随着我国经济的快速发展, 城市轨道交通建设规模越来越大。地铁在轨道交通中占有重要地位, 地铁建设前期需要进行竖井开挖。在岩石地层主要采用爆破施工。爆破施工便捷、高效, 但不可避免地会对周边环境带来一定程度的负面影响。因此进行爆破施工时, 需要对施工区域进行严格监控, 尽可能降低爆破带来的不利影响^[1,2,3,4,5]。

不合理的爆破振动会给周边环境带来巨大的危害。在矿山开挖方面, 爆破产生的动荷载会诱导崩塌等地质灾害的发生^[6,7]。在城市建设方面爆破施工会带来振动、噪声与飞石等。其中爆破振动带来的危害较为严重, 由于振动引发建筑物的破坏方式主要有3种:直接导致建筑破坏、加速建筑物损伤以及间接诱发建筑物的破坏。赵京林等^[8]对爆破振动的作用机理进行了分析, 振动强度主要受振速的影响较大。因此在施工中需要对振速进行监控并严格控制振速大小^[9]。

目前, 国内外关于求解爆破作用下质点振动速度的研究较多, 萨道夫斯基等人通过大量研究, 提出萨道夫斯基经验公式^[10]。针对经验的不足, 许海亮等^[11]提出了与工程实测值更接近的修正公式。关于振速的控制与优化, 张华等^[12]通过合理改变孔网参数降低振速。张晓今等^[13]通过在复式楔形掏槽之间打设一阶掏槽对振速进行优化。

鉴于系统优化振速研究较少的情况, 本文以青岛地铁1号线的起峨区间竖井为研究对象, 对影响振速的因素进行全面分析, 通过合理改变爆破参数, 实现对爆破振速的优化控制。

青岛地铁1号线起峨区间采用站前折返线, 为满足通风要求, 在区间起点结合区间的废水泵房处设置1座竖井, 同时兼作临时风井。竖井开挖尺寸为5m×8m, 结构净空为3.7m×6.7m, 深度达34.26m。竖井采用倒挂井壁法施工, 初期支护采用喷锚支护结构。根据详勘地质钻孔揭示, 竖井主要位于中微风化岩, 因此在对竖井进行开挖时需采用爆破施工, 设计爆破振速为1.5cm/s。

起峨区间竖井主要位于青岛市黄岛区长江西路北侧, 大山物流以西, 原成高亮汽修厂内。周边建筑物多为1～3层砖混结构及简易房, 其中大山物流院内距离竖井结构最近的一处民房水平距离约3.7m, 建设年代久远, 房屋存在多处既有裂缝, 基础结构形式为毛石条基础。

该项目工期紧张, 为了确保工期, 提高施工进度, 要求竖井开挖每次循环进尺为1.0m。在进行爆破施工过程中, 对竖井爆破的振速进行了监测, 结果如表1所示, 其中爆破振速控制值≤1.5cm/s。以2016年7月5日为爆破时间起点, 绘制爆破振速-时间曲线如图1所示。

由图1可以看出, 竖井爆破振速最小值为0.91cm/s, 依据监测数据求出26d的振速平均值为1.35cm/s, 小于爆破振速控制值1.5cm/s。从图中还可以看出在达到最小值之后, 曲线呈明显的上升趋势, 达到1.37cm/s之后出现小范围波动, 并逐渐趋近于爆破控制值, 曲线最高点为1.48cm/s, 因此需要及时采取相关措施降低后续爆破的振速。

为有效控制并降低爆破振速对周边环境的影响, 依据每次竖井爆破振速的统计进行数据分析, 得出导致竖井爆破振速超过1.0cm/s的主要因素分析如表2所示。

为了更直观地进行因素分析, 将影响因素绘制成排列图如图2所示。

从图2可以看出, 7月份爆破总数为24次, 其中施工方式不合理次数19次, 占到了总比例的79.2%。作业人员经验不足占总比例的8.3%, 地面交通影响、监测仪器及方法、其他各占4.2%。综上所述, 导致竖井爆破振速不断增加的主要原因在于爆破方式不合理^[14]。

针对导致爆破振速不断增大的主要诱因———爆破方式不合理进行进一步分析。通过查阅相关文献可知影响爆破质量的因素为: (1) 班组爆破工不足及现场管理人员未配备到位; (2) 现场施工没有进行及时的交底工作; (3) 工人在进行培训时出现考核不合格的情况; (4) 钻机老化与钻机在进行钻孔施工时引起的钻孔角度及深度过大; (5) 保养维修不及时; (6) 施工空间狭小, 同时在施工过程中竖井存在局部渗漏水的现象; (7) 监测点位未按照监测方案进行布置, 同时监测仪器没有进行检定; (8) 炸药选择型号不合理并且雷管段位选择较少; (9) 掏槽眼数量、装药量过大; (10) 同段装药量过大。

结合影响爆破质量的因素, 对现场施工进行检查与对比分析, 确定影响较大的3个因素为雷管段位较少、掏槽眼数量及装药量较大、同段装药量过大。

针对影响复杂环境下地铁竖井施工爆破振速的主要因素, 利用5W1H的原则制定了相关方案。

1) 雷管段位较少, 在对策上增加雷管段位并延长爆破时间, 目的在于将爆破测振仪上出现的波形图波形叠加现象进行消除, 使其出现的频率控制在20%以内。具体措施为将原来的方案中的9段位爆破段增加为15段位爆破。

2) 针对掏槽眼数量及装药量过大问题, 采取减少掏槽眼数量并充分降低掏槽眼装药量, 通过此项措施调整爆破设计使爆破振速值达到目标值。实施方案为调整爆破设计, 将掏槽眼数量从22个降低为20个, 装药量从4.4kg降低为2.8kg, 降低了36%。

3) 对于出现同段装药量过大的原因, 在施工上选择将装药量降低, 具体实施措施为调整爆破设计, 将同段装药量从2kg降低至1.4kg。

通过上述具体措施, 可以对爆破设计进行有效调整, 使得爆破振速值向目标设计值靠拢, 从而减小爆破对附近车辆交通及居民生活的影响。

通过对影响爆破振速的因素进行分析, 提出了相应的优化方案, 在实际工程中对优化方案进行实施与监测, 验证方案的可行性与优化效果。

爆破诱发的振动强度往往与同时爆破的起爆药量成正比。选用雷管进行爆破时, 在雷管段位较低的情况下, 由于爆破时间相近, 因此在进行爆破时各雷管之间产生的波动容易发生峰值叠加的现象, 从而增加了振动效应^[15]。因此在爆破施工时, 可以选用高段位雷管布设方式, 同时延长爆破时间。这是因为在高段位的雷管布设方式下, 由于雷管爆破时间的精度控制较差, 同时在延长爆破时间的情况下, 减少了同时爆破情况的发生, 使得各雷管之间产生的振动波形相互错开, 互相干扰, 充分避免了波形中的峰值进行叠加。优化方案实施起始时间为2016年8月5日, 通过对前期施工方案进行汇总, 工程施工参考分析前期爆破施工参数, 与现场实际情况进行结合, 修改原方案中的雷管段位, 由设计的11段位增加至13段位。在爆破施工现场对优化后的5次爆破进行监测, 如图3所示。结果发现爆破测振仪上的波形图未出现波形叠加的现象, 说明高段位的雷管布设, 可以通过雷管之间的相互干扰达到降低振速的目的, 优化效果良好。

前期施工方案如表3所示, 掏槽眼数量在22个左右, 最高掏槽眼数达到了26个, 同时掏槽眼的装药量较多, 平均总药量为4.7kg, 最大装药量为5.2kg。

针对上述参数, 后期施工中对爆破施工参数进行优化。在满足爆破要求的前提下, 将掏槽眼数量下降到20个, 总装药量则下降到2.8kg。优化后的爆破振速波形图如图4所示。优化前后爆破振速监测结果如图5所示。从图5中可以看出振速得到了有效地降低, 幅度在50.3%～66.7%。

对爆破进行研究表明:在进行掏槽爆破时, 为崩落爆破提供了一个较好的爆破临空面^[16]。在存在临空面的条件下, 振动波具有较好的反射效果, 从而在进行爆破时, 产生的大部分能量作用在岩体上, 而以波动形式传递出来的能量则相对较小, 对岩体起到了较好的破裂作用。因此在进行爆破施工时, 通过适量地减少掏槽眼的数量与装药量提高岩石爆破的效率并减小爆破带来的振动效应。

大山物流的建筑安全允许质点振动速度主要参照一般民用建筑物标准。暗挖隧道地下浅孔的爆破振动频率f≤20 Hz, 最小振速为1.5 cm/s。爆破安全规程爆破振动安全允许距离公式如式 (1) ^[10]所示。

式中:Q为炸药量, 延时爆破为单孔药量 (kg) ;R为爆破振动允许安全距离 (m) ;V为保护对象所在地质点振动安全允许速度 (cm/s) ;K, α分别为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

经过试爆可以得出, 式 (1) 中的K值和α值可根据爆破的经验选取。在进行实际施工中依据现场的测试振动情况及回归计算出K值大小为50, α值大小为1.8。通过式 (1) 计算出在最大段药量为1.4kg下振动值在允许范围内, 符合安全振动的要求, 绘制爆破振速波形图如图6所示。

波形图参数如表4所示, 通过工程实验验证可知, 在对同段装药量进行调整后, 爆破振速得到了有效降低。

在对爆破方案进行优化后, 统计从2016年8月10号开始的竖井爆破振速如表5所示, 优化后的目标振速值大小在1.0cm/s内。

由表5可知, 大山物流爆破振速均在1.0cm/s范围内, 满足设定的目标值。以2016年8月10日作为为爆破时间起点, 绘制爆破振速-时间曲线如图7所示。由图7可以直观地看出, 实际爆破振速曲线在设定曲线下方, 其中平均值为0.55cm/s, 最大值为0.89cm/s, 最小值为0.31cm/s, 小于目标振速1.0cm/s。

为了便于对比观察, 将优化前后竖井爆破振速绘制在一起, 如图8所示, 爆破振速从优化前的1.35cm/s下降到了0.55cm/s, 下降了59.3%, 实现了对振速的优化控制。

本文通过对青岛地铁1号线的起峨区间竖井爆破振速进行研究, 获得如下结论。

1) 影响爆破振速不断增加的最主要因素是爆破方式的不合理。其中雷管段位较少、掏槽眼数量及装药量较大、同段装药量过大等导致了振速的增加。

2) 通过增加雷管段位、延长爆破时间、减少掏槽眼数量并降低掏槽眼装药量、降低同段装药量等优化措施, 达到了降低爆破振速的目的。监测结果表明振速平均值从1.35 cm/s下降到了0.55 cm/s, 效果明显。

3) 在城市建设工程中, 降低爆破振速, 减小对周边交通及建筑带来的危害, 为后续类似工程施工提供参考。