摘要
为有效降低爆破施工对邻近建(构)筑物的动态扰动,以深圳地铁16号线1号综合井基坑爆破工程为依托,开展减振孔减振效应现场试验研究。通过对不同参数条件下减振孔地表振动的实时监测,研究减振孔对地表峰值质点振动速度(PPV)和主振频率的影响,分析减振孔参数对减振效应的影响。结果表明:随着减振孔直径的增加,水平径向隔振率与水平切向隔振率先增加后减小,竖直方向隔振率整体上逐渐增加,基于合速度的隔振率呈显著增大趋势;随着减振孔排间距的增加,减振孔的隔振率先显著减小后逐渐趋于稳定;当减振孔内充填水时,随着减振孔充填度的增加,水平径向隔振率逐渐减小,水平切向隔振率与竖直方向隔振率先增加后减小,基于合速度的隔振率先增加后逐渐减小。
随着城市基础设施建设的不断发展,地下空间利用率显著增
目前,减振孔的减振效应研究已受到学者们的广泛关注,对减振孔减振效应的研究主要采用数值仿真和现场试验。数值仿真方面,赵蕊
总体而言,当前学者们对减振孔减振效应的研究做了大量的工作,研究成果对实际工程中减振孔的设置具有一定的参考价值。然而,数值模拟研究需做大量简化,不能真实有效地反映实际工程,其计算结果的正确性、可靠性难以保证。而减振孔现场试验研究中,试验规模均较小或者现场条件过于简单,对复杂环境条件下减振孔减振效应的试验研究不足;此外,现场试验中关于充水对减振孔减振效应的影响研究极少。基于此,笔者以深圳地铁16号线1号综合井基坑爆破工程为依托,通过现场试验,综合研究减振孔的孔径、排间距、充水状况对减振孔减振效应的影响。
深圳地铁16号线1号综合井位于宝荷深惠立交桥西侧花坛处,东、南、西侧3个方向均为环形道路。综合井基坑场地平整,长度为37 m,标准段宽15 m(局部18.7 m),基坑开挖深度37.3 m,竖井结构形式为6层框架结构,爆破开挖方量约18 000

图1 综合井与邻近建(构)筑物平面位置示意图
Fig. 1 Planar position diagram of comprehensive well and adjacent structures
岩石类型 | 密度/(g/ | 纵波速度/(m/s) | 弹性模量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
微风化石灰岩 | 2.868 | 3 160 | 29.9 | 0.29 |
微风化砂岩 | 2.380 | 2 940 | 11.13 | 0.26 |
根据爆破区域周边环境,基于安全、科学、经济的原则,综合考虑工程工期要求及工艺施工特点, 采用浅孔台阶控制爆破的方案进行开挖,炮孔直径为42 mm,其他爆破参数如
台阶高度/m | 最小抵抗线/m | 超深/m | 装药长度/m | 堵塞长度/m | 间距/m | 排距/m | 装药量/kg |
---|---|---|---|---|---|---|---|
3.0 | 1.2 | 0.4 | 1.8 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.73 |
4.0 | 1.2 | 0.4 | 2.6 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 2.50 |
综合井东南侧地铁14号线隧道属于爆破开挖期间重点保护区域,因此,结合综合井基坑爆破设计方案,将其划分为7个不同的试验区域,布设不同参数减振孔,减振孔布设如

图2 减振孔试验方案示意图
Fig. 2 Schematic diagram of arrangement of blasting barrier hole test
爆源1 | 爆源2 | 爆源3 | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
L1/m | S1-Ⅳ/m | S1-Ⅵ/m | H/m | L2/m | S2-Ⅲ/m | S2-Ⅵ/m | H/m | L3/m | S3-Ⅱ/m | S3-Ⅶ/m | H/m | ||
9 | 7.5 | 7.5 | 16 | 19 | 7.5 | 7.5 | 16 | 30 | 11.2 | 16 | 16 |
根据综合井基坑现场钻机可提供的施工条件选取减振孔的孔径参数,由钻机施工难度以及建(构)筑物与综合井基坑的相对位置关系决定减振孔排间距的参数与方位,为了合理研究水充填度对减振孔减振效果的影响,设置了5个不同参数。减振孔试验方案见
爆源 | 试验区域 | 孔径/mm | 孔间距/mm | 排数 |
---|---|---|---|---|
爆源1 | Ⅳ | 59 | 1 000 | 1 |
Ⅴ | 75 | 1 000 | 1 | |
Ⅵ | 91 | 1 000 | 1 | |
爆源3 | Ⅰ | 110 | 1 000 | 1 |
Ⅶ | 135 | 1 000 | 1 |
爆源 | 试验区域 | 孔径/mm | 孔间距/mm | 排间距/mm | 排数 |
---|---|---|---|---|---|
爆源2 | Ⅲ | 110 | 1 000 | 1 500 | 2 |
爆源3 | Ⅰ | 110 | 1 000 | 500 | 2 |
Ⅱ | 110 | 1 000 | 1 000 | 2 |
试验 区域 | 孔径/mm | 孔间距/mm | 爆源1深度H/m | 水充填度/% | 充水高度h/m |
---|---|---|---|---|---|
Ⅵ | 91 | 1 000 | 16 | 0 | 0 |
20 | 25 | 9.3 | |||
24 | 50 | 18.6 | |||
28 | 75 | 27.9 | |||
32 | 100 | 37.2 |

图3 减振孔水充填度试验布置示意图
Fig. 3 Water filling proportion test layout diagram of barrier hole
根据试验设计方案,试验中测试的物理量为地表质点振动速度。采用L20-S型爆破振动测试仪测试地表水平径向(X)、水平切向(Y)以及竖直方向(Z)3个方向的振动速度。为了更好地对减振孔减振效应进行定量分析以及反映减振孔的减振隔振效果,各试验区域的测点应尽可能地靠近减振孔前后两侧。在综合井基坑地表距离减振孔前后0.5 m处布设相应的测试仪器进行测量,测点尽量选取平整地面,通常使用石膏将三矢量传感器紧紧固定在地面上,同时保证传感器水平径向(X)指向爆源,即指向综合井基坑内。在水平面内与水平径向(X)垂直为水平切向(Y),垂直水平面为竖直方向(Z)。当爆炸波传至地表时,即形成了沿地表传播的瑞利面波。减振孔试验中的测点均布置在基坑周边地表,各测点处的振动传感器接受到的均为面波信号。因此,现场试验中主要关注的是爆炸产生的面波。
作为爆破应力波经过岩体介质时爆破振动幅度大小最直接的体现,峰值质点振动速度(PPV)是爆破施工过程中最重要的监测参数。采用峰值质点振动速度计算出减振孔的隔振率,用以评价减振孔的减振效果。减振孔的隔振率计算公式
(1) |
式中:VIR为减振孔的隔振率;1与2分别为减振孔前、后测点的峰值质点振动速度,单位为cm/s。
根据上述减振孔现场试验以及爆破方案,依据实际爆破工程得到12次不同炸药量、不同爆破位置相应的减振孔前、后测点爆破振动测试数据。其中,当爆心距为20.4 m、爆破装药量为174 kg时,减振孔为孔径135 mm、孔间距1 000 mm的单排减振孔,如
测点 | 水平径向(X) | 水平切向(Y) | 竖直方向(Z) | 合速度方向 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
峰值振动速度/(cm/s) | 隔振率/% | 峰值振动速度/(cm/s) | 隔振率/% | 峰值振动速度/(cm/s) | 隔振率/% | 峰值振动速度/(cm/s) | 隔振率/% | |
N1 | 2.725 | 65.5 | 3.444 | 78.1 | 8.295 | 78.3 | 8.936 | 79.8 |
O1 | 0.939 | 0.751 | 1.795 | 1.808 | ||||
N2 | 3.700 | 72.9 | 2.856 | 80.3 | 5.247 | 78.0 | 5.348 | 79.4 |
O2 | 1.003 | 0.562 | 1.152 | 1.101 | ||||
N3 | 2.888 | 67.1 | 2.492 | 76.3 | 5.365 | 79.9 | 5.404 | 73.9 |
O3 | 0.950 | 0.590 | 1.079 | 1.409 | ||||
隔振率均值 | 68.5 | 78.3 | 78.7 | 77.7 |

(a) 测点N1与测点O1

(b) 测点N2与测点O2

(c) 测点N3与测点O3
图4 测点波形图
Fig. 4 Waveform diagram of measuring point
为进一步研究减振孔的减振隔振效应,对试验中N1~N3与O1~O3测点不同方向的爆破信号进行频谱分析,结果如

(a) 测点N1与测点O1

(b) 测点N2与测点O2

(c) 测点N3与测点O3
图5 测点频谱图
Fig. 5 Spectrogram of measuring point

图6 测点主振频率分析
Fig. 6 Dominant frequency of vibration of measuring points
基于X、Y、Z三个方向PPV监测结果以及合成PPV结果,分别计算不同减振孔直径条件下减振孔的隔振率,结果如

(a) 水平径向隔振率随减振孔直径的变化

(b) 水平切向隔振率随减振孔直径的变化

(c) 竖直方向隔振率随减振孔直径的变化

(d) 基于合速度的隔振率随减振孔直径的变化
图7 隔振率随减振孔直径的变化
Fig. 7 Change of vibration isolation rate along with diameter barrier hole
由
由

(a) 水平径向隔振率随减振孔排间距的变化

(b) 水平切向隔振率随减振孔排间距的变化

(c) 竖直方向隔振率随减振孔排间距的变化

(d) 基于合速度的隔振率随减振孔排间距的变化
图8 隔振率随减振孔排间距的变化
Fig. 8 Change of vibration isolation rate along with row spacing of blasting barrier hole
由

(a) 水平径向隔振率随减振孔充填度的变化

(b) 水平切向隔振率随减振孔充填度的变化

(c) 竖直方向隔振率随减振孔充填度的变化

(d) 基于合速度的隔振率随孔充填度的变化
图9 隔振率随减振孔充填度的变化
Fig. 9 Change of vibration isolation rate along with water filling proportion in blasting barrier hole
由
针对基坑爆破开挖过程中引起的爆破振动问题,通过现场试验,研究减振孔参数对减振孔减振效果的影响规律,得出如下结论:
1)当减振孔直径由59 mm增加到135 mm时,水平径向与水平切向隔振率均呈先显著增加后缓慢减少的趋势,竖直方向隔振率整体上表现为逐渐增加,基于合速度的隔振率显著增加。水平径向、水平切向、竖直方向及基于合速度的隔振率最大值分别可达85.7%、84.2%、78.7%、77.7%。
2)当减振孔排间距由500 mm增加到1 500 mm时,水平径向与竖直方向隔振率明显减小,而水平切向隔振率逐渐减小,基于合速度的隔振率先显著减小后趋于稳定。水平径向、水平切向、竖直方向及基于合速度的隔振率最大值分别可达84.6%、85.8%、82.3%、81.7%。
3)当减振孔水充填度由0增加到100%时,水平径向隔振率显著减小,而水平切向与竖直方向隔振率先增大后减小,基于合速度的隔振率先增加后逐渐减小。水平径向、水平切向、竖直方向及基于合速度的隔振率最大值分别可达81.8%、85.7%、73.5%、75.5%。
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