隧道爆破对地表建筑物的危害及防治

【摘要】随着城市规模及人口的快速增长，城市地表交通已经很难满足城市发展的需求。城市的地铁隧道工程发展越来越迅速，尽管安全、噪声小的盾构法施工得到了巨大的应用。但由于成本的限制，钻爆法依然是城市地铁隧道建设的主要施工方法。其在施工中无可避免的产生爆破震动效应，不仅影响工程效率还威胁到周围建筑物的安全。如何控制爆破震害提高工程效率已成为隧道爆破施工的关键问题。

【关键字】地铁隧道；爆破震害；控制爆破震害

1.1爆破地震波产生阶段影响因素分析

1.1.1炸药的影响

炸药的影响包括炸药种类的影响和炸药量的影响。目前业界的大部分专家学者认为炸药种类不同对爆破地震波影响也不同。实验表明：作为炸药重要性能参数之一的爆轰压力对爆破震动大小和频率有影响，炸药的爆轰压力上升时间越短，爆破震动越大，爆破震动波的频率也越高。从炸药的波阻抗方面讲，如果炸药的波阻抗与岩石、土的波阻抗相近的情况下，爆破损失的能量少，炸药的能量传递的效果良好，爆破的震动效果就降低；反之爆破损失能量大，而损失的能量会增强爆破的震动。

1.1.2 段数的影响

段数的影响主要体现在降震效果和延长爆破地震波作用时间。研究表明分段装药比不分段装药的降震效果好30%-50%。随着炸药的段数增加，地震波的主震相会相应的降低，但是地震波的作用时间会增长，所以段数也不是越多越好。合理的装药段数，既能减少爆破作用时间又能降低爆破地震波的主震相，因此可以有效的降低震动效应。

1.1.3 装药结构形式的影响

这里主要分析耦合装药和不耦合装药的装药结构形式。试验表明：在一定岩石和炸药条件下，采用不耦合装药（或空气柱间隔装药），可以增加用于破碎或抛掷岩石的爆破能量，提高炸药能量的有效利用率，降低药量使用。与亲合装药相比它降低质点振动速度峰值，降低了爆破震动的效果。

1.1.4 起爆方案的影响

岩土爆破作业中有很多爆破方式（定向爆破、预裂、光面爆破、微差爆破、控制爆破等），不同的爆破方式对爆破地震波的产生有不同影响。通过研究发现当起爆方向线与保护目标垂直时，振动速度峰值最大，药包组成直线布置会加强垂直方向的地震波。对于毫秒级的微差爆破来说，延迟不同的时间间隔引起的爆破振动强度也不同。

1.2 爆破地震波传播过程中的影响因素分析

1.2.1大地系统的地质条件

大地系统的地质条件主要考虑的是爆破周围的地形、地表覆盖层厚度、断层等。同时研究表明，场地地表覆盖土对地震波的作用时间也有影响。相关研究表明：地形地质条件对爆破地震波传播的方向性和质点振动速度峰值有影响。岩体介质中的断层和不连续体对爆破地震波的传播起阻碍和衰减作用，所以在爆破控制有时会采取挖沟的措施来起到减震的目的。

1.2.2距离因素

在这里距离因素主要指水平距离和竖直高差。在水平距离方面，研究资料表明：随着距离的增加，爆破地震波由于介质的阻尼作用强度降低，地震波的频率也慢慢的向低频段发展，但作用时间会增长。在竖直高差方面，周围正高差对爆破地震波效应有放大作用，负高差对地震波则效应是减低作用，因此在爆破危害控制中需要考虑高差的影响。

2 爆破震动对建筑物的破坏

2.1建筑物的结构特性

建筑物结构可分为三个部分：地基结构、上部结构及地基以下的土或岩体等地质体结构。每一部分的结构不同，它所表现出来的结构特性也不同。我们既要了解建筑物结构的状态、结构频率，还要了解结构的重要性和危险程度。根据不同的建筑物特点取不同的保护防范措施。上下部结构好的建（构）筑物，它体现出来的抗震能力较好；反之，那些地基薄弱（土或石块地基）、上部结构老旧、形式简单的建（构）筑物结构，则会表现出较差的爆破震动抗性。

2.2 爆破地震波与建筑物的响应

2.2.1 建筑物的固有频率

爆破地震波的频率对建筑物的破坏有很大的关系。地震波频率的大小与建筑物的固有频率有很大的相关性。频率在结构动力破坏中有重要影响，表现为两个方面：地震波频率是外部因素，结构频率是内部因素。如果地震波频率较低，半波长大于建筑物结构的特征尺寸时，结构震动明显。

2.2.2 地震波对建筑物的作用时间

大量工程实践表明：随着地震波作用时间增长，地震波应力对建筑物的作用时间也增长，建筑物就越容易发生破坏，这就是所说的损伤的累积。一两次的爆破作用（地震波应力的作用时间有限）可能不会对建筑物产生实质性的破坏，但是多次甚至是无数次（应力作用时间足够长）的爆破作用下，建筑物就有可能因为累积损伤增长到了一个临界值而发生变形、失稳甚至破坏。所以在爆破震动危害控制时应考虑作用时间的影响。

3 减震爆破措施及其机理

根据爆破地震波的传播方式及破坏机理，目前隧道爆破的控爆减震主要从三方面入手：（1）针对受控对象采取措施；（2）针对爆破地震波的传播取措施；（3）针对爆源采取措施。

3.1 针对爆源及爆炸地震波传播采取的措施

3.1.1 预裂隔震带降震法

隧道爆破所产生的爆炸应力波以柱面波的形式向外传播，如没有阻隔，将直接进入围岩，使围岩产生较大的震动危害，不利于围岩的稳定。预裂爆破就是通过在爆源的周边设置预裂带，将保护的目标结构与爆心隔开，以阻断主炮孔爆破所产生的爆炸波直接向围岩传播，从而减少爆破震动对围岩的危害，也就减小了建筑物地基沉降的危害。

3.1.2 多段微分爆破减震法

多段微差爆破的降震原理包含如下两个方面：（1）药量微分原理，即是增加爆破孔的数量，减少单孔的药量，将爆破的药量分成多段分别起爆代替一次起爆，震动波的峰值主要受单段药量控制。这样在炸药总量保持不变的情况下，炸药在爆岩体内得到更均匀的分布，从而使爆破效率更高，炸药爆炸产生的能量大部分用来破碎岩石，从而达到减震的目的。（2）多段延时原理，即增加一次爆破的起爆段个数，减小最大起爆药量。一次爆破，药量是一定，当段别数增加，则每次爆破的单响药量就会减少，爆破所引起的震动就会减小。

3.1.3 调整装药及装药结构减震法

工程中有时也通过改变炸药装药和炸药结构来实现降震的目的。如根据岩体特性确定炸药装药的性质，使其波阻抗更匹配，改善爆破效果，提高炸药有效利用率，减小爆震动的有害影响，实现减震。

3.2针对受控对象采取的措施

（1）掌握建筑物的结构特性。

（2）加强薄弱点或薄弱地带的爆破震动监测。

（3）对建筑物采取必要的防范措施。

4对爆破震动灾害控制的展望

通过本文的研究，一定程度上明确了爆破振动作用下地表质点及临近建筑物振动响应规律，但由于爆破振动受周围复杂的环境影响，并且地震波本身也具有随机性、复杂性。因此无法十分精确地对一次爆破作用中建筑物的损坏作出准确的预测。而且实践发现爆破震动的累积损伤更为常见，而国家标准对这方面的规定也乏善可陈。我们在未来的研究中应该更加注重这些问题，加强对爆破震灾的控制和预防，为我国新时期的建设提供更多的科学依据，加速我国现代化的进程。

参考文献：

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[2]薛 里，孙付峰，施炎龙，等.青岛地铁隧道爆破开挖振动控制研究[J].铁道工程学报，2011（5）：100-103.