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摘要：保证城区复杂环境爆破邻近建构筑物的安全具有重要意义。本文基于武汉地铁5号线彭刘杨路站～司门口站区间隧道邻近黄鹤楼风景区爆破施工工程，设计现场隧道爆破试验方案，并对风景区主体建筑的爆破振动进行监测，分析其爆破振动衰减规律和场地特性。根据被保护建筑的振动控制特征建立考虑爆源高程差的场地爆破施工时安全控制的最大单段药量的预测模型。研究表明，在城区复杂环境爆破时，为采用分上下台阶的爆破方式可以有效的减小爆破振动的叠加;现场爆破测试点振动峰值以Y方向的振动速度为最大，随着爆破距离的增加振动峰值逐渐减小，各测点的振动主频率不一;通过考虑爆破深度的影响得到建立的数学预测模型，能更好地反映地铁隧道爆破开挖爆破振动传播至地表过程中，其衰减规律受到隧道爆破开挖深度的影响。

关键词：黄鹤楼景区;隧道爆破;振动速度;安全控制

0 引言

爆破开挖是城市地铁隧道坚硬岩土体开挖的重要方式，但岩石爆破开挖在带来方便、快捷施工效率的同时其产生的爆破振动、噪声、飞石等危害往往成为地铁开挖过程制约工程安全、高效进行的主要因素。其中，爆破产生的地震效应是爆破施工危害之首，爆破破岩产生的地震波经过岩土介质传播到邻近结构，使结构产生振动，当爆破振动超过结构承受能力时，结构就会产生损伤破坏。城区爆破工程建设周边往往环境复杂多变，地表和地下建（构）筑物多样，尤其是开挖工程遇到保护要求较高的特殊文物或景区重要建筑时，其邻近爆破工程的开挖爆破设计及振动安全控制往往受到重点关注。目前相关学者在爆破振动邻近结构的安全控制研究方面进行了大量研究，杨馨茹等[1]研究了地铁隧道爆破不同爆破峰值振速下装配式建筑物加速度、位移及应力响应特征。朱浩杰等[2]依托福建省厦门市石堀山隧道工程，对爆破开挖引起的民房振动进行长期监测。吴波等[3]依据爆破施工方案等工程资料，对爆破安全允许距离、爆破空气冲击波超压值等相关指标进行计算，并结合现场检测结果，给出爆破振动与周边建筑物受损之间的因果关系。李小贝等[4]以新建的衢宁铁路五都隧道为依托，采用LS-DYNA动力有限元程序建立小净距隧道爆破振动数值模型，分析既有隧道关键部位在受邻近爆破影响下的振动速度和应力。

本文基于武汉地铁5号线彭刘杨路站～司门口站区间隧道邻近黄鹤楼风景区爆破施工工程，设计现场隧道爆破试验方案，并对风景区主体建筑的爆破振动进行监测，分析其爆破振动衰减规律和场地特性。最后，根据被保护建筑的振动控制特征建立考虑爆源高程差的场地爆破施工时安全控制的最大单段药量的预测模型，相关研究成果对指导后续隧道爆破施工优化设计，保证景区主体结构的安全稳定性具有主要意义。

1 工程概况

1.1 工程背景

武汉地铁5号线彭刘杨路站～司门口站区间隧道从彭刘杨路站出发沿线下穿黄鹤楼干道人防、半山桥桥桩、武珞路、黄鹤楼景区、蛇山人防、京广铁路、民主路，到达司门口站接收。其周边环境示意如下图1所示。区间右线起止里程为右DK12+858.143～右DK13+229.318长371.175m，区间左线起止里程为左DK12+858.143～左DK13+229.318长377.994m。区间在右DK13+008.000～右DK13+160.310、左DK13+013.000～左DK13+159.694穿越蛇山段采用矿山法施工，其余地段采用盾构法施工。区间隧道主要穿越强风化泥岩、中风化石英砂岩、强风化石英砂岩，隧道上覆土主要为素填土、残积黏性土，强风化泥岩。

1.2 爆破方案设计

为减小爆破振动，压缩每次爆破规模，采用分上下台阶的爆破方式，尽量拉开同时爆破的工作面距离，减小爆破振动的叠加。上下台阶距离5～10 m。上台阶采用楔形掏槽方式，下台阶采用水平结合垂直钻孔方式减小振动叠加可能。上台阶爆破采用两级楔形掏槽，第二级掏槽孔底距离临空面1.5 m。循环进尺1.2 m，其他炮孔深度为循环进尺加上超深，约1.3 m。掏槽爆破炸药单位消耗量暂取q=3.0～5.0 kg/m3。根据岩石强度选择主炮孔爆破炸药单位消耗量。暂取q=1.4 kg/m3，经过试爆和振动监测结果，确定最佳取值范围。周边光面炮孔爆破炸药单位消耗量（折算单耗）暂取q=1.2k g/m3。周边光面爆破炮孔间距取12d=480 mm。辅助炮孔连续装药，单孔装药1.3 kg，孔距：0.6m，间距为0.5～0.6 m。采用乳化炸药，直径32 mm，每根200 mm长，根据孔药量取，截取相应重量的炸药组成单孔药量。采用两级楔形掏槽方式掏槽，第一级掏槽孔4孔一响，第二级掏槽孔2孔一响，单响装药1.3 kg，辅助炮孔连续装药，单孔装药1.3 kg。上台阶周边孔23个，辅助孔42个，掏槽孔12个，共78.2 kg。下台阶爆破周边孔23个，辅助孔45个，共67.7 kg。其炮孔布置如下图2所示。

掏槽爆破孔和辅助爆破孔采用孔底留空气间隔的连续装药结构，孔口使用黄泥或水封袋堵塞。光面爆破爆破采用分层装药，每层之间采用空气间隔，孔口使用黄泥或水封袋堵塞。起爆网路采用数码电子雷管起爆系统。上下台阶炮孔数小于200，可采用一台200型依钵起爆器分时起爆上下台阶，实现单孔单响爆破。每炮孔炸药不与其他孔炸药同时爆破，每段爆破药量不大于1.3 kg。总药量控制：上、下台阶一次爆破规模控制在146 kg以内。掏槽孔先行爆破，再是辅助孔爆破，最后是周边光面爆破孔爆破。掏槽孔间隔100ms，辅助孔间隔7 ms，周边光面爆破孔间隔1或2 ms（每3个孔爆破间隔和与其他炮孔间隔相当）。上台阶爆破时长约900ms;下台阶爆破时长520 ms。

2 现场监测及振动衰减规律

2.1 监测方案

目前正在执行的国家标准（GB6722-2014）规定的爆破安全控制值是与频率有关的，低频允许值低、高频允许值高，因此，要求快速将每一个不同频率的峰值振速是否超标判断出来。根据本工程爆破振动的特点，宜采用目前较为先进的UBlast爆破振动测试系统，该系统可以同时在一观测点测试3个方向的爆破振动速度，数据可立即读取。初步确定选用5组10套爆破测试系统，每套函记录仪和传感器各一台。UBlast测试系统由TYTEST-3三向一体速度传感器和UBlast测试记录仪组成，测试数据PC读取保存，如下图3（a）所示。根据黄鹤楼景区主体建筑的被保护要求，现场振动测试点的布置如下图3（b）所示。

根据现场测点布设条件及被保护建筑物的要求，隧道爆破施工时，现场共在胜象宝塔、黄鹤楼主楼等主要建构筑物范围内布置5个振动监测点。1#测点为铁路路基测点，2#测点、3#测点布置在爆破点正上方的人防工程底板上。4#测点黄鹤楼基础处和5#测点胜像宝塔基础处的爆破振动数值变化不大。1#、4#、5#测点可长期固定在指定位置，爆破前仅需将记录仪接入传感器。临时测点2#、3#在爆破前提前30分钟，用快速粘接剂将振动传感器牢靠安装到测量确定的测点位置。要求粘接剂饱满，三向传感器上表面水平，粘接剂基本定型后连接传感器导线到测试仪。根据测试现场电磁干扰情况设置屏蔽系统。

2.2 测试振动与频率特征

根据上述监测方案，得到两次爆破5个监测点共10组爆破振动测试数据，其中左线第一次爆破时，测点5#、测点1#的各方向的振动速度测试波形如下图4所示。

根据上述测试波形分析可知，现场测试试验中的监测到的爆破地震波能量在传播过程中具有短时、随机性。上述两个测点的振动波形都具有多段峰值，其中分别出现在0.06 s、0.2 s、0.5 s，爆破振动能量在0.6s后开始迅速衰减，1 s后波动逐渐消失。三个方向的振动峰值不一，其中以Y方向的振动为主，测点2#的Y方向的振动峰值为0.124 cm/s，振动主频率为54.5 Hz，测点5#的Y方向振动峰值为0.171 cm/s，其振动主频率为52.2 Hz。根据两次爆破振动测试数据，对上述测点的峰值振速和振动主频率进行统计如下表1所示。

根据上表分析可知，上述测点振动峰值以Y方向的振动速度为最大，随着爆破距离的增加振动峰值逐渐减小，其中以距离爆源最近的测点2#的振动测试数据较大，峰值达到0.171 cm/s，但未超过振动控制阈值。各测点的振动主频率不一，主要集中在30 Hz～60 Hz之间。频率统计分析可见，爆破振动测试频率远大于结构本身的共振频率，这对于结构的抗震保护是有利的。《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定[5]，评估爆破对不同类型建（构）筑物、设施设备和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。上述两个爆破振动监测数据表明，各测点邻近的被保护对象均未超过其安全控制阈值，最大单段爆破药量和爆破设计方案的选取是合理的。

3 爆破振动预测及安全控制

3.1 考虑隧道埋深的爆破振动衰减预测

根据上述工程实际，爆破控制区域内的建构筑物具有一定的高程差，常规的爆破振动衰减预测模型并未考虑被保护建筑物的竖直方向的高程带来的衰减差异，而上述监测数据表明。测点的竖直方向振动为主要振动方向，因此，在进行工程现场爆破振动衰减预测时候应考虑测点的高程带来的预测误差。根据大量学者对于爆破振动在岩体内的衰减规律的相关现场实测实验及数值模拟研究成果[7，10]可知：爆破地震波在岩土体内传播过程中，地震波的衰减受到爆源、传播路径介质条件（如岩土体性质、节理弱面等）、爆源距离等因素影响。而考虑地铁隧道爆破施工特点，隧道埋深（即爆源埋深）对爆破地震波在地面岩土体中的传播的存在一定的影响[8]。因此，爆破地震波在岩体介质中传播衰减所涉及的主要变量归纳结果，如表2所示。

式中：表示为场地影响系数;表示为爆破振动衰减系数;、为隧道爆破开挖深度影响效应系数。对比式（8）和式（11）可知，隧道爆破开挖爆破振动传播至地表过程中，其衰减规律受到爆破深度的影响。根据上述分析结果，采用考虑隧道爆破开挖深度影响的地表土体爆破振动速度衰减规律的数学模型式（10）对表12中所列测试结果进行回归拟全分析，得到隧道开挖爆破振动衰减规律的预测模型。同时为比较所建立的数学模型的合理及准确性，与采用经典萨氏公式（7）回归拟合得到的经验公式进行比较分析，并依据拟合曲线相关性系数评价两种经验公式对爆破振动速度的预测精度。分析结果如表3所示。

由表4可知：采用所建立的衰减规律数学模型式（10）对地表监测点爆破振动速度数据的拟合相关性系数大于经典萨氏公式式（8），表明地铁隧道爆破振动在地表土体中的传播衰减规律更加复杂，经典萨氏公式存在一定的局限性，而通过考虑爆破深度的影响得到建立的数学预测模型，能更好地反映地铁隧道爆破开挖爆破振动传播至地表过程中，其衰减规律受到隧道爆破开挖深度的影响。因此工程实际应用过程中，为预测地铁隧道爆破振动传播至地表土体时其质点振动速度，可采用以下预测模型：

3.2 考虑高程效应的安全控制药量

《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定，评估爆破对不同类型建（构）筑物、设施设备和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。《爆破安全规程》（GB6722-2014）[5]评估爆破对不同类型建（构）筑物、设施设备和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。地面建筑物、电站（厂）中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率。爆破振动安全允许标准详见表4-1。

本工程隧道爆破采用直径40mm装药钻孔，对于距离50m以内的保护对象，受感爆破振动，频率一般较高，地下浅孔爆破频率为60～300Hz，故选取第三列频率对应允许值;50m以外距离，保守情况下可选取第二列允许值。第一列数值仅适合用于较远的爆破点。对应表5，黄鹤楼是钢筋混凝土建筑，选取2.5cm/s作为爆破振动的控制值;胜像宝塔虽然是文物级保护对象，但为实心结构，且高度较小，结构较为耐振，选取0.5cm/s作为爆破振动的控制值。对应表5，如在天窗段爆破，既有铁路是有砟轨道，轨道下路基选取5.0cm/s作为爆破振动的控制值，铁路边挡墙边坡按高边坡选取5.0cm/s作为爆破振动的控制值偏于保守。为实质性降低爆破振动对铁路路基和边坡的影响，将爆破振动降级，本设计建议在非天窗段进行爆破，并将铁路路基和边坡的爆破振动控制在2.0cm/s以内。蛇山地下人防工程，因为能抗击较大的破坏力，且截面较小，比照矿山巷道，选取20.0cm/s作为爆破振动的控制值。根据爆破区域与被保护物的不同距离，（12）式计算允许的最大单段药量详见表6。

从上表6的计算结果可知，为确保既有铁路路基、边坡和运营安全，每次爆破最大单段装药量不得超过5.7kg。然而，距离人防工程最近的爆破最大单段装药量小于1.1kg是最为严格的控制规模要求，人防工程不仅距离最近，且距离变化小，所以1.1kg始终是本隧道爆破工程的爆破规模最大单段装药量限制指标。对于直径40mm钻孔，每孔连续装药1.1kg时，孔深一般不超过1.5m，爆破循环进尺约1～1.2m，除第一级掏槽，实行单孔单响。

4 结论

本文基于武汉地铁5号线彭刘杨路站～司门口站区间隧道邻近黄鹤楼风景区爆破施工工程，设计现场隧道爆破试验方案，并对风景区主体建筑的爆破振动进行监测，分析其爆破振动衰减规律和场地特性。得到如下主要结论。

（1）在城区复杂环境爆破时，为减小爆破振动，压缩每次爆破规模，采用分上下台阶的爆破方式，尽量拉开同时爆破的工作面距离的爆破方案可以有效的减小爆破振动的叠加。

（2）现场爆破测试试验表明，各测点振动峰值以Y方向的振动速度为最大，随着爆破距离的增加振动峰值逐渐减小，但未超过振动控制阈值。各测点的振动主频率不一，主要集中在30 Hz～60 Hz之间

（3）地铁隧道爆破振动在地表土体中的传播衰减规律更加复杂，经典萨氏公式存在一定的局限性，而通过考虑爆破深度的影响得到建立的数学预测模型，能更好地反映地铁隧道爆破开挖爆破振动传播至地表过程中，其衰减规律受到隧道爆破开挖深度的影响。

参考文献

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[2]吴波，朱靖林.爆破振动对周边建筑物的影响和分析[J].工程质量，2021，39（04）：30-32+40.

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[4]杨馨茹，李克先，许红民，高乾凤，高亚男，于广明.地铁爆破施工对装配式建筑物的动力响应分析[J].低温建筑技术，2021，43（02）：62-65+69.

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[8]叶海旺，袁尔君，雷涛，龙梅.基于量纲分析的爆破振动质点峰值速度预测公式[J].金属矿山，2019（05）：56-61.