水工隧洞爆破开挖对既有建筑物的安全性影响分析

余玉龙

（温州市水利电力勘测设计院有限公司，浙江 温州 325000）

0 引言

量化隧洞建设过程中爆破振动引起建设项目及临近建筑物的响应成为一个日益重要的课题。国内外学者就爆破对已有建筑物的安全控制标准做出不同程度的探究。

爆破参数的选取是爆破工程中的关键因素，基于露天爆破振动试验，探究出爆破振动对地表及建筑物影响规律，并分析出其衰减规律，为爆破施工引起的振动破坏提出了系统的预测预防措施。水工隧洞由于其施工条件及地质工况的复杂性，爆破开挖对临近建筑物的影响，还需要进一步的探讨。基于某水工隧洞工程探究爆破振动对临近建筑物的影响，监测其爆破衰减规律，为爆破工程应用提供技术支持。

1 爆破振动监测

1.1 爆破测试系统

爆破振动监测系统由TC-4850爆破振动仪、三维振动速度监测传感器、防爆电缆及计算机数据监测终端组成。基于爆破工程实例，设定预定爆破参数，预估爆破振动幅值范围及振动频率分布范围，为确保安全性，对预估振动监测范围及安全阈值提高20%。监测系统做防爆处理，确保爆破振动试验中不会出现削波、平台等干扰情况。

1.2 监测点布置及测试方法

以水工隧洞内爆破点为震源原点，在地表沿原点纵横方向各布置5 个监测点，其距离爆破原点分别为320、160、80、40、20 m，并将监测点的编号分别设定为TX-C5～TX-C1。同时对临近建筑物的爆破振动现场监测，将其监测传感器布置在建筑物的基础表面或选择临近基础具备坚固防振特性的地方。在水工隧洞附近的亭下支洞和状元岙支洞的既有建筑物监测点分别设定为TX-1～TX-3和ZYA-1～ZYA-2。

2 爆破试验结果及分析

2.1 爆破振动主频分析

依据《爆破安全规程》，爆破振动监测要评估爆破振动速度与频率的双重影响，隧洞爆破工程中监测到的爆破振动波，应将其波形调整至频率域，对振动波频率划分，确定相对集中的主频范围和频带。结合频谱来评估隧洞爆破开挖中爆破振动对既有建筑物的影响。爆破产生的振动波具有能量释放持续时间短和瞬间冲击振动的特性。但振动波的频率受距离和传播介质影响，时间和空间分布不均匀，高频振动波集中在近爆点，持续时间短；低频振动波分布在远爆点，且持续时间较长。爆破过程中，振动波能量集中分布在几个频率段上。

爆破振动波在介质中传播有“损耗”，高频率振动波会受到传播介质的过滤和吸收作用，导致频率降低接近既有建筑物自身振动频率，产生安全隐患。基于亭下支洞、状元岙支洞所测数据，评估爆破振动沿不同方向主频分布规律，为制定预防措施提供数据参照。

X、Y、Z 三个方向上的爆破振动波频率主要分布在10～50 Hz 这个区间，其振动监测数据占比超过70%，见图1。若隧洞爆破开挖过程中，既有建筑物的自振频率位于该区间内，应着重关注其对爆破振动的响应程度，在爆破开挖前，对此类建筑物进行加固处理，并在施工过程中，全程振动监测，排除隐患。同时，参照《爆破安全规程》临近建筑物结构自振频率均在10 Hz以下，而隧洞爆破振动波的主要频率分布在10～50 Hz，故不会引起既有建筑物产生共振破坏。

图1 径向（Z方向）振动频率分布

2.2 爆破振动衰减系数的研究分析

通过限定爆破方式和爆炸药量，探究爆破振动速度与爆心距的演变规律，各监测点振动速度值见表1。

表1 亭下支洞爆破测试各测点振速值

基于萨道夫斯基公式探究此次爆破振动的影响范围，并进行回归分析。

式（1）中：Vmax是振动监测点振动速度峰值（cm/s）；K、α是振动衰减系数；Q是爆破时的装药量（kg）；R是爆心距（m）。

参照《爆破安全规程》和表2可知，当限定装药量为9.60 kg时，爆破振动监测数据显示，土坯房、一般砖房的安全距离分别为180 m和60 m。而水工隧洞附近多为砖房建筑，且距离亭下支洞和状元岙支洞爆破点分别为120 m 和100 m 左右，故此次爆破振动的影响在规范允许值以内。

表2 振动速度、装药量与安全距离关系

2.3 爆破振动对既有建筑物的影响

既有建筑物受引水隧道爆破开挖产生的振动影响，沿纵向X、切向Y 和径向Z 三个方向产生振动波。由爆破振动数据可知，水工隧洞对既有建筑的振动影响，导致垂直方向的振动速度峰值最大，因此，可通过控制垂直方向的振动速度来控制振动波对既有建筑物的影响。

对亭下支洞和状元岙支洞分别进行112 次和37 次的爆破振动测试，基于振动监测和数据演算，证明爆破振动不会引起既有建筑物的破坏。但在爆破工程实际中，亭下支洞附近居民反应房屋存在房屋裂缝、玻璃抖动等现象。而在水工隧洞施加减震措施后，监测振动速度出现明显的降低，并且居民反应情况减少。余下振动产生的既有建筑物情况可能是建筑物结构疲劳，强度出现下降。虽然其振动速度满足国家规范的限定值，但在爆破振动波反复多次振动下，建筑物出现疲劳破坏现象。对此类建筑物应在爆破开挖前对其加固处理，并在爆破开挖过程中，加强对其振动监测。

3 结论

①为避免既有建筑物与爆破开挖时的振动波产生“共振”效应，应对隧洞爆破施工过程中的振动频率进行限定，防止其接近既有建筑物结构的自身振动。爆破过程中的主频率存在时间空间分布不均匀现象，不易预防限定，应预先对易受爆破振动影响的建筑物加固处理。②爆炸产生的振动波值随爆心距的增加而减小，且其衰减规律具有一定的波动性。通过萨道夫斯基经验公式计算结果，得到爆炸振动不会对范围内的既有建筑物产生振动破坏影响。数据显示，既有建筑物的垂直振动速度峰值最大，应着重监测。③在水工隧洞洞口设置减震帷幕、减震沟或者对易受影响的既有建筑物进行加固，会降低爆破振动对既有建筑物的影响。