城市复杂环境下基坑土石方爆破振动控制研究.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 009 城市复杂环境下基坑土石方爆破振动控制研究* 熊祖钊， 易 流， 黄小武， 钟冬望， 马建军 （武汉科技大学 理学院 中铁港航武汉科技大学爆破技术研究中心， 武汉 430065） 摘 要 以武汉南国昙华林基坑土石方爆破工程为背景， 介绍了城市复杂环境下建筑基坑土石方爆破工程 中爆破振动的控制措施。重点研究了不同装药结构和开挖减震沟对爆破振动峰值的影响， 并对现场试验监 测的数据进行了分析。结果表明 选择两层装药时测点的振动峰值明显小于连续装药时的振动峰值， 振动降 低率为 18 7； 减震沟降低爆破振动效果明显， 同一测点的振动峰值降低率为 30 5。在城市复杂环境下 实施基坑土石方爆破， 改良装药结构和开挖减震沟可以有效降低爆破振动。 关键词 城市复杂环境；控制爆破；装药结构；减震沟；爆破振动 中图分类号 TU471 6 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0045 -05 Study on Blasting Vibration Controlling of Earthwork Excavation in Complex Urban Environment XIONG Zu-zhao， YI Liu， HUANG Xiao-wu， ZHONG Dong-wang， MA Jian-jun （College of Science， Blasting Technology Research Center， CRPCE-WUST， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430065， China） Abstract The controlling measures of the blasting vibration under complicated urban environment was presented on Wuhan Southland Tanhualin building foundation The different charging structure and excavation of damping ditch impact on peak of vibration blasting was studied， and the monitored data from the on-farm tests was also discussed The results show that the shock vibration peak of measuring point in double layers charge was much less than in suc- cessive charge， and the vibration decreased by 18 7 The damping ditch reduced the blasting vibration markedly， and the vibration peak decreased by 30 5 in the same measuring point Under similar urban environment， impro- ving charge structure and excavation of damping ditch could effectively reduce the blasting vibration Key words complex urban environment；controlled blasting；charge structure；damping ditch；blasting vibra- tion 收稿日期 2015 -11 - 07 作者简介 熊祖钊 （1963 - ） ， 男， 武汉科技大学教授、 硕士生导师， 从 事爆炸理论及其应用等方面的教学与研究，（ E-mail） xiongzuzhao wust edu cn。 基金项目 国家自然科学基金 （51174147） ； 湖北省自然科学基金 （2013CFA131） 1 工程概况 武汉南国昙华林建筑基坑设计深度 18 45 193 m， 开挖场地为不规则的梯形状， 面积186 万 m2， 周长565 m。基坑西北部约1 万m2的地下岩质为灰岩 和砂岩结构， 开挖过程需要土石方爆破， 爆破总方量约 为10 万 m3。爆破区域临近武昌区政府， 周边有轨道交 通二号线、 中山路、 省中医院凤凰山门诊部和博仕肛肠 医院、 武汉市第十四中学、 居民楼等建 （构） 筑物。其 中 爆破区域距西边的十四中学最近 （仅14 m） ， 距 北边的凤凰大厦 （博仕肛肠医院） 20 m， 距北偏东的 地铁螃蟹甲站口 22 m， 爆破环境如图 1 所示。由于 爆破区域位于闹市区， 周边环境极其复杂， 该工程被 核定为Ⅰ级土石方爆破工程。 图 1 基坑周边环境图 （单位 m） Fig 1 Foundation pits surroundings map （unit m） 2 爆破振动分析 本次爆破总体上采取 “小直径中深孔小台阶分 层松动爆破为主、 中深孔弱松动控制爆破为辅” 的 爆破方法， 台阶高度选取 3 5 6 m， 在实际施工过 程中依据不同的地形、 地貌和地质状况来决定。 爆破基本参数如下 （1） 孔径 选用 70 mm 直径的钻孔设备， 距离护 壁桩 5 m 以内是适当缩小孔网参数。 （2） 孔距与排距 孔距选取 2 0 2 5 m， 排距 1 8 2 2 m。 （3） 布孔方式 采用三角形布孔方式， 每次爆破 沿台阶坡面布置 2 4 排， 每个爆区炮孔在 20 40 个左右。 （4） 炸药单耗 0 30 0 35 kg/ m3， 具体值根据 试爆效果进行适当调整。 （5） 起爆网络 采用非电毫秒位差起爆， 进行孔 内和孔外延时， 连接方式为复式链接， 台阶爆破网路 如图 2 所示。 图 2 台阶爆破网路图 Fig 2 Bench blasting network diagram 基坑爆破引起的爆破地震波强度大小， 将直接 影响周边建筑物的安全和周边地基的沉降 ［1］。为 保证周边建筑物的安全， 根据 GB 67222014 爆破 安全规程 的规定， 应严格控制每次爆破规模， 保证 砖混结构建筑物质点的振动速度控制在 2 cm/ s 以 内， 钢筋混凝土结构建筑物振动速度控制在 3 cm/ s 以内。 本次爆破工程设计方案中， 爆破振动安全核算 仍采用爆破振动速度的经验计算公式 ［2-4］ V K K′ Q1/3 [] R α （1） 式中 V 为被保护物质点的振动速度， cm/ s； Q 为最 大单段药量， kg； R 为爆源至被保护物的距离， m； K 为地质参数， K′为修正参数； α 为衰减系数。 当 K 取 100， K′取 0 6， α 取 1 4 时， 重点被保护 建筑物所允许的最大单段药量如表 1 所示。 表 1 重点被保护建筑物所允许的最大单段药量 Table 1 The largest charge per delay allowed for the building to be protected 重点被保护 建筑物 十四中学 博仕肛肠 医院 地铁螃蟹甲 站口 R/ m142022 Q/ kg1 875 477 28 当爆破位置及深度的变化时， 每次爆破前都要 重新核算最大单段起爆药量。但是由于地质结构的 不均匀性和具体被保护建筑物的结构不确定因素等 64爆 破 2016 年 3 月 影响， 设计药量只能作为每次爆破施工的一个参考。 位于凤凰大厦的博仕肛肠医院和地铁螃蟹甲站 口虽然离爆区不是最近， 考虑到其特殊性， 它是保护 对象的重中之重。一方面， 地铁站口人员密集无法 实行交通管制， 绝对不允许爆破飞石， 另一方面， 博 仕肛肠医院所在的大楼是十几年前的建筑且经过反 复装修， 住院病人对振动又极其敏感， 加上临近爆区 岩石坚硬且不均匀， 在确保无爆破飞石的前提下， 既 要考虑爆破成本又要严格控制爆破振动。 3 爆破振动控制 控制爆破作为一类特殊施工技术， 具有快捷、 安 全、 经济和高效的特点 ［5］。在城市复杂环境下实施 大范围的土石方爆破会带来爆破振动、 飞石、 噪声、 粉尘等负面效应 ［6］， 其中爆破过程产生的振动效应 对周边建 （构） 筑物等的影响不容忽视。如若没有 一定的降振措施， 爆破振动会对爆区邻近建 （构） 筑 物、 地铁及其他设备稳定性产生影响， 甚至破坏。所 以在实施大范围土石方爆破过程中， 需要采取一定 措施， 重点加强对爆破振动效应的控制， 保证周围建 （构） 筑物安全， 尽量减小对周边环境的影响。 鉴于以上分析， 武汉南国昙华林建筑基坑爆破 工程在历时半年的实施过程中， 采用了多项降振措 施， 保证了周边建筑物的安全。 3 1 采用间隔装药 间隔装药是爆破的一种减震手段， 在爆破施工 中将炮孔内炸药用堵塞物隔开， 可以提高炸药装药 高度， 能够在保证岩石充分破碎的前提下， 有效降低 爆破震动造成的质点振速峰值， 同时降低大块率和 减少根底 ［7， 8］。昙华林建筑基坑设计 2 层支撑梁， 层差 9 m， 土石方爆破按照工程进度分层实施。在 靠近被保护建筑物的爆破施工中采用了间隔装药， 首先， 严格控制最大单段药量， 然后， 根据炮孔深度， 保证孔口堵塞长度不小于 2 m 的前提下， 并将炮孔 中的炸药分成 2 层或 3 层， 2 层炸药间用碎石和细 沙堵塞30 50 cm， 以防殉爆。装药结构如图3、 图4 所示。 为验证装药结构对爆破振动的影响， 在爆破施 工现场距爆源15 m 处选取测点， 使用爆破振动测试 仪器对连续装药和间隔装药两种装药结构下测点的 爆破振动进行了监测。 由连续装药与两层间隔装药之间波形图 （图 5 和图 6） 的对比和爆破振动峰值表 （表 2） 可知 在相 同药量下， 选择 2 层装药时测点的振动峰值明显小 于连续装药时测点振动峰值， 振动降低率为18 7。 说明改善装药结构， 即采用间隔装药可以一定程度 上降低地震波的振动峰值， 是控制爆破振动效应的 一种有效手段。 图 3 连续装药示意图 Fig 3 Successive charge schematic 图 4 两层间隔装药示意图 Fig 4 Charge diagram of two intervals 图 5 连续装药爆破振动波形图 Fig 5 Successive charge vibration wave chart 图 6 两层间隔装药爆破振动波形图 Fig 6 Charge two intervals vibration wave chart 74第 33 卷 第 1 期 熊祖钊， 易 流， 黄小武， 等 城市复杂环境下基坑土石方爆破振动控制研究 表 2 不同装药形式下爆破振动峰值 （单位 cms -1） Table 2 The peak blasting vibration under differentcharge（unit cms -1） 药量1kg2kg3kg4kg5kg 连续装药1 321 782 232 532 78 两层间隔装药1 021 471 891 992 27 振动降低率/ 22 317 215 120 818 1 3 2 采用微差爆破 本工程采用微差爆破技术， 实现 “单孔单响” ， 控制最大单段药量。炮孔的连接网路如图 7 所示， 在临近自由面的一排炮孔中使用毫秒 1 段导爆管雷 管 （延时 0 ms） ， 第 2 排炮孔使用毫秒 3 段导爆管雷 管 （延时 50 ms） ， 最后一排炮孔使用 5 段导爆管雷 管 （延时 110 ms） ， 然后采用半秒导爆管雷管依次 “簇联” 。簇联采用半秒导爆管雷管， 尽可能避免振 动波形叠加。 图 7 爆破网路图 Fig 7 Blasting network diagram 3 3 开挖减震沟 减震沟是降低爆破地震效应的一项重要技术措 施， 其作用原理是在爆源与保护物之间开挖一定深 度的沟槽或形成一定深度的预裂面 ［9］， 当爆破产生 地震波传播遇空气间隔交界面时会大大地衰减， 从 而大大降低了爆破振动对减震沟后侧保护物的 影响。 为验证减震沟对爆破振动的影响， 在工程施工 现场， 开挖一条长度为 2 5 倍爆破覆盖面的长度、 宽 度为 1 5 m、 深度大于炮孔深度的试验用减震沟， 对 有无减震沟时同一测点的振动速度进行了监测。 由有无减震沟时测点爆破振动波形图 （图 8 和 图 9） 的对比和减震沟对爆破振动峰值影响表 （表 3） 可知 相同炸药量且采用相同装药结构条件下， 有减震沟时测点的振动峰值明显小于无减震沟时的 振动峰值， 经过多组数据对比可得减震沟对振动峰 值降低率为 30 5。说明减震沟能有效降低测点 爆破振动峰值， 对控制爆破振动效应有比较突出的 效果。 3 4 创造新的自由面 每次爆破完成后， 应及时出渣， 为下一次爆破创 造出新的自由面， 从而避免 “夹制” 爆破。在 “夹制” 爆破中， 炸药爆炸产生的能量无法释放， 一部分能量 用于岩石粉碎和破裂， 一部分能量将以地震波的形 式向周围扩散， 引起周围建筑物质点的扰动。所以， 为有控制低爆破振动效应， 应尽可能的为每次爆破 创造出新的自由面。 图 8 无减震沟时爆破振动波形图 Fig 8 Blasting vibration wave without damping ditch 图 9 有减震沟时爆破振动波形图 Fig 9 Blasting vibration waves with damping ditch 表 3 减震沟对爆破振动峰值的影响 （单位 cms -1） Table 3 The affect of damping ditch on the peak blasting vibration （unit cms -1） 药量/ kg12345 无减震沟1 321 782 232 532 78 有减震沟0 891 281 451 871 94 振动降低率/ 31 628 535 926 230 4 本次爆破工程采用如下措施 （1） 爆破后的爆堆及时出渣， 为后续爆破提供 新的自由面， 使后排岩石的抛掷和破碎更加彻底。 （2） 爆破区域内设置合理的排间微差延期时 间， 使前排炮孔起爆后为后排炮孔提供新的自由面。 4 爆破现场验证 本次爆破综合采用以上 4 种减振方法， 在爆破 工程的具体实施过程中， 采用 5 台 TC-4850 型爆破 振动仪， 其中 3 台布置在博仕肛肠医院位于三楼和 四楼的手术室、 住院部和人员集中的办公区， 另外 2 台分别置于地铁口与十四中学围墙处， 所测得最大 爆破振动范围如表 4 所示。 本次爆破工程施工中五台测振仪所测得爆破振 动速度均小于 2 cm/ s， 符合爆破工程安全标准， 工 程安全顺利完工。 84爆 破 2016 年 3 月 表 4 监测点最大爆破振动范围 Table 4 The range of maximum monitored blasting vibration 监测点 博仕肛肠医院 （手术室） 博仕肛肠医院 （住院部） 博仕肛肠医院 （办公区） 螃蟹甲 地铁站口 十四中学 最大爆破振动范围/ （cms -1） 0 74 1 430 81 1 650 77 1 410 94 1 581 23 1 77 5 结论 通过对武汉南国昙华林建筑基坑土石方爆破工 程爆破振动的监测与控制实践， 研究了不同装药结 构和开挖减震沟对爆破振动峰值的影响， 并对现场 试验监测的数据进行了分析， 得到以下几点结论 （1） 采用两层间隔装药时， 测点的振动峰值明 显小于连续装药时的振动峰值， 振动峰值降低率为 18 7， 改良装药结构是控制爆破振动效应的一种 有效手段。 （2） 减震沟可以明显降低爆破振动幅值， 同一 测点的振动峰值降低率为 30 5。在爆破区域与 被保护物之间开挖减震沟， 将有效保护周边建筑物。 （3） 在城市复杂环境下的爆破工程中， 可以综 合利用间隔装药技术和微差爆破技术， 结合开挖减 震沟和创造新自由面的技术手段有效降低爆破振 动， 保证工程的安全、 快速、 高效进行。 参考文献 （References） ［1］ 苏 贺， 汪海波， 宗 琦 临近建筑物基坑岩石松动爆 破振动监测 ［j］ 爆破， 2009， 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