抗滑桩开挖爆破振动对民房影响研究

吴建兵 ,杨招伟 ,张文龙 ,陈步高 ,徐驰

（1 浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311121；
2 长江水利委员会长江科学院，湖北武汉 430010；
3 防灾减灾湖北省重点实验室（三峡大学），湖北宜昌 443002）

钻孔爆破目前仍是工程建设过程中岩体开挖的主要手段。岩体开挖时，炸药爆炸释放的能量除用于岩体破碎外，一部分能量还以地震波的形式向外传播，不可避免地对传播路径上的民房等造成影响。

爆破对周边民房等建筑物的影响评价大多采用振动监测的方法对整个开挖过程进行控制[1-3]。随着我国居民法律意识及环保意识的增强，爆破负面效应对邻近民居的影响越来越受到人们的关注，极有必要开展爆破振动作用对周边民房的影响分析研究。

本文通过分析四川白鹤滩水电站迁建集镇抗滑桩开挖爆破实测振动数据，参照萨道夫斯基公式对振动波传播规律进行回归分析，并结合爆破相关安全控制标准，确定了爆破振动影响范围，对其作用下的民房破坏情况进行了评估，提出了相应的工程控制措施。

四川省宁南县白鹤滩镇迁建新址位于原白鹤滩镇下游3.2km 的新建斜坡上。新址位于该斜坡中部，东侧边界为1 号公路，南侧边界为2# 冲沟，北侧边界为5# 冲沟，场地地势西高东低，高程在830～1060m 之间，有一定的起伏，地形坡度总体较陡（约20°）。白鹤滩镇规划新址西接白跑公路，为原白鹤滩镇与跑马乡通乡的重要连接道路。迁建集镇开挖爆破开挖区与民房分布如图1 所示。

图1 白鹤滩迁集镇开挖施工区与民房分布

迁集镇抗滑桩开挖爆破采用垂直中空直眼掏槽爆破法，选取2# 岩石乳化炸药，非电毫秒雷管(1～20 段)，32mm×20cm 规格的药卷。用炮泥堵塞所有装药炮眼，堵塞长度不小于25cm。为保证炸药起爆的可靠性和准确性，采用复式起爆网路。

由图1 可知，开挖区附近分布有大量民房建筑物（新建村民居），且基本都在征地红线以外，周边房屋及其他生活基础设施不可避免地会受开挖爆破影响。

振动作用下民房等建筑物的动力响应程度与振动峰值、频率，民房结构特征等密切相关，用结构对爆破振动的响应，可以很好解释爆破引起的建筑或结构的损伤。建筑物在动荷载作用下产生裂缝的根本原因，就是建筑物各部分在扰动作用下产生的不协调位移或运动。

建筑物在一个振动脉冲传播经过时，其本身受应力波的能量影响，在输入脉冲的振动频率段内将产生受迫振动。当该脉冲完全经过后，建筑物将进行自由振动，频率为自振频率，采用其自振波形可得到建筑物的自振频率。为估算结构的自振频率，Newmark和Hall（1982）建议了如下所示的简单公式：

式中：L 为建筑物的宽度，h 为建筑物的高度。

白鹤滩迁集镇附近土坯房宽约7～10m，单层高度5m 左右，两层砖房高约8～9m，根据式（1）可估算其自振频率约在20～40Hz 之间。

针对不同类型民房等建筑物进行爆破振动影响评价时，应分区使用不同的安全判据和允许标准。根据白鹤滩迁集镇爆破开挖可能影响区内民房的调查结果，依照相关标准[4]，建议白鹤滩迁集镇安全控制爆破振动标准如表1 所示。

表1 白鹤滩迁集镇安全控制爆破振动标准

3.1 振动速度分布

对白鹤滩迁集镇抗滑桩开挖爆破共进行了42 次监测，获取有效振动数据126 个（每点次包含水平径向、水平切向及垂直向三个方向，42×3=126），分析新建村房屋受爆破的影响。

监测仪器采用TC-4850 爆破监测仪，由成都中科测控有限公司生产，测试精度为0.001cm/s，振动幅值测试范围为0～34.5 cm/s，采样频率为8000Hz，所用三向振动传感器频响范围为0～1000Hz。

按高于允许标准上限、允许标准阈值范围、低于允许标准下限这三个区间，对不同主频的实测峰值振动速度进行了统计，测试点距离爆源均在不同距离范围内，统计结果如图2 所示。

从图2 可以看出，实测爆破振动数据中88.9%的振动峰值低于允许标准下限，不会影响该区域内的建筑物；
9.8%的峰值在允许标准上限与下限之间，依照规范处于损伤阈值范围；
1.3%的峰值超过标准上限，砖房和土坯房等民用建筑受其危害较大。

图2 民居爆破振动频率分布

3.2 爆破振动衰减规律

爆源参数和场地条件与爆破地震波的衰减有较大关系，目前国内预测爆破地震波衰减规律，普遍采用萨道夫斯基公式，如式（2）所示：

式中：ν 为峰值质点振动速度，cm/s；
Q 为单响药量，kg；
r 为爆心距，m；
K、α 是与爆破方法、场地条件相关的系数。

选取2019 年3 月30 日抗滑桩掏槽爆破结果，评估掏槽爆破对周边民房的影响。在试验区后方布置4 个振动测点（图3），实测爆破振动结果如表2 所示，2# 测点典型振动波形如图4 所示。

表2 试验区爆破振动监测结果

图3 爆破振动测试点布置示意图

图4 2#测点实测波形

爆破振动的拟合结果如图5 所示。图中，R2为表征拟合程度高低的相关系数。可以看出，水平径向、水平切向和竖直向三项PPV 拟合效果良好，拟合系数都在0.8 以上。

图5 典型爆破诱发振动拟合结果

3.3 民房等建筑物安全控制措施

（1）抗滑桩掏槽爆破时，要严格控制最大单段药量。通过分析爆破地震波的传播与衰减规律，得出了不同单段药量与爆心距的关系，如表3 所示。

表3 爆心距与允许单段最大药量关系表

采用高精度毫秒雷管，选取合适孔间、排间间隔时间，将爆破总药量分配到各个爆破部位，可降低单段起爆药量。

（2）装药前认真检查各个炮孔成孔情况及抵抗线大小，及时调整爆破装药量。

（3）抗滑桩掏槽爆破过程中，降低岩体夹制作用，且应合理选择掏槽方式。

（4）严格保证堵塞质量，控制堵塞长度，做好炮孔堵塞工作；
为避免爆破飞石伤害事故，堵塞物中严禁夹杂碎石。

针对白鹤滩迁集镇抗滑桩的掏槽爆破开挖问题，用半年时间对周边建筑物进行跟踪监测，研究爆破振动对民房的影响，得到如下结论：

（1）结合国家规程规范，通过对房屋结构和现场勘测分析，提出了适合白鹤滩迁集镇抗滑桩在掏槽爆破作用下影响周边民房的安全控制振动标准；

（2）较国标中规定的土坯房安全控制标准来看，建议标准偏保守，但从控制爆破开挖对周围的环境影响及减少民事纠纷的角度来看，在满足施工要求的前提下，其用于该工程是合适的；

（3）当爆破最大段药量控制在30kg 内，振动不会对新建村民房造成损害。同时应加强现场管理，由爆破飞石引起的民房损害事故，可采用保证炮孔堵塞质量和堵塞长度的方法来避免。