复杂结构体系下隧道爆破震动对房屋影响的试验研究

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N a t u r a l S c ie n c e

复杂结构体系下隧道爆破震动对房屋影响的试验研究

杨海书,林从谋,林丽群,林友辉,黄金山

(华侨大学岩土工程研究所,福建泉州362021)

摘 要:依托福州鼓山魁歧1号隧道建设工程,根据其埋深不同、左右两线高程不同的特点,采用全站仪和爆破震动自记仪,分别进行震动和沉降监测。左右隧道穿过房屋底部围岩后,房屋与隧道中夹岩形成/T 0字型结构体系,通过对不同爆源位置的监测数据分析得出,此体系使房屋两端的质点振速峰值放大2倍,空洞效应明显;振速峰值与房屋层数成正比,上一层比下一层放大111倍;先行成洞隧道可作为/减震空洞0,有效减弱后行洞开挖对先行洞侧向房屋的影响。通过沉降监测分析得出:隧道埋深不同,易导致上部房屋不均匀沉降而发生剪切破坏,应对基础做加固处理。关键词:/T 0字型结构体系;振动;减震空洞;爆破

中图分类号:U 456 文献标志码:A 文章编号:1672-3767(2011)02-0065-05

The Experimental Study for the Effect of Tunnel Blasting Vibration on

Surrou nding Buildings with C omplex Structure System

YAN G H aishu,LIN Cong mou,LIN Liqun,LIN Yo uhui,H UANG Jinshan

(Research Inst itute of Geo technical Eng ineer ing,Huaqiao U niver sity ,Q uanzho u,Fujian 362021,China)

Abstract:Based on the constructio n pr oject o f T unnel N o 11at Kuiqi,M ount Gushan,Fuzho u and accor ding to the char acter istics of different elev ations of t unnels at left and r ig ht lines w ith different depths,t he subsidence and vibrat ion wer e mo nitor ed respectively wit h electr onic total station instr uments and self -recor ding met er s o f ex plo sion vibrat ion.Aft er tunnels w ent thro ug h the underneat h of the buliding ,a /T 0structure of the r ocks among the build -ing s and tunnels w as fo rmed,thro ug h the analysis o f monito ring data at different blasting places,which made the peak of oscillation be enlarg ed tw ice at both ends o f t he building,the effect o f hole w as obvio us;the peak of oscilla -tion was dir ectly pro port ional to the st orey s o f the building and the peak o f o scillation at upper st orey w as 111times lar ger t han that at lo wer sto rey;it concluded that the tunnel line first excav ated seemed to be the damping ho le,ef -fectiv ely weakening t he effect of the anot her line ex cavatio n on the buildings at t he sides of fir st tunnel.T he analy sis of subsidence monito ring sho wed that the tunnels with different depths co uld cause the shear failure becease of une -v en settlements of surface buildings,so their foundat ions sho uld be reinfo rced.Key words:/T 0st ructur e system;v ibratio n;damping ho le;blasting

收稿日期:2010-09-07

基金项目:福建省自然科学基金项目(2006J0445);福建省交通科技发展项目(200910).

作者简介:杨海书(1982)),男,浙江温州人,硕士研究生,主要从事地下结构工程方面的研究.E -mail:yanghaishu520@163.com.

地面建筑物极易因爆破震动而产生变形、开裂和破坏失稳,因此,这一问题始终是人们关注的热点和研究的难点。众多学者对爆破产生的地震波在岩土等介质中的传播规律、危害影响及减震技术做了大量的研究。魏晓林等[1]

利用计算方法校验爆破震动对建筑物的影响,并采取试爆措施对薄弱结构进行震动监测,解决了建筑物附近爆破的设计与施工问题。李洪涛等[2]通过实测数据,探讨了不同孔径、孔深及装药结构,以及不同岩体地形和爆源位置对K 和A 值的影响。林从谋等[3-4]通过数据拟合得到泰山花岗岩地面震动速度的变化规律,提出了基于BP 神经网络的隧道掘进爆破震动预报和近铁路爆破震动控制方法。余永强等[5]总结出爆破震动

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对周围建筑物产生危害的主要影响因素,提出应尽可能采用微差爆破技术,并严格控制单段最大药量。何鹄等[6]研究了爆破震动对民房影响的大小,确定使普通民房发生破坏的地面最大质点震速为1cm/s 。冯叔瑜等[7]综述了有关学者对爆破震动效应的评估以及控制爆破震动的技术措施。陈泽观等[8]对萨道夫斯基经验公式进行回归分析,得出某场地爆破地震波传播公式。但目前对爆破震动引起的地表沉降对房屋的影响规律,及隧道爆破震动波在隧道周边复杂介质中的传播规律,还少有人研究。本文通过对福州鼓山魁岐1号隧道附近房屋的震动及沉降监测,探讨在复杂结构体系下爆破震动对临近房屋的影响规律。

1 魁歧1号隧道及其山顶房屋基本概况

福州鼓山魁岐1号隧道位于魁岐互通范围内的主线上,为小净距隧道,呈右高左低布置,平均长度317m,左右线均为四车道(315m +315m +3175m +3175m),毛洞开挖跨度1919m,隧洞净高达12m 。场址区属丘陵地貌,地形起伏大,自然斜坡稳定,线路沿北西向穿越,进口坡度约20b ~23b ,出口坡度约20b ~24b 。隧道进口段,覆土较少,基本为裸露花岗岩,附近有三幢房屋:1号房屋,建于左右线隧道上方斜坡上,距隧道最近距离约715m,当两隧道穿过房屋底部围岩后,房屋、隧道、中夹岩便形成复杂的/T 0字型结构体系。为防止房屋不均匀沉降,在基础下侧加强支护,增强整体稳定性。2号房屋位于左隧道的左侧。3号房屋原位于左隧道洞口正前方,为了避开已规划的线路,整体向左移动30m 。房屋为2至4层砖混结构,建于20世纪30年代,属于历史风貌建筑,具有历史价值,被相关部门鉴定为重点保护古建筑。其结构已老化,但墙体较厚,仍具有较强抗震性能。隧道与房屋的具体分布位置如图1

所示。

图1 隧道上方房屋位置分布图

F ig.1 T he dist ribution map of buildings abov e t

unnels

图2 测点布置平面图

F ig.2 T he location plan o f monito ring po ints

2 测点布置及监测数据

房屋测点一般选择在稳固的基础上,或在窗台、墙角等易发生震动破坏部位。1号建筑物为重点监测对象,布设5个测点,测点1,3和5布置在房屋基础上,测点2,4布置在二层的窗台;2,3号建筑物基础上各布置一个测点,分别为测点6,7。测点布置祥见图2。每个测点布置3个传感器(垂直速度传感器1个,水平速度传感器2个),并使其与被测物固结为一个整体,监测质点震动速度的3个方向分量。

选取代表性的4次爆破(即爆源一至爆源四)作为监测对象,每次7个测点,总药量均为74kg,单段最大药量均为8kg,监测数据如表

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1所示,爆源位置和测点速度峰值关系曲线如图3~图5所示。

表1各测点监测数据汇总表

T ab.1T he summary sheet of mo nitor ing data at all points

爆源位置测点编号距爆源距离/m径向速度峰值/(cm/s)切向速度峰值/(cm/s)竖直向速度峰值/(cm/s) 118114261144311472

22111444115111538

346111031121611192爆源一449111371125911283 521113531144111462

658017830174501809

777015670146101599

140110841112111162

243111171110411217

3221125811233112爆源二425113111133511296 525112121127411328

4110251105111083

768016770172501798

130212582140521869

233212692151221906

338118352125121178爆源三441119012116721312 536115521140611688

6600151701498013

779015010151201622

150212982109421117

253213772125221301

320214022133921212爆源四423218212157521443 53811906115761184

625117242105921122

73011568117011157

同时在测点1和测点3位置分别布置一个沉降观测点,连续观测近2个月,即从爆源一爆破开始至隧道打通,观测值变化曲线如图6、图7所示。

图3爆源位置和各测点径向速度峰值关系图

Fig.3T he r elatio n diag ram betw een blasting sites and radial speed peaks at all monitor ing po int s

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图4爆源位置和各测点切向速度峰值关系图

F ig.4T he relat ion diagr am betw een blast ing sites and tang ent speed peaks at all monit or ing points

图5爆源位置和各测点竖直向速度峰值关系图

Fig.5T he relation diag ram between blasting sit es and v ertical speed peaks at all monito ring po ints

图6测点1沉降变化速率与累计值图

Fig.6T he settlement var iation rate and cumulativ e value at N o.1o bserv atio n point

3测试结果分析

由表1和图3~图5可以看出,爆破震动波在/T0形结构体系中有以下传播规律。

1)分析测点1~4处的监测数据,发现对爆源三、爆源四监测得到的震速峰值,明显大于对爆源一、爆源二监测得到的震速峰值,将近放大2倍。测点5,位于两隧道之间,震速变化不大,震速在中夹岩衰减受爆源位置影响较小。

图7测点3沉降变化速率与累计值图

Fig.7T he settlement var iation rate and cumulativ e value at N o.3o bserv atio n point

2)位于二楼的测点2、测点4震动峰值要略大于其对应位置房屋基础上的测点,说明随楼层的增加,震动峰值也变大,其增大比例系数为111。分析对比爆源三和爆源四分别对测点1、测点3的影响,发现测点1的监测值要略大,说明隧道埋深越浅对上部房屋震动影响越大。

3)由测点6、测点7处监测数据可以得出,爆源三对其震动影响较小,爆源二对其震动影响较大。这说明左洞掘进成洞后,相当于形成/减震空洞0,对震动波有一定的削弱作用,一定程度上保护了2,3号房子。

根据5爆破安全规程6[9],质点震动频率范围为20~60H z,质点震动速率最大安全允许值为213~218 cm/s。测得最大震速为21906cm/s,位于2楼测点2,略大于最大安全允许值,爆破时屋顶有瓦片掉落。

由图6、图7可以看出,地表沉降变化值随爆源位置变化有以下规律。

测点1的沉降变化曲线,随着测点与隧道开挖面的距离由远(爆源一)到近(1号房屋),再由近(1号房屋)到远(爆源四),呈抛物线形,总累计沉降值达到2cm;测点3的沉降变化曲线与测点1正好相反,总累计上升值达到2cm。这说明两隧道埋深不同,对地表沉降变化也不同。

4结论

1)对于埋深不一样的两隧道,埋深越浅对上部房屋影响越大,导致上部房屋不均匀沉降,极易发生剪切破坏,应当加固基础,加强房屋整体性能。

2)隧道空洞对其上部建(构)筑物有震动放大效应,放大系数为2;震动影响与房屋层数成正比,上一层比下一层放大111倍。隧道中夹岩处,震速受影响较小。

3)先贯通其中一个隧道,形成了一个很大的/减震空洞0,对另一隧道施工带来的地震波有很大的削弱作用,有效保护了先行洞侧边建构(筑)物。

爆破震动对房屋的影响规律错综复杂,涉及到众多学科,对类似工程,应先重点考虑周边环境因素,进行综合评估,确立最优施工方案。

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