响一般不宜察觉，而爆破容易被感知，因此其中也存在一定的偶然性[4]。

4 爆破安全验算及分析

本工程施工区域开挖爆破影响范围主要包括周围电塔周边村居民房。开挖爆破产生的爆破震动、飞石、空气冲击波都会产生危害，其中爆破震动危害最大。为确保电塔及周边村居民房安全，部分石方开挖须进行控制爆破。

4.1 爆破安全允许距离

为了在施工过程中使周围的建筑物不因爆破震动而遭破坏，根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)第13.2.4公式计算：

1)顶板和两帮高强预应力锚杆锚索支护技术。采用高强锚杆锚索支护系统对顶板和两帮围岩进行支护，控制巷道顶板及两帮围岩的变形，增大两帮的刚度，在一定程度上减小巷道的底鼓。

R=(K/v)1/αQ1/3

式中R——爆破震动安全允许距离，m；

Q——计算药量,kg，齐发爆破时Q为总药量，秒延时和毫秒延时爆破Q为最大一段药量；根据专家审查意见，推荐最大一段起爆药量不大于50kg，根据实际施工时参数取值50kg；

v——保护对象所在地的质点安全允许振速,cm/s，此处附近村居民房取值v1=1.5cm/s，电塔按设计要求取值v2=2.5cm/s；

K、a——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件等有关的系数和衰减指数，根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，本计算取K=200，a=1.5。

经计算R1=96.15m，远小于爆破区域距居民区距离463m；R2=68.4m，远小于爆破区域距电塔距离506m。

4.2 爆破飞石安全距离

露天爆破个别飞石安全距离，与爆破方法、地形地质、爆破参数、气象等因素相关，由于条件复杂，至今还没有成熟理论公式，一般按规范规定，或用经验公式，结合现场实际确定安全距离。

采用瑞典德汤尼克研究基金会提出的中深孔台阶深孔爆破的飞石距离经验公式[5]核算：

RFmax=KφD

式中RFmax——飞石的飞散距离，m；

Kφ——安全系数，取15～16；

D——药孔直径，cm。

经核算飞石飞散距离小于《水利水电工程施工通用安全技术规程》(SL 398—2007)及《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中个别飞散物对人员的安全允许距离200m。对设备或建(构)物的安全允许距离，应由设计确定，一般不小于人员安全距离的一半，不大于人员安全距离。

4.3 空气冲击破超压值计算及其影响

本工程采用露天钻孔爆破，根据《工程爆破实用手册》[6]，其超压值计算如下：

式中 Δp——空气冲击波超压值，105Pa；

K、α——经验系数和指数，一般阶梯爆破K=1.48，α=1.55；

R——药包至被危害对象的距离，m；

Q——一次爆破炸药量，kg。

本工程药包至居民区的距离为463m，至电塔最近约250m(电塔桩号K0-330，爆破区域范围桩号K0-50～K0+250)，总炸药量按爆破期间最大总装药量3000kg计算。

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)可知，空气冲击波超压的安全允许标准：对不设防的非作业人员为 0.02×105Pa，掩体中的作业人员为0.1×105Pa。另根据建筑物的破坏程度与超压关系进行分析，属于基本无破坏，建筑物无损坏。

根据上述震动监测结果及安全验算：电塔部位及距爆区200～300m的震动监测数据符合国家标准《爆破安全规程》(GB 6722—2014)的相关规定，而沿山村一组村居民房距爆破区域约463m，相应的质点振动速度应远小于GB 6722—2014相关规定；爆破震动安全允许距离远小于爆区至居民区及电塔距离，爆破冲击波超压值计算远小于GB 6722—2014相关规定，建筑物无损坏。故本工程爆破不会对高压电塔及周围村居民房造成震动破坏。

5 结 语

a.本文通过对本工程爆破震动监测及振动影响安全验算，界定了爆破作业对周边建筑物的影响范围。

b.根据震动监测及安全验算，本工程的爆破不会直接导致电塔破坏及周围民房结构性损坏，从民房裂缝调查情况看也不至于影响结构安全，但由于建筑物本身的质量、地基条件等因素，加上爆破次数相对频繁，促使房屋的微小沉降加快，而产生少量民房裂缝。

c.对爆破引起的震动效应作精确判断很困难，但爆破地震波的振幅、频率是关键要素，震动监测对评价爆破震动作用及影响具有重要意义。