临水深基坑爆破振动监测与控制分析——以濛浬枢纽二线船闸为例

许艳琴 高德恒

中水珠江规划勘测设计有限公司 广东 广州 510610

1 引言

在深基坑爆破过程中不可避免对周边环境及建（构）筑物会产生爆破振动影响，尤其是在临水深基坑爆破开挖，爆破振动过大可能会导致已建船闸开裂、闸墙失稳、漏水等事故灾害。国内外学者对紧邻水工建筑物环境下爆破振动进行了大量研究，在爆破振动对临近水工建筑物影响的监测与分析方面，钟权等对大渡河深溪沟水电站安装间排水廊道爆破开挖对水电站长发机组的振动影响进行分析和总结[1]；朱智斌等对老挝南俄1水电站扩机工程进水口开挖爆破振动监测中对进水口南开挖爆破影响大坝和电站厂房开展的爆破振动跟踪监测进行分析，通过有效措施控制爆破施工的影响，为爆破反馈设计和指导施工提供依据[2]。爆破振动对建筑物的破坏，主要受质点振速峰值、振动主频、持续时间和建筑物固有频率等多种因素影响[3-4]。因此在爆破施工中需要对爆破振动进行监测，通过监测成果反馈调整和优化爆破参数，减小爆破振动的危害。

2 工程概况

北江航道扩能升级北江濛浬水利枢纽新建1000t级二线船闸一座，船闸基坑长度为743m，宽度为50m，基坑开挖深度最大为19.5m，属于超大型临水一级深基坑。基坑地连墙采用双排混凝土结构，地连墙宽度为1m,两排地连墙间距为8m，地连墙外侧距一线船闸导航墙及闸室墙最近距离仅为3m。基坑范围内岩土层自上而下划分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）及第四系残坡积层（Q4dl+el）；下伏基岩为石炭系下统（C1）石灰岩、炭质灰岩、泥灰岩、炭质页岩。基坑范围内破碎条带多，岩体受挤压、扭曲严重，揭露以坚硬～中硬岩为主,采用爆破的方法进行基坑施工开挖。

3 爆破安全设计及监测方案

3.1 爆破安全设计

基坑爆破区域位于二线船闸深基坑内，爆破施工现场条件较复杂，爆区内有110kV高压线穿过以及信号塔基站，通讯基站与爆区最近点距离为20m，已建并运营的一线船闸离最近点基坑爆区仅11m，爆区北侧与正在使用的水利枢纽坝顶公路交通桥相距20m。根据爆破区域的周边环境，采用分区分片台阶爆破，减震爆破和控制单孔炸药量的方法[5]。

3.2 监测方案

爆破时需将爆破振动控制在《爆破安全规程》（GB 6722-2014）规定的安全振动范围之内，需严格监测控制飞石及爆破振动的影响。爆破监测对象的综合爆破施工方案后并结合基坑爆破区域地质情况进行预分析。已建船闸闸室墙、电信基站发射塔、坝顶公路交通桥等距离爆破区域较近作为重点监测对象，其中船闸右侧闸墙距离爆破区域最近，如振速过大会导致闸墙损伤后闸室漏水，在爆破施工中作为监测的重中之重。

4 爆破振动控制

4.1 炸药用量的震速控制

为确保爆破振动安全允许值满足相关技术规范规定。为减少爆破振动对一线船闸（最近点距离11m）、一线船闸及附属建筑物（最近点距离61m）、濛浬枢纽坝顶公路交通桥（最近点距离31m）、濛浬枢纽泄水室（最近点距离91m）、通讯塔基站（最近点距离为20m）；运行中的濛浬水电站（最近点距离为344m）的影响，分别验算安全爆破振动最大装药量，运行中的北江濛里水电站按0.5cm/s；濛浬枢纽坝顶公路交通桥按4cm/s；通讯塔基站塔基按2.0cm/s；一线船闸及附属建筑物、濛浬枢纽闸室按2.0cm/s分别进行安全校核，取其中的较小值。

4.2 爆破振动安全校核

依据《爆破安全规程》中的规定，爆破振动安全允许距离按式（1）计算。

式中：R为爆破振动安全允许距离，单位为m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位为kg；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为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（其中取K=150，α=1.6），按照规程分别计算单次爆破允许的最大段装药Qmax。各种距离条件下的最大单段装药量如表1所示。

表1 基坑爆破距离被保护物不同距离时最大单段药量

表2 船闸闸墙上、下爆破监测点振动速度成果表

表3 电信塔基站基础监测点振动速度成果表

4.3 爆破方法的震动控制

对爆破振动进行严格控制的主要是基坑区域的台阶爆破，根据振动校核的单段最大装药量与之前设计的单孔药量的对比，为充分控制爆破振动，对临近不同建构筑物的区域选择不同的起爆网络来控制最大段起爆药量[6]。爆破采用分区分台阶的方法进行，为控制爆破振动对地连墙及旧船闸的影响，爆破临空面方向与地连墙垂直，采用单孔单响起爆方式。在靠近基坑连续墙边缘时另外预留11m范围岩体为缓冲区对地连墙及一线船闸进行保护，缓冲区岩石采用孔径为50mm的小孔径、小台阶弱松动爆破施工，爆破后连续墙边预留松动石方靠挖机挖除。接近基底时，保证基底岩体完整及控制超欠挖。

4.4 爆破飞溅防护

为了防止爆破后高压气体涌出的泥石飞溅和地面隆起，严格控制单孔、单响药量，在炮孔上部先用麻袋装沙后覆盖钢板，再加压3层沙袋覆盖的防爆破飞溅措施。基坑爆破从2017年6月至2018年10月结束，单次爆破总药量最大为2310kg，由于防护到位，未发生由于岩石硬度的变化、过量装药或者覆盖不到位，引起爆破飞石造成伤亡事故，证明按照上述方案实施的飞溅防护措施是成功的[7]。

5 监测数据分析

5.1 一线船闸

（1）从2017年7月至2018年6月结束，共进行爆破40余次，2017年11月17日监测到一线船闸闸墙顶部爆破中的振动速度值在-1.39～2.33cm/s，振动持续时间在2.34～3.13s，大于该测点建（构）筑物规定的安全允许振速2.0cm/s。如图1所示，其中通道1（X轴）指向爆心，通道2为Y轴，通道3为Z轴。本次爆破振动监测质点速度对应着最近炮孔爆心距离测点的距离为15m，基坑开挖面高程距离设计底部高程为5m，爆破的炮孔直径为50mm，药卷直径为32mm，单孔装药量为3.1kg。一线船闸区域其余测次振速均小于安全允许振速2.0cm/s，主振频率大部分在5.5～86.7Hz之间。

图1 飞石防护示意图

图2 一线船闸监测点爆破振动波形图

（2）在同一次爆破中，闸墙顶部测点的振动速度总体均大于底部测点，在两次爆破钻孔数，药量基本相近的情况下对比分析爆破振动监测数据，随着基坑爆破开挖高程从上至下，一线船闸监测点的振动速度总的趋势是增大的，即随着基坑深度的逐渐增加振动速度有放大的趋势，船闸闸墙顶部测点振速最大放大倍速约2.8倍，而船闸闸墙根部测点振速随着基坑深度开挖也有放大趋势但比闸墙顶部小[8]。

（3）最大振动速度值2.33cm/s，爆破振动频率在5.5～86.7Hz之间，为客观的分析爆破振动的破坏影响，爆破完成后均对闸室进行检查巡视，未发现有新增裂缝存在。

5.2 电信塔基站监测

（1）电信塔基站爆破施工从2017年7月至2018年7月结束，共爆破监测40余次，在2017年11月5日监测到一线船闸闸室爆破中的振动速度最大值为-1.37～1.72cm/s，振动持续时间在2.65～3.84s，主振频率为16.5～124.5Hz，测值均小于安全允许振速2.0cm/s。如图3所示，其中通道1（X轴）指向爆心，通道2为Y轴，通道3为Z轴。

（2）由于电信塔基站离基坑边坡最近距离为30m且位于临近基坑的土质山坡顶鞍部中心位置，在两次爆破钻孔数、距爆心距离一致、药量基本相近的情况下对比分析电信塔爆破振动监测数据，随着基坑爆破开挖高程从上至下，电信塔基站监测点的振动速度基本相近，其爆破振速大小主要受跟爆破药量、距爆心距离及炮孔深度影响。分析其主要原因是爆心距电信塔基础较远且高差相差较大，且地震波在覆盖层较厚且地层变化的边坡中传播衰减路径复杂，地震波经过不同岩层和土层中衰减较快造成。

（3）每次爆破监测前后均对电信大基础等进行检查巡视，未发现有新增裂缝存在，电信运营商在整个爆破期间也未反馈爆破影响其正常运行。

6 结语

（1）以濛浬二线船闸开挖爆破工程为实例，通过选取合理的爆破设计参数，对比监测的各临近构建筑物的爆破振动速度均没有超过振动安全允许值，巡视检查未见有新裂缝和原裂缝新扩大发生，结合沉降、位移监测在爆破后实测数据未有明显突变情况发生，结果表明，现场爆破设计参数较为合理，爆破振动控制效果明显有效。

（2）在同一次爆破施工中，闸墙顶部测点的振动速度和振动频率总体均大于底部测点，并且随着基坑开挖深度增加后，闸墙顶部测点与底部测点的振动速度差值呈倍数增加，分析是由于船闸闸墙为直角梯形断面结构形式，由于右侧基坑开挖后临空面增加，受到临近爆破能量时闸墙结构上部的振动受临空面的增加发生自下而上的振动放大效应，分析成果可为类似船闸工程控制爆破开挖提供借鉴和参考。