隧道爆破施工对地表建筑物的振动影响与爆破控制技术分析

■张舒宁

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

随着现代土木工程技术的发展以及交通需求的不断提高，邻近和交叉工程实例越来越多，爆破施工引起邻近建筑物的结构损伤， 以及对周边居民生活的影响也越来越大。城市隧道所处环境复杂，周边建筑物密集，爆破振动速度的控制显得尤为重要。

国内外学者对邻近爆破的研究越来越深入，陈晶鑫[1]详细分析了采石场爆破振动监测内容、标准及监测点设置要点，提出相应的控制措施。 赵凯等[2]结合南京地铁4 号线鼓楼站爆破施工现场模拟试验，对比分析了单孔爆破和多孔孔间毫秒延迟爆破对省级保护文物的影响。 缪圆冰等[3]研究了地面大面积爆破对下方营运隧道的影响，提出了爆破振动速度的控制标准。

在工程初步设计阶段，数值模拟结果对确定爆破方案的可行性和工程量具有重要的参考价值。 因此在已研究的基础上，本试验以潭头隧道为工程背景， 采用Midas 软件进行三维有限元爆破动力分析，模拟隧道不同爆破药量对邻近地表历史建筑群的影响，并进一步确定隧道控制爆破的合理药量。

1 工程概况

潭头隧道设计速度100 km/h，平均长度2 846.5 m，为双向六车道隧道，单洞开挖跨径达16.5 m。 隧道穿越的山体左侧地表有一处占地4 hm2多的蒲竺寺建筑群，距今已有800 多年的历史，该组建（构）筑物坐落在高地上，基础为浅基础，结构体系现状良好。

潭头隧道工程与蒲竺寺相距较近，其中隧道左线ZK7+682～ ZK7+734 区间与蒲竺寺建筑群最近水平距离约40 m。 该段落围岩为微风化凝灰熔岩，隧道钻爆施工产生的振动可能会对构筑物产生一定的影响。

潭头隧道与蒲竺寺相对位置关系见图1。 其中左线桩号ZK7+705 距离蒲竺寺建筑物最近，竖向垂直距离约为37 m，水平距离约为41 m，隧道爆破开挖断面与蒲竺寺的最短斜向直线距离为55 m。

图1 潭头隧道与蒲竺寺相对位置示意图

2 爆破控制标准

爆破振动下的结构响应是一个十分复杂的问题，因此针对不同的振动源和保护对象应制定不同的爆破振动控制标准。 GB6722-2014《爆破安全规程》中规定一般古建筑物与古迹的质点最大振动速度不得大于0.1～0.5 cm/s。 但是由于古建筑物和保护文物具有明显的个体差异性，建筑材料、结构形式以及变形敏感性都各不相同，难以确定统一的允许振速标准。

将国内典型的临近文保建筑爆破工程概况及允许振速标准汇总于表1，可知对于古代佛像和砖石塔类保护建筑的允许振速要求相对较高。 尤其是砖石塔类建筑多为高耸结构，塔尖受外力作用下易产生鞭鞘效应，且砖石为脆性材料，砌体多存在裂缝，抗震能力较差，因而对爆破振动更为敏感[4]。

表1 工程类比汇总

蒲竺寺占地4 hm2多，由大雄宝殿、仙君殿、观音殿、浮云塔、五百罗汉山等五大部分构成。 该组建（构）筑物坐落在高地上，基础为浅基础，结构体系现状良好。 寺中大量砖石结构和雕塑对变形较敏感，其中浮云塔为七层石塔，塔高36 m，为闽江南岸第一高塔。 根据蒲竺寺历史建筑群的现状， 结合GB6722-2014 《爆破安全规程》 相关规定和工程类比，初步确定爆破振动安全允许振速为0.1 cm/s。

3 三维有限元爆破动力分析

3.1 三维有限元模型

为了减小爆破对邻近构筑物的影响， 确定控制爆破药量及爆破范围，本研究采用Midas 软件进行了三维有限元爆破动力分析。 分析中作了以下基本假定：（1）围岩采用理想弹塑性本构，Mohr-Coulomb 屈服准则；（2）结构采用理想弹性模型；（3）考虑掏槽孔微差起爆，仅对掏槽爆破进行分析，爆破荷载采用美国国家公路协会公式。

模型计算范围为桩号YK7+652～YK7+952，隧道模型见图2、3，其中围岩采用实体单元，隧道初期支护采用板单元，建筑柱子采用梁单元，楼板采用板单元。

图2 计算模型图

3.2 边界条件及参数选取

模型地表为自由边界，其余各边界在特征值分析时定义为弹性边界，在动力计算分析时则采用粘弹性边界。

岩体的动弹性模量Ed都普遍大于静弹性模量Eme，而岩体的裂隙发育情况对动弹性模量的取值影响较大。 根据勘察资料，隧道围岩主要为微风化凝灰熔岩，岩体较完整，以块状构造为主；其间存在1条1～2 m 压扭性节理密集带，岩体较破碎，呈碎裂结构。

图3 隧道与建筑的空间相对关系示意图

一般情况下坚硬完整岩体Ed/Eme为1.2～2.0，风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme为1.5～10.0。由于缺少动弹模的实测资料，为分析动弹模取值对质点振动速度的影响，分别取静弹模1、2、5、8 及10 倍进行计算，得到同一位置的振动速度计算结果见表2。

由表2 可知，其余条件相同时时，动弹性模量取值越大，同一监测点振动速度越小。 本工程围岩总体较为完整， 绝大部分围岩的Ed/Eme在1.2～2.0，取静弹模进行计算的质点振动速度误差小于18.5%。按最不利情况考虑，取动弹模等于静弹模进行计算。

表2 动弹性模量取值影响分析

计算中采用的围岩参数取值见表3。

表3 围岩计算参数

4 结果与分析

4.1 蒲竺寺建筑群范围内爆破振动变化规律

为得到满足爆破控制标准的单段最大爆破药量， 首先在距蒲竺寺最近的最不利位置桩号ZK7+705，按不同炸药量进行爆破计算分析。 图4 为计算中在蒲竺寺建筑群布置的振动速度监测点，测点分布在A、B 两条测线上， 其中A 测线表示地藏殿靠近隧道侧的边界线，B 测线表示功德亭靠近隧道侧的边界线。

图4 监测点布置图

首先选取单段最大装药量30 kg 进行爆破动力分析。 图5 为在蒲竺寺建筑群范围内爆破振动最大速度云图，可知蒲竺寺建筑群范围内地表最大振动速度为0.377 cm/s，位于功德亭边界线附近，爆心距为60.85 m，距爆心水平距离为41 m。 此处的速度历程曲线见图6，振动速度峰值发生在0.86 s。

图5 药量30 kg 时测线爆破振动速度

图6 药量30 kg 时最大爆破振动速度历程曲线

为了分析质点振动速度的衰减规律，绘制振动速度随爆心距的变化曲线见图7。

图7 药量30 kg 时爆心至蒲竺寺方向振速衰减曲线

由图7 可知，质点振动速度在距爆心较近距离时呈指数迅速衰减，但衰减幅度在远区减缓。 绘制蒲竺寺范围内质点爆破振速随水平距离衰减曲线见图8，可知当单次最大爆破药量为30 kg 时，在蒲竺寺范围内振动速度衰减较慢，当距离爆源的水平距离达到91 m 以外时振动速度值小于0.1 cm/s。

图8 蒲竺寺范围内振速随水平距离衰减曲线

为了分析质点振动速度随药量的变化规律，分别采用药量10、15、20 kg 进行动力计算， 将各工况下蒲竺寺建筑群监测点最大振动速度计算结果见图9。

图9 不同爆破药量作用下监测点最大振动速度曲线

4.2 振动衰减经验公式系数拟合

国内外大量实测结果表明，反映爆破振动强度的物理量与炸药量、爆心距、岩土性质及场地条件等因素有密切关系，且爆破振动强度与炸药量成正比，与质点距离成反比，大致符合以下形式的经验公式[7]：

式中，A 为反应爆破振动强度的物理量；Q 为炸药量，R 为爆心至测点的距离。

GB6722-2014《爆破安全规程》中采用的萨道夫斯基公式即为式（1）的特殊形式：

从图10、11 的对比结果可知，公式（4）的拟合效果较好。

图10 蒲竺寺范围内V～R 曲线对比

4.3 单段最大爆破药量建议值

图11 R=60.85 m 处V～Q 曲线对比

将蒲竺寺建筑群最大爆破振动速度测点的爆心距R=60.85 m 代入式（4），可以得到允许振速标准为0.1 cm/s 时ZK7+705 断面爆破允许最大单段装药量为18.2 kg。

另外，根据本研究得到的振动速度经验公式，还可以快速得到相同爆破药量下蒲竺寺建筑群内不同保护对象的质点振动速度， 以及不同允许振速标准下的近接施工段落的爆破施工最大单段药量， 可以有效指导后续的现场爆破试验和隧道施工。

5 结语

（1）对于振动和变形敏感的文保建筑应结合工程类比、数值分析和现场爆破试验确定安全允许振动限值。 （2）隧道围岩较为坚硬完整时，爆破振动衰减较慢，在没有实测动弹性参数时，采用静弹性参数进行分析误差相对较小。 （3）质点振动速度在距爆心较远时衰减幅度减缓，不宜采用萨道夫斯基公式进行拟合，而应选用衰减公式的一般形式。 （4）在初步设计阶段，可通过三维有限元动力计算和经验公式参数拟合，确定进行爆破的可行性和爆破药量，为工程方案的确定提供依据，并可对后续施工提供参考。