□文/史 鵬 段景川

隨著我國地下空間的進一步開發(fā)、利用，地下工程與地面工程近接施工越來越多，地下工程的施工過程對地面工程造成的影響日益凸顯?；颖剖┕さ膭恿ψ饔脮︵徑ǎ?gòu)）筑物造成不良影響，嚴重時甚至引起地表沉降、建筑物傾斜、建筑物破壞等重大工程問題[1～2]。

目前，基坑爆破施工對鄰近房屋的影響問題日益受到研究者們的關(guān)注。王德寶等[3]通過優(yōu)化爆破網(wǎng)路、布置減振孔、設(shè)置減振爆區(qū)等措研究了爆破振動對周邊被保護建筑物的危害；周航生等[4]以杭州地鐵車站開挖工程為例，考慮地鐵車站開挖對周圍土體的影響，采用經(jīng)驗法公式，根據(jù)現(xiàn)有房屋安全評價方法和規(guī)范，評估了杭州地鐵車站開挖引起的周圍房屋變形情況；李自林[5]對天津市地鐵二號線曹莊站基坑周邊建筑物沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測，采用曲線擬合最小二乘法對基坑周邊建筑物的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了研究；孫東瑞[6]以馬鞍山公園地鐵站施工為例，研究了城市地鐵開挖過程中遇硬巖爆破開挖技術(shù)，避免了工程事故的發(fā)生，確保了工程進度；劉崗[7]以深圳市廣深港客運專線福田地下車站基坑土石方開挖工程為例，介紹了深基坑在弱風(fēng)化層施工過程中，采用臺階微差控制爆破+靜態(tài)控制爆破綜合技術(shù)，通過合理選擇爆破參數(shù)、嚴格控制單孔深度、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、控制爆破振動強度和飛石危害，使爆破區(qū)周圍及基坑結(jié)構(gòu)本身建(構(gòu))筑物得到保護。

本文以深圳地鐵7 號線華新北站工程為背景，研究基坑開挖過程中遇硬巖爆破施工對鄰近建筑物的動力影響規(guī)律。

1 工程概況

深圳地鐵7 號線華新站北段總長72.063 m，北端巖石呈山包形狀?；游恢玫孛娴匦纹鸱淮?，地面高程一般為14.22～16.55 m，基坑底板設(shè)計高程一般為-12 m。車站標準段基坑寬21.8 m，深約26.6 m，頂板覆土平均厚度3.55 m。

基坑豎向設(shè)置6道內(nèi)支撐。第1道為密肋板支撐，密肋板兼做施工期間行車道板，肋間距3 m；第2～6 道均為φ609 mm、壁厚16 mm 的Q235 鋼管支撐，支撐水平間距一般按3 m 布置?；游鱾?cè)有圣庭苑酒店，與地下連續(xù)墻內(nèi)的爆破點最近距離為57 m，圣庭苑酒店地下結(jié)構(gòu)與爆破點距離為37 m。

2 工程與地質(zhì)

華新北站地層由上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、殘積層，下伏燕山期花崗巖。其中燕山期花崗巖由上而下分別為全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。全風(fēng)化花崗巖呈褐紅、灰褐色，風(fēng)化劇烈，除石英礦物外，其他礦物已風(fēng)化成土狀，受擾動后易軟化；強風(fēng)化花崗巖呈褐黃、灰褐色，風(fēng)化強烈，結(jié)構(gòu)基本破壞，碎塊手折可斷，受擾動后易軟化；中等風(fēng)化花崗巖呈肉紅、灰褐色，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；微風(fēng)化花崗巖呈肉紅、灰白色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體裂隙節(jié)理稍發(fā)育，裂隙面偶見鐵質(zhì)浸染，斷面新鮮，巖芯多呈柱狀，少數(shù)呈碎塊或者短柱狀。

3 模型建立和參數(shù)選取

根據(jù)工程實際情況，主要研究基坑開挖并架設(shè)鋼支撐后，硬巖爆破時，圣庭苑酒店的動力響應(yīng)情況，從而指導(dǎo)工程選擇合理的爆破參數(shù)，保證周邊建筑物的振動變形在安全范圍內(nèi)。

3.1 數(shù)值模型的建立

有限元模型長82 m、寬200 m、高32 m，見圖1和表1。

圖1 數(shù)值模型

表1 模型主要計算參數(shù)

3.2 爆破安全基準的選取

根據(jù)大量已有的分析資料及相關(guān)標準[8]：在保證建筑物安全情況下，爆破振動速度應(yīng)控制在5 cm/s以下。由打樁、爆炸產(chǎn)生的振動引起的峰值速度應(yīng)≤2.5 cm/s，綜合考慮各安全控制基準，同時結(jié)合深圳地鐵的實際狀況，此次分析爆破振動擬取峰值速度≤2.5 cm/s為基準進行控制。

3.3 模型邊界

在自重作用下達到平衡條件后，施加爆破荷載進行動力計算與分析。模型其表達式為[9]

式中：[C]為阻尼矩陣；[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為 剛度矩陣；α為質(zhì)量相關(guān)的阻尼系數(shù)；β為剛度相關(guān)的阻尼系數(shù)。

根據(jù)振型正交條件，待定系數(shù)α、β與阻尼比之間應(yīng)滿足

式中：ξk為阻尼比；ωk為固有頻率。

由體系的自由振動方程可得到固有頻率ωi和ωj并根據(jù)室內(nèi)試驗或現(xiàn)場測試得到阻尼比ξi和ξj，由式（2）可確定α和β。若ωi=ωj，則

式中：ω0為系統(tǒng)的基頻；ξ0為相應(yīng)振型的阻尼比。

為消除反射波在人工邊界條件上的反射，更好地模擬遠場地球介質(zhì)彈性恢復(fù)性能，模型邊界采用靜態(tài)阻尼器人工邊界，阻尼器分別提供法向和切向牽引黏滯力[10]，即

式中：υn為法向速度分量；υs為切向速度分量；p0為邊界材料密度；Cp為P波波速；CS為S波波速。

3.4 爆破方案

根據(jù)華新站北端硬巖實際情況，爆破單循環(huán)進尺1 m（縱向單位長度取1 m），掏槽孔眼深1 m，硬巖斷面面積約156.78 m2，炸藥單耗量0.20 kg/m3，采用雙楔形掏槽爆破，炮眼橫向間距0.6 m、豎向間距0.7 m，炮眼數(shù)量160 個，計算得到單個炮眼用藥量0.195 kg，從而得到單個炮眼的爆破荷載且將其作用在硬巖爆破孔邊緣上。考慮硬巖體積較大，總體分三層爆破，層間爆破間隔0.1 s，每層炮眼同時爆破。見圖2。

圖2 硬巖炮眼布置

根據(jù)爆破振動理論分析，爆破荷載可簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，見圖3。

圖3 爆破時程荷載

荷載上升段、下降段作用時間根據(jù)相關(guān)資料選取。本次計算上升段時間取0.012 s，下降段結(jié)束時間取0.100 s，為了解爆破荷載結(jié)束后房屋的振動情況，計算總持續(xù)時間取2.0 s[11]。

爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax采用經(jīng)驗公式求解[12]

式中：Z為比例距離；R*為爆心至荷載作用面的距離，m；Q為炸藥裝藥量，kg。

3.5 監(jiān)測點布置

為分析圣庭苑酒店在基坑硬巖爆破過程中的動力響應(yīng)情況，沿圣庭苑酒店水平X方向、水平Y(jié)方向及豎直Z方向分別設(shè)置數(shù)值監(jiān)測點，記錄各個數(shù)值監(jiān)測點在硬巖爆破過程中的加速度及速度響應(yīng)情況。見圖4。

圖4 數(shù)值監(jiān)測點布置

4 結(jié)果分析

4.1 加速度響應(yīng)時程

針對華新站北端實際場地條件，計算得到爆破炸藥單耗量為0.20 kg/m3的條件下圣庭苑酒店各個數(shù)值監(jiān)測點的加速度響應(yīng)情況。

不同程高監(jiān)測點在硬巖爆破施工下的加速度響應(yīng)情況見圖5。

圖5 豎直Z方向加速度時程曲線

由圖5可知，在爆破振動作用下，各監(jiān)測點的加速度響應(yīng)規(guī)律大致相同?；颖漆尫烹A段（0～0.1 s），各高程的加速度突然增大，底層Z1增大到4.2 cm/s2，頂層Z7增大到6.3 cm/s2。炸藥爆炸力釋放完成，即0.1 s時，豎向加速度達到最大值，底層Z1為14.8 cm/s2，頂層Z7為20.1 cm/s2。在1.2 s時，各高程的加速度響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

分析可知，在基坑遇硬巖爆破施工條件下，圣庭苑酒店的加速度響應(yīng)隨房屋高程的增加而增加，在炸藥爆炸力釋放完成時，加速度響應(yīng)在爆炸施工初期達到峰值，隨后逐步減小，房屋逐漸趨于穩(wěn)定。

X水平距離監(jiān)測點的加速度響應(yīng)情況見圖6。

圖6 水平X方向加速度時程曲線

由圖6可知，爆破振動作用下，隨著房屋與基坑爆破點X方向水平距離的增加，加速度響應(yīng)逐漸越小。在爆破荷載釋放階段（0～0.1 s），各點的加速度突然增大，離爆破點最遠處X7加速度增大到2.2 cm/s2。隨著爆破荷載的逐步釋放，在0.1 s 時，各點加速度均達到最大值，最遠處X7加速度達到11.9 cm/s2。

分析可知，在基坑遇硬巖爆破施工條件下，圣庭苑酒店的加速度響應(yīng)隨著距離基坑爆破處的X水平距離的增加而減小，在炸藥爆破荷載釋放完成時，加速度響應(yīng)達到峰值。

Y方向監(jiān)測點的加速度響應(yīng)情況見圖7。

圖7 水平Y(jié)方向加速度時程曲線

由圖7可知，爆破振動作用下，隨著房屋與基坑爆破點Y方向水平距離的增加，加速度響應(yīng)變小。在爆破荷載釋放階段（0～0.1 s），各點加速度突然增大，離爆破點最遠處Y7增大到2.8 cm/s2。在0.1 s 時，各點加速度均達到最大值，最遠處Y7達到9.5 cm/s2。在1.2 s時，各點加速度響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

分析可知，圣庭苑酒店的加速度響應(yīng)情況隨著距離基坑爆破處的Y水平距離的增加而減小。同時，對比圖6 可知，在水平距離Y方向加速度的減小速度大于水平距離X方向的加速度減小速度。

4.2 速度響應(yīng)時程

計算得到在爆破炸藥單耗量為0.20 kg/m3的條件下，圣庭苑酒店各個數(shù)值監(jiān)測點的速度響應(yīng)情況。

不同程高監(jiān)測點在硬巖爆破施工下的速度響應(yīng)規(guī)律，見圖8。

圖8 豎直Z方向速度時程曲線

由圖8可知，隨著高程的增加，速度響應(yīng)增大。爆破荷載釋放過程中，各高程速度突然增大，頂層Z7增大到0.43 cm/s。隨著爆破荷載的逐步釋放，在0.1 s 時，豎向速度均達到最大值，頂層Z7達到2.21 cm/s。在1.2 s時，各程高速度響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

分析可知，圣庭苑酒店的速度響應(yīng)情況隨著房屋高程的增加而增大，在炸藥爆破力釋放完成時的速度響應(yīng)達到峰值，隨后逐步減小，逐漸穩(wěn)定。此與加速度響應(yīng)規(guī)律一致。

X水平距離監(jiān)測點的速度響應(yīng)規(guī)律見圖9。

圖9 水平X方向速度時程曲線

由圖9可知，在爆破振動作用下，隨著與基坑爆破點X方向水平距離的增加，速度響應(yīng)減小。爆破荷載釋放過程中，各X水平距離的速度突然增大，離爆破點最遠處X7點速度增大到0.17 cm/s。在0.1 s時，各X水平距離處的速度均達到最大值，最遠處X7點速度達到1.54 cm/s。

Y水平距離監(jiān)測點的速度響應(yīng)規(guī)律見圖10。

圖10 水平Y(jié)方向速度時程曲線

由圖10 可知，在爆破振動作用下，隨著與基坑爆破點Y方向水平距離的增加，速度響應(yīng)減小。在爆破荷載釋放過程中，各Y水平距離處的速度突然增大，離爆破點最遠處Y7點速度增大到0.18 cm/s。在0.1 s時，各Y距離的速度均達到最大值，最遠處Y7點速度達到1.52 cm/s。在1.2 s 時，各Y水平距離的速度響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

在基坑硬巖爆破開挖施工過程中，豎直Z方向、水平X方向及水平Y(jié)方向的速度相應(yīng)峰值均＜2.5 cm/s，符合工程安全規(guī)定。

4.3 不同炸藥單耗量

由上述分析可知，在爆破作用荷載下，圣庭苑酒店的頂層速度動力響應(yīng)最大，取其為速度響應(yīng)的代表值。為分析基坑在不同炸藥單耗量的爆破施工工況下的振動響應(yīng)情況，計算在0.2、0.3、0.4 kg/m3的炸藥單耗量工況下屋頂?shù)乃俣葧r程曲線，見圖11。

圖11 不同炸藥單耗量下速度時程曲線

由圖11 可知，在不同炸藥單耗量工況下，屋頂?shù)乃俣软憫?yīng)規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為在炸藥爆炸荷載釋放過程中，速度響應(yīng)增加較快，荷載釋放過程完成時，速度響應(yīng)達到最大值，隨后響應(yīng)情況逐步衰減，經(jīng)小幅度振動后趨于平穩(wěn)。當(dāng)炸藥單耗量為0.2 kg/m3時，屋頂速度響應(yīng)在0.1 s處達到最大值2.21 cm/s，在安全控制標準的范圍內(nèi)；當(dāng)炸藥單耗量為0.3 kg/m3時，屋頂速度響應(yīng)在0.1 s處達到最大值為2.48 cm/s，雖在安全控制標準的范圍內(nèi)，但已接近控制標準；當(dāng)炸藥單耗量為0.4 kg/m3時，屋頂速度響應(yīng)在0.1 s 處達到最大值為2.91 cm/s，超出安全控制標準的規(guī)定值2.5 cm/s。

5 結(jié)論

1）基坑開挖遇硬巖爆破施工會引起鄰近房屋的振動且在爆破荷載釋放過程中，房屋的動力響應(yīng)增長較快，在爆破荷載釋放完成時，房屋的振動響應(yīng)最大，隨后經(jīng)小幅度振動后，逐步衰減至穩(wěn)定。

2）爆破振動過程中，沿房屋各方向的振動響應(yīng)增長或衰減情況有所差異。振動響應(yīng)隨著高程增加而增大，隨著水平X 方向距離和水平Y(jié) 方向距離增加而減小且隨離爆破點的距離增加，沿水平Y(jié) 方向響應(yīng)衰減速度大于水平X方向。

3）基坑開挖爆破施工過程中，圣庭苑酒店的振動響應(yīng)隨炸藥單耗量的增加而增大且當(dāng)炸藥單耗量為0.3 kg/m3時，各監(jiān)測點的振動速度臨近工程安全規(guī)定限值，可作為爆破施工的炸藥單耗量控制值，從而保證基坑施工中臨近房屋的安全。