后建基坑爆破振动作用下先建基坑围护结构的稳定性研究

后建基坑爆破振动作用下先建基坑围护结构的稳定性研究

张晓川,赵文平,赖海明,周加友,石潇雅

中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610081

摘要 共建换乘城市地铁车站基坑工程由于所处坚硬岩层，难以采用机械方式开挖，需要采用工程爆破的方式。然而，后建基坑爆破开挖时产生的地震波不可避免的会对先建基坑的围护结构产生一定的影响。因此，文依托深圳地铁15号线流塘站基坑开挖工程，借助Midas GTS的动力分析模块，重点研究后建基坑在不同爆破开槽形式下先建基坑围护结构的振动特性，并以此对先建基坑的稳定性进行分析，最终给出相应的施工建议。

关键词 换乘车站基坑；爆破振动；围护结构；振动特性

中图分类号 文献标识码：ADOI：

近些年来，随着我国经济持续高速的发展以及新型基础设施建设规模的进一步扩大，城市中深大建筑基坑以及地铁车站基坑的项目建设如雨后春笋般层出不穷，处于岩层、土岩组合地层条件下的基坑工程也越来越多，因此，国内诸多学者对爆破振动作用下岩质基坑的稳定性展开了一系列的研究。覃卫民[1]等学者采用分析现场监测数据的方法，对深基坑附近房屋裂缝的成因进行了分析，高坛[2]等学者采用数值模拟与理论分析相结合的方法，对岩质基坑开挖爆破作用下邻近污水管道的稳定性进行了研究，张玉琦[3]等学者依托武汉地铁8号线洪山路站—小洪山站某竖井基坑工程，采用数值模拟与分析现场监测数据相结合的方法，对地铁基坑开挖爆破作用下邻近高层建筑的动力响应特性进行了研究。

由目前关于爆破振动作用下岩质基坑稳定性的研究可知，针对爆破振动作用下换乘共建地铁车站基坑稳定性的研究相对较少。如何在后建地铁车站基坑爆破振动作用下确保先建地铁车站基坑的稳定和安全，是亟待解决的工程问题。本文依托深圳地铁15号线流塘站基坑开挖工程，采用数值模拟的方法，借助Midas GTS的动力分析模块，重点研究15号线流塘站基坑（后建基坑）在不同爆破开槽形式下对12号线流塘站先建基坑围护结构的振动特性，并以此对先建基坑的稳定性进行分析，最终给出相应的施工建议。

1.1工程概况

深圳地铁12号线与15号线的换乘车站流塘站位于深圳市宝安区前进二路与流塘路交叉口，其中12号线流塘站沿前进二路南北向敷设，15号线流塘站沿流塘路东西向敷设，两站呈T形换乘。12号线流塘站基坑标准段及换乘节点段宽度为26m，端头井段宽度为32m，基坑标准段及端头井段深度为21m，换乘节点段深度为27m。15号线流塘站全长194m，基坑标准段宽度为28m，端头井段宽度为32m，基坑深度约为27m。

图1 流塘站平面图

1.2区间地质情况

依据勘察揭示，流塘站场地范围内地层自上而下依次为：素填土、填块石、粉质黏土、硬塑状砂质黏性土、全风化混合花岗岩、土状强风化混合花岗岩、块状强风化混合花岗岩、中等风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩。场地内上下部地层的物理力学性质具有较大差异，其中上部土层较软弱，稳定性较差，下部岩层较坚硬，是良好的持力层。

图2  15号线流塘站基坑纵断面地质剖面图

2  后建基坑爆破方案

15号线流塘站基坑底部岩石的爆破采取从基坑中部开槽形成临空面，由中间向两端进行爆破的方案，同时遵循“水平分段、竖向分层”原则进行爆破开挖。水平方向上将15号线流塘站基坑分为A、B、C三个子基坑分段爆破，这三个子基坑爆破开挖的顺序依次是：C、B、A，同时每个子基坑的爆破开挖同样采取水平分段爆破的方式，水平每小段长度约为10m。竖直方向上将15号线流塘站基坑底部需要爆破开挖的中等风化混合花岗岩层分为2层，每层高度约为3m。

图3  15号线流塘站基坑岩石爆破开挖水平分段示意图

由于15号线流塘站基坑的子基坑B、C距离先建基坑（12号线流塘站基坑）的围护结构较远，而子基坑A与先建基坑相连，并且共用围护结构，因此，这里重点研究15号线流塘站A基坑爆破开挖对先建基坑围护结构稳定性的影响。

15号线流塘站基坑底部岩层爆破时，首先需要在立柱与地连墙之间爆破开挖一条切割槽，自由面（临空面）的存在不但可以减小爆破阻力、降低夹制作用的影响，而且还可以使压应力波反射成拉应力波，使岩体发生剪切破坏，从而改善爆破效果[6]。因此，切割槽开挖产生的爆破振动要大于后续爆破产生的爆破振动。基于此，本章研究的一个重点就是不同尺寸、形态的切割槽爆破开挖对先建基坑围护结构稳定性的影响，并以此确定出最有利于先建基坑围护结构稳定性的切割槽形式。

本问拟采用的切割槽形式如下：

（1）A形式切割槽

为了更加方便的添加爆破荷载，现将炮孔所在区域简化为一个尺寸为6m×4m×3m的长方体形切割槽。A形式切割槽的尺寸、空间位置以及炮孔的布置如图4所示。

图4  A形式切割槽示意图（单位：m）

（2）B形式切割槽

为了更加方便的添加爆破荷载，现将炮孔所在区域简化为一个尺寸为12m×2m×3m的长方体形切割槽。B形式切割槽的尺寸、空间位置以及炮孔的布置如图5所示。

图5  B形式切割槽示意图（单位：m）

（3）C形式切割槽

为了更加方便的添加爆破荷载，现将炮孔所在区域简化为两个并排的相同长方体形切割槽，单个切割槽的尺寸为6m×2m×3m。C形式切割槽的尺寸、空间位置以及炮孔的布置如图6所示。

图6  C形式切割槽示意图（单位：m）

3后建基坑爆破振动作用下先建基坑围护结构的稳定性研究

3. 1  先建基坑围护结构爆破稳定性评判标准

振动速度和振动频率是评价动力荷载作用下结构稳定性的主要指标。由于爆破振动频率远大于一般建（构）筑物的自振频率，可以认为对建（构）筑物的破坏影响较小，因此这里主要采用振动速度来评价。在以振动速度评价爆破振动对建（构）筑物的稳定性方面，目前我国主要是采用质点峰值振动速度（PPV）这一指标进行评价[8]。而质点峰值振动速度的控制标准主要是在现行的《爆破安全规程》（GB 6722-2014）[9]前提下，综合考虑具体的工程情况确定的。考虑到施工周边建（构）筑物距离先建基坑围护结构较近，若先建基坑围护结构的质点峰值振动速度控制在安全范围内，那么就可保证先建基坑主体结构及周边建（构）筑物的稳定与安全，因此先建基坑围护结构的安全振动速度标准取现行爆破安全规程中一般民用建筑物的最小安全允许质点振动速度，即1.5cm/s。

3. 2  不同开槽形式对先建基坑围护结构稳定性的影响

围护结构上爆破振动监测点的合理选取是分析爆破地震波特性以及围护结构稳定性的重要前提[10]。为了对比分析不同工况下12号线流塘站基坑（先建基坑）地连墙迎爆侧爆破地震波的传播规律，本节以三个平面（爆源所在水平面、换乘节点中心截面以及12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧所在平面）的交点为交叉中心，在交叉中心沿12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧竖直方向及水平方向布置监测线，监测线的位置如图7所示，水平方向监测线中相邻监测点之间的距离为4m，竖直方向监测线中相邻监测点之间的距离为2m。

图7  12号线流塘站基坑地连墙监测线布置图

（1）A形式切割槽爆破开挖作用下先建基坑围护结构的振动特性

A形式切割槽爆破开挖作用下12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧、盖板以及立柱质点峰值合振动速度的分布如图8所示。

由图12可知：1）从水平方向上看，由于临近爆源，12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度的较大值主要集中在12号线流塘站基坑和15号线流塘站基坑共用围护结构处，即流塘站的换乘节点处，并且质点峰值合振动速度呈现出从换乘节点向两侧逐渐减小的趋势；2）从竖直方向上看，质点峰值合振动速度从爆源所在水平面沿竖直向上方向先逐渐减小，随着高程的增加，质点峰值合振动速度再逐渐增大，呈现出明显的“高程效应”，即：在一定范围内，高程对爆破地震波的传播具有较大的影响，容易产生爆破振动的高程放大效应[11]；3）12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧交叉中心处的质点峰值合振动速度（4.1034cm/s）大于其它位置，是最危险的部位，如果此处振动速度过大可能会导致地连墙出现裂缝，进而影响基坑的安全。

图8  地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度云图

（2）B形式切割槽爆破开挖作用下先建基坑围护结构的振动特性

B形式切割槽爆破开挖作用下12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧、盖板以及立柱质点峰值合振动速度的分布如图9所示。

图9  地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度云图

由图9可知：1）B形式切割槽爆破开挖，12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度的分布规律与A形式切割槽爆破开挖的分布规律基本一致，但爆破振动的高程效应显著加剧，换乘节点处地连墙的质点峰值合振动速度明显增大；2）12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度的最大值为5.0528cm/s。

（3）C形式切割槽爆破开挖作用下先建基坑围护结构的振动特性

C形式切割槽爆破开挖作用下12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧、盖板以及立柱质点峰值合振动速度的分布如图10所示。

图10  地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度云图

由图10可知：1）C形式切割槽爆破开挖，12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧、盖板以及立柱质点峰值合振动速度的分布规律与A形式、B形式切割槽爆破开挖的分布规律大致相同，但爆破振动的高程效应得到了缓解，换乘节点处地连墙的质点峰值合振动速度显著减小；2）12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧质点峰值合振动速度的最大值为2.0749cm/s。

（4）不同开槽形式对先建基坑围护结构稳定性的影响

图11为A形式、B形式、C形式切割槽爆破开挖工况下，12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧水平方向监测线上各监测点的峰值合振动速度。

图11  不同形式切割槽爆破开挖水平方向上各监测点峰值合振动速度

由图11可知，三种不同的工况下，质点峰值合振动速度的变化趋势基本一致，B形式切割槽爆破开挖水平方向各监测点峰值合振动速度最大，A形式切割槽爆破开挖次之，而C形式切割槽爆破开挖水平方向各监测点峰值合振动速度最小。参考爆破的稳定性要求，B形式切割槽爆破开挖在水平方向上对12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧的影响控制在距换乘节点中心截面36m以内，A形式切割槽控制在距换乘节点中心截面28m以内，C形式切割槽控制在距换乘节点中心截面8m以内。因此，C形式切割槽爆破开挖在水平方向上对12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧的影响范围最小。

4  结论

本文采用数值模拟的方法，借助Midas GTS的动力分析模块，重点研究了15号线流塘站基坑（后建基坑）在不同爆破开槽形式以及不同微差爆破间隔时间下12号线流塘站基坑（先建基坑）围护结构的振动特性，并以此对12号线流塘站基坑的稳定性进行了分析，得到的结论如下：

（1）15号线流塘站基坑爆破开挖对12号线流塘站基坑地连墙的影响主要集中在换乘节点处。

（2）12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧的振动速度以水平径向（X方向）和竖直向（Z方向）为主，水平切向（Y方向）振动速度很小；12号线流塘站基坑地连墙质点峰值合振动速度的最大值位于交叉中心（爆源所在水平面、换乘节点中心截面以及12号线流塘站基坑地连墙迎爆侧所在平面的交点），从交叉中心到地连墙顶部，质点峰值合振动速度先减小后增大，呈现出明显的高程放大效应，从交叉中心到地连墙两侧，质点峰值合振动速度逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小。

（3）C形式切割槽爆破开挖对12号线流塘站基坑地连墙影响是最小的，因此，可以认为采用C形式切割槽最有利于12号线流塘站基坑围护结构的稳定。

参考文献

[1]覃卫民,逄铁铮,王浩,等.深基坑附近房屋出现裂缝的施工监测分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(03):533-540.

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[3]张玉琦,蒋楠,周传波,等.地铁基坑爆破振动作用邻近高层框架建筑物结构动力响应[J].煤炭学报,2019,44(S1):118-125.

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[11]刘光汉,周建敏,余红兵.爆破振动高程放大效应研究[J].矿业研究与开发,2015,35(12):84-87.