液化地层隧道爆破振动对建筑物安全影响的研究及分析.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 5 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2 N o ．3 S e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 0 5 液化地层隧道爆破振动对建筑物 安全影响的研究及分析 张俊兵 中铁三局集团有限公司，太原0 3 0 0 0 1 摘要某地铁暗挖隧道在液化地层条件下的下穿城市房屋施工过程中，爆破振动速度控制在安全规程允 许范围内，地面房屋却出现了不同程度的破坏现象，针对产生这种现象的原因进行了分析。分析结果表明 房屋基础下方存在液化土层，爆破动荷载引起土层液化及后期失水固结引起的土体变形等是造成房屋产生 破坏的主要原因。研究建议在以后类似地层条件下采取爆破施工，确定建筑物保护标准过程中，需考虑爆 破施工对房屋结构安全因素的影响程度，并制定相应标准。 关键词液化地层；地铁隧道；爆破振动；安全控制标准 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 0 2 6 0 5 I m p a c to fB l a s t i n gV i b r a t i o no nB u l i d i n gS a f e t y o fL i q u e f i e dF o r m a t i o nT u n n e l Z H A N G J u n b i n g C h i n aR a i l w a yN o ．3E n g i n e e r i n gG r o u pC oL t d ，T a i y u a n0 3 0 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so fas u b w a yt u n n e lu n d e r g r o u n dt u n n e li nl i q u e f i e dd o w na c r o s su r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yw a sc o m t r o l l e di nt h er a n g eo fa l l o w a b l es a f e t yr u l e s ，b u tt h e g r o u n db u i l d i n g ss u f f e r e ds o m ed a m a g ep h e n o m e n o n ．R e s u l t ss h o wt h a tt h el i q u e f a c t i o ns o i ll a y e rl a y i n gb e l o wb u i l d i n gf o u n d a t i o n ，a n dt h es o i ll i q u e f a c t i o nf r o mb l a s t i n gv i b r a t i o na n dt h el a t ef i l t r a t i o nc o n s o l i d a t i o nc a u s e dd e f o r m a t i o n o fs o i l ，w h i c hw a st h em a i nr e a s o nf o rt h eb u i l d i n gd a m a g e ．U n d e rs i m i l a rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，d u r i n gt h ep r o c e s so f d e t e r m i n i n gt h eb u i l d i n gp r o t e c t i o ns t a n d a r d s ，t h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n gc o n s t r u c t i o n a n do nb u i l d i n gs t r u c t u r es a f e t y s h o u l db ec o n s i d e r e d ，a n df o r m u l a t e sr e l e v a n ts t a n d a r d sa c c o r d i n g l y ． K e yw o r d s l i q u i df o r m a t i o n ；s u b w a yt u n n e l ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；s a f e t yc o n t r o ls t a n d a r d 城市轨道交通作为一种快捷、准时、高效、低碳 环保的出行方式，被人们所接受和喜欢。城市地铁 发展也迎来了一个崭新的高速发展时期，据不完全 统计，截至2 0 1 4 年，已有4 0 余城市正在进行轨道交 通的修建。目前我国南方城市已有诸多城市在开展 轨道交通的修建，尤其是在一些沿海城市，地铁经过 的地层中存在一些含水量高的饱和砂层，在采用爆 收稿日期2 0 1 5 0 5 1 0 作者简介张俊兵 1 9 6 2 一 。男，博士、教授级高工，从事岩土及爆破 施工方面的技术管理工作， E - m a i l 2 j b 6 2 1 l 1 6 3 ．c o r n 。 破施工过程中容易出现液化现象，对隧道施工和地 面建 构 筑物的安全产生了一定的影响。 既有研究表明在动荷载的作用下，饱和土会产 生液化现象。可液化土壤种类涉及到砾石土、粉砂、 细砂、中粗砂以及粉土等，这些土类在地震荷载、爆 炸荷载或者机械荷载等的作用下，均有可能产生液 化⋯。在动荷载中，爆炸引起的动荷载为大压力幅 的单脉冲，其持续时间很短，压力上升很快 几毫秒 或几十毫秒就能达到峰值 旧- 。 万方数据 第3 2 卷第3 期张俊兵液化地层隧道爆破振动对建筑物安全影响的研究及分析 2 7 土壤液化产生的主要影响 土壤液化对于上覆建筑物的影响主要有两个方 面，一是土层液化会对上层建 构 筑物产生不利影 响，使其发生破坏或加重其破坏程度；二是由于饱和 土层的存在，一定程度上能减轻震害的影响，不过该 研究主要是基于地震动荷载作用下得出的结论，研 究范围具有一定的局限性。目前关于饱和液化土层 在爆破施工动荷载影响下产生的上覆建 构 筑物 破坏理论研究已较多，杨兵等基于太沙基理论和爆 破理论，分析了软弱地基土在爆炸荷载作用期间孔 隙水压力的变化特性旧J 。王明洋等运用有效应力 原理，建立了用于描述三相饱和砂土爆炸动力分析 的实用模型”J 。吕淑然等人通过现场试验等手段 对尾矿砂在爆破振动作用下发生液化及破坏规律进 行了研究，得到了尾矿砂发生液化和破坏的爆破振 动速度及加速度值“ J 。张文煊等人通过研究提出 了在堰塞湖爆破过程中坝体是否发生液化，应同时 复核爆破振动和动孔隙水压力是否超出安全允许标 准的观点‘6 。。本文主要是在城市地铁施工爆破动 荷载作用下，对饱和土壤液化过程中地面建 构 筑 物的沉降及变形情况进行了研究。 2 工程概况 2 ．1 工程地质及周边建筑物概况 本轨道交通工程穿越地层原始地貌为滨海滩涂 及台地，区间隧道地面至洞身范围地质情况为人工 填土2 4m 、淤泥2 4m 、有机质砂3 5m 、硬塑 状砂质粘性土2 5m 、全风化变粒岩2 3m 、砂土 状强风化变粒岩3 5m ，洞身范围内主要为中一微 风化变粒岩，局部拱顶为全～强风化变粒岩。人工 填土、淤泥、有机质砂和中砂等地层均为不良地质， 人工填土具有回填不密实特性，淤泥具有高含水量、 高触变性、高压缩性、低强度、自稳能力差特性，有机 质砂和中砂具有液化特性。图1 为该工程局部地质 剖面图。表1 为地表主要建筑分布统计表。 ㈥1j 南部地f 炙削嘶【{ { } I F i g ．1 L o c a lg e o l o g i c a lp r o f i l e 表1 地面主要建筑物统计表 T a b l e1M a i nb u i l d i n gg r o u n d 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 2 ．2 施工方案 1 区间隧道的主体技术方案。矿山法爆破开 挖，爆破采用数码电子雷管，根据错峰干扰降振原理， 合理控制相邻起爆炮孔间隔延时，控制一次起爆药量。 2 辅助施工方案。辅助施工方法主要有洞内 深孔注浆，地面深孔注浆加固，建筑物周边、底部注 浆加固和跟踪注浆，地下水回灌等。 3 爆破振动控制标准。按照G B6 7 2 2 - - 2 0 1 4 爆破安全规程o 列规定，爆破振动重点监测对象为 隧道周边建筑物。线路正穿，旁穿建筑物时，必须严 格控制爆破振动，下穿房屋地段爆破开挖振速控制 值≤1 ．0c n v s 。 4 监控量测。监控量测主要包括两个部分，一是 隧道施工过程中洞内外变形监测、地面及建筑沉降变 形监测；二是隧道施工过程中爆破振动的监控量测。 3 监控量测及结果分析 3 ．1 爆破振动监测数据分析 采用T C 4 8 5 0 型爆破振动记录仪对爆破振动速 I a J 测点1 距离距离爆点1 0n l a N olD i s t a n c et ob l a s t i n gs i t e1 01 1 度进行监测，包括三个方向最大振动速度、频率、持 续时间等。部分爆破振动速度监测数据见表2 ，部 分爆破振速波形图见图2 。 表2 爆破振动监测数据 T a b l e2M o n i t o r i n gd a t ao fb l a s t i n gv i b r a t i o n i 10 。1 ’ I 主喜“叫卜M 制宝一。卜“ ∥。- 4 一2 - _ | ，02 ． O0 20 40 60 80l2l4t6l82 ．02 ．2 时间，s b 测点2 距离距离爆点2 0 m f b lN o ．2D i s t a n c et ob l a s t i n gs i t e2 0n l ；1 0 2～∥囊≯，‘，。，～～～⋯⋯一一一至l粥s啮一 i≥啪一一嚣O。25-卅州岫一0 2 言n一M，洲删忡～一主⋯一叫醐∽P种～ 剖 ⋯ 制；1 ～ ；n 一． ，．、t ，，‘‘‘’一4 ’。7 1 ⋯一⋯⋯一⋯一’一⋯⋯⋯一 e I W J 鼠3 距离爆点2 0 “ d 测点4 距离距离爆点3 0 m c N o 3D i s t a n c et ob l a 8 “n gB i t e2 0m d N o ．4D i s t a n e et ob l a 8 t i n gs i t e3 0m 图2 测点爆破振动波形图 F i g ．2B l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yw a v e f o r mo fm e a s u r e m e n tp o i n t 一秒 { l _ ，j 4 4 2●0●2{2 O J ● 0 ● d 一““0 ● 一．‘．Eoau 一．_‘．Eo，t k．g喜魁制督鞲 万方数据 第3 2 卷第3 期 张俊兵液化地层隧道爆破振动对建筑物安全影响的研究及分析 从表2 中可看出，9 0 ％爆破振动监测数据小于 0 ．6c m ／s ，振动频率集中在2 2 6 5H z 之间。根据 爆破安全规程安全允许标准，按照表l 中保护对象类 别，在频率许可范围内爆破振动速度均满足安全控制 标准，爆破施工不会对建筑物产生明显不利影响。 3 ．2 爆破对建筑物影响 在爆破施工及监控过程中，周边建筑物出现不 同程度的变化，个别房屋出现地面下沉，房屋墙面开 裂等情况。见图3 。 图3 房屋地面沉降 F i g ．3 G r o u n ds u b s i d e n c eo fh o u s e 4 原因分析 在爆破振动速度不超过允许值，开挖前期辅助 工法等措施均采取的情况下，地面建筑仍旧出现了 不同程度的破坏，分析原因主要有以下几点 1 土层液化的原因隧道施工区域上方存在 具有液化特性的有机质砂和中砂，其中有机质砂的 厚度在3 ～5n l ，且其范围较大。在爆破施工动荷载 及爆炸冲击波作用下，饱和砂层的抗剪强度等于零， 砂层处于流体状态，也即产生了液化现象。液化作 用使得砂层颗粒之间的粘结力减小，砂层产生较大 位移。同时爆破是个长期且反复的动荷载作用，砂 层产生的变形沉降累积影响至建筑物基础，从而导 致建筑物产生倾斜、不均匀沉降、裂缝等。 2 土层失水固结隧道爆破施工采用控制爆 破技术能较大程度上降低爆破施工对围岩损伤，但 是无法完全避免。随着爆破开挖面积的增大，围岩 的应力状态也由原来的三维状态转换为二维状态， 并伴随着应力重新分配。根据围岩松动圈理论及现 场实际情况，开挖后隧道上方会存在裂隙区，为地下 水流出提供了通道。且本施工区域属于地下水系较 发达区域，地层含水量较大，水压高，使得土层因失 水发生固结收缩，使得地层及地表产生较大沉降。 失水造成地表沉降已被众多研究及现场实践所证 明，吴波等人通过研究证明，失水引起的地表沉降约 占总沉降量的7 5 ％，可见地下水的流失也是造成地 表沉降的主要原因之一【8 j 。施工过程中虽采取了 诸如回灌等措施补充地下水，但由于地下隧道是个 相对开放的空间，也很难保证地下水的补给效果；由 于地表沉降及建筑物的变形开裂属于塑性变形，具 有不可恢复等特性，从某种程度而言，回灌只能是控 制变形不再继续发展或者减小其发展速度。 3 变形监控标准根据安全规程规定要求确 定的爆破振动速度控制标准，相对于存在液化地层 的隧道开挖而言，标准可能不完全适用。在液化地 层区域制定爆破振动控制标准还应引入其他控制要 素，以利于爆破施工采取对应措施，保证建筑物安 全。比如控制标准中引入爆破振动的加速度等。 5 结论与展望 1 在液化地层中进行隧道爆破施工过程中存 在爆破振动速度在允许范围内，但地面建筑物仍旧 出现变形开裂、地表沉降等现象。 2 通过分析发现，产生上述现象的原因包括 土层液化、地层失水固结及爆破振动控制因素相对 较单一等。 文中关于液化地层条件下隧道爆破施工过程 中，为保护地面建筑物而提出的增加或者调整振动 控制标准 因素 的观点，是基于现场实际情况提出 的，还缺少相对应的理论研究，需在下一步的研究和 实践中予以完善。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]李立云，杜修力．动载作用下饱和土壤液化的研究述 评[ J ] ．世界地震工程，2 0 0 6 ，2 2 2 3 9 - 4 9 ． [ 1 ] u L i ．y u n ，D UX i u ．1 i ．R e v i e wo nt h el i q u e f a c t i o nr e s e a r c h o fs a t u r a t e ds o i l su n d e rd y n a m i cl o a d [ J ] ．W o r l dE a r t h - q u a k eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 2 2 3 9 - 4 9 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 刘成宇．土力学[ M ] ．北京中国铁道出版社，2 0 0 6 ． [ 3 ] 杨兵，张志毅，杨年华，等．软弱地基土在爆炸荷载 作用期间的孔隙水压力变化分析[ J ] ．爆炸，2 0 0 2 ， 1 9 3 8 - 9 ． [ 3 ] Y A N GB i n g ，Z H A N GZ h i y i ，Y A N GN i a n - h u a ，e ta 1 ．T h e a n a l y s i so ft h ec h a n g eo fp o r e w a t e rp r e s s u r ei ns o f t s o i l d u r i n gb l a s t i n g [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 2 ，1 9 3 8 - 9 ． i nC h i - n e s e [ 4 ] 王明洋，赵跃堂，钱七虎，等．饱和砂土爆炸液化模型 研究[ J ] ．解放军理工大学学报，2 0 0 1 ，2 2 5 0 - 5 4 ． [ 4 ] W A N GM i n g - y a n g ，Z H A OY u e t a n g ，Q I A NQ i h u ，e ta 1 ． 万方数据 3 0 爆破2 0 1 5 年9 月 上接第2 1 页 2 提升小波包变换技术运算速度快、占用资 [ 5 ] 源少、分析精度高，能够进一步丰富工程爆破远程测 振系统的信号分析功能，为该系统更好地为工程爆 破行业服务奠定良好的基础。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 谢全民，龙源．爆破振动信号时频特征的三维分形 特性研究[ J ] ．振动与冲击，2 0 1 0 ，2 9 1 2 1 2 2 1 2 6 ． X I EQ u a n m i n ，L O N GY u a n ．T h r e e d i m e n s i o n a lf r a c t a l s t u d yo nt i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fb l a s tv i b r a t i o n s i g n a l [ J ] ．J o u r n a lo f V i b t a t i o na n dS h o c k ，2 0 1 0 ，2 9 1 2 1 2 2 1 2 6 ． i nC h i n e s e 史秀志，林大能，陈寿如．基于粗糙集模糊神经网络的 爆破振动危害预测[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 9 ，2 9 4 4 0 1 ． 4 0 7 ． S H IX i u z h i ，L I ND a - n e n g ，C H E N GS h o u - 1 3 1 ．B l a s t i n g v i - b r a t i o n - i n d u c e dd a m a g ep r e d i c t i o n b yr o u g h s e t b a s e d f u z z y n e u r a ln e t w o r k [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ， 2 0 0 9 ，2 9 4 4 0 1 - 4 0 7 ． i nC h i n e s e 中国生．基于小波变换爆破振动分析的应用基础研究 [ D ] ．长沙中南大学博士学位论文，2 0 0 6 ． Z H O N GG u o - s h e n g ．A p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fb i a s - t i n gv i b r a t i o na n a l y s i sb a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o r m [ D ] ． C h a n g s h a D o c t r o r a lD i s s e r t a t i o no fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i - t y ，2 0 0 6 ． i nC h i n e s e 曲广建．数字爆破测振[ M ] ．北京兵器工业出版社， 2 0 1 5 ． Q UG u a n g - j i a n ．D i g i t a lb l a s t i n gv i b r a t i o n [ M ] ．B e i j i n g A r m sI n d u s t r yP u b l i s h m e n t ，2 0 1 5 ． i nC h i n e s e 林大超，施惠基，白春华．基于小波变换的爆破振动时 频特征分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 1 】O 】．1 0 6 ． [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] L I ND a c h a o ，S H IH u i - j i ，B A IC h u n - h u a ．T i m e f r e q u e n e y c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fb l a s t i n gv i b r a t i o nb a s e do nw a v e - l e tf f a n s f o r m [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 3 1 1 0 1 - 1 0 6 ． i nC h i n e s e 凌同华，李夕兵．基于小波变换的时- 能分布确定微差 爆破的实际延迟时间[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 4 ，2 3 1 3 2 2 6 6 - 2 2 7 0 ． L I N GT o n g - h u a ，L IX i b i n g ．T i m e - e n e r g ya n a l y s i sb a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o r mf o ri d e n t i f y i n gr e a ld e l a yt i m ei nm i l i s e c o n db l a s t i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 3 1 3 2 2 6 6 - 2 2 7 0 ． i nC h i n e s e 赵建平，徐国元，李永刚．基于小波变换的爆破振动信 号分解与重构[ J ] ．江西有色金属，2 0 0 7 ，2 1 2 l1 ．1 4 ． Z H A OJ i a n p i n g ，X UG u o y u a n ，L IY o n g - g a n g ．D e c o m p o - s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o nf o rb l a s tv i b r a t i o ns i g n a l sb a s e d o nw a v e l e ta n dw a v e l e tp a c k e tt h e o r y [ J ] ．J i a n g x iN o n f e r - r o u sM e t a l s ，2 0 0 7 ，2 1 2 1 1 ．1 4 ． i nC h i n e s e 谢全民．爆破振动信号分形特征及相关性分析与工程 应用研究[ D ] ．南京解放军理工大学博士学位论文， 2 0 1 3 ． X I EQ u a n m i n ．R e s e a r c ho nf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i ca n dc o r r e l a t i o no fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l s [ D ] ．N 粕j i n g D o c t o r - a lD i s s e r t a t i o no fP L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l - o g y ，2 0 1 3 ． i nC h i n e s e 鲍文，周瑞，李宁．采用非降采样第二代小波变 换的信号降噪方法[ J ] ．中国电机工程学报，2 0 0 8 ， 2 8 2 0 8 2 8 7 ． B A OW e n ，Z H O UR u i ，L IN i n g ．S i g n a ld e n o i s i n gu s i n g u n d e c i m a t e ds e c o n dg e n e r a t i o nw a v e l e tt r a n s f o r m [ J ] ．P r o - c e e d i n g so ft h eC S E E ，2 0 0 8 ，2 8 2 0 8 2 8 7 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ] D A U B E C H I E SI ，S W E N L D E N SW ．F a c t o r i n gw a v e l e t t r a n s f o r mi n t ol i f t i n gs t e p s [ J ] ．J o u r n a lo fJM a t hA n a l A p p a ，1 9 9 8 ，4 3 2 4 7 - 2 6 9 ． 万方数据