隧道爆破对地表建筑物的危害及防治
隧道施工对地表建筑物的影响
DOI院10.13905/ki.dwjz.2019.08.033隧道施工对地表建筑物的影响INFLUENCE OF TUNNEL CONSTRUCTION ON SURFACE ARCHITECTURE高亚男1，于广明1,2，初存吉1（1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033；2.山东省岩体损害防护与地表沉陷控制治理工程技术研究中心，山东青岛266033）GAO Yanan1，YU Guangming1,2，CHU Cunji1（1.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Shandong Qingdao266033,China; 2.Engineering Technique Research Center of Rock Mass Damage and Ground Subsidence Control and Treatment,Shandong Qingdao266033,China）【摘要】城市隧道在开挖过程中会扰动地层，对建筑物产生沉降等影响。
文中基于重庆市地铁隧道施工过程中穿越某建筑物的实际问题，采用Midas-GTS软件建立模型，研究隧道施工引起建筑物位移和内力变化问题，发现采用小导管注浆可有效控制地表变形和建筑物沉降。
【关键词】隧道施工；建筑物变形；数值模拟【中图分类号】TU94【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2019）08-0126-04Abstract:Urban tunnels will disturb the stratum during the excavation process and cause settlement effects on the building.Based on the actual problem of crossing a certain building during the construction of subway tunnels in Chongqing,this paper uses Midas-GTS software to establish a model to study the variation of building displacement and internal force caused by tunnel construction.It is found that small duct grouting can effectively control surface deformation and buildings settlement.Key words:tunnel construction;building deformation;numerical simulation0引言随着我国城市建设的高速发展，城市交通变得越来越拥挤。
地铁隧道开挖爆破对地表建筑物的振动影响
{
x0 = A a V0 = ω A = 2 πf a0 = ω2 A = 2 πfv （ 1）
的频率接近， 易产生共振现象， 其持续时间为 10 ～ 40 s。 （ 3 ） 爆破振动的振幅大， 但随着与爆破中心距 离的增加而迅速衰减， 对周围影响范围小； 自然地震 振幅小， 但衰减慢， 持续时间长， 因而其破坏能力大， 影响范围广。 根据结构动力学理论， 荷载频率对结构振动响 应幅值影响是显著的， 当结构物的固有频率与爆破 振动频率接近时， 较小的地震强度也会引起较严重 爆破地震与天 的破坏。从地震动记录的分析来看， 然地震也有显著的差异， 天然地震加速度平均值为 0. 1 g 时， 一般会造成房屋一定程度的破坏， 而爆破 地震加速度值为 1 g 时， 才会引起房屋的破坏， 这与 爆破地震的频率高、 持续时间短、 幅值衰减快等特点 有很大的关系。由于爆炸荷载作用时间短， 爆破地 其频率复杂、 频带较 震波形是非周期性的瞬态波形， 宽， 而且爆破药量、 爆破方法、 地形地质等条件对爆 破地震波形、 频率成分均有不同程度的影响。因此， 对爆破地震波进行频谱特性分析， 对于爆破地震的 控制、 隔
言
构筑物的破坏。因此， 通过对地铁隧道爆破地震波 的现场监测和研究分析， 以确定爆破所引发的地震 效应在地表建构筑物中所产生的质点振动速度和频 率等参数， 来判断地表建构筑物的安全性， 并及时反 馈设计和施工， 确保施工过程中周围建构筑物的安 对于城市地铁施工具有重要的应用价值 。 全，
钻爆法施工是城市地铁岩层隧道开挖中最常用 和经济合理的工法， 地铁隧道一般位于地面下方 10 ～ 30 m， 在爆破施工时会对地面的建 （ 构 ） 筑物产生 影响和危害， 在地铁隧道开挖爆破产生的危害中 ， 影 响最大的是爆破地震波对地表建构筑物的影响
隧道开挖爆破震动对地表建筑物影响
隧道开挖爆破震动对地表建筑物影响随着我国交通事业的蓬勃发展,穿越闹市区的浅埋隧道工程将会越来越多,由于工程条件的限制,这些隧道有很大一部分需要采用爆破法进行开挖,但爆破产生的震动效应有可能危及到周围建筑物的安全。
因此,为保证建筑物的安全和隧道等地下工程的顺利建设,有必要对爆破地震波作用下的震动效应及其对结构的陂坏进行研究。
本文首先简单介绍了爆破地震波产生、类型及其传播规律,并探讨研究爆破震动效应对于建筑结构两种震动破坏机制,即直接效应和动态响应效应。
然后以重庆新红岩隧道爆破开挖为工程背景,根据监测数据研究浅埋隧道爆破时地表震动特性及其变化规律,并应用matlab信号处理功能,对爆破地震波的主频、能量分布等进行分析,并分析了爆破地震波的反应谱的特征。
最后以普通结构动力学理论为依据,通过ANSYS有限元软件,对某框架结构工程实例在爆破震动作用下的的动力反应进行计算分析,与抗震设防烈度震动作用下的结构动力反应进行比较,对其进行了安全性评估。
通过以上,本文得到的结论：1)爆破地震波所含的频率成分较多,频带较宽。
然而不同的爆破方法时,爆破震动信号的频谱成分有大差别。
采用非电雷管主频的分布范围基本在40～75HZ 之间。
采用不同延期时间的电子雷管爆破时主频值的分布都较非电雷管爆破时的频率大。
在近距离范围内,爆破地震波的高频震动成分含量较高,而在远距离区域内,高频振动成分含量减少,地震波的低频成分含量相对增加。
2)主振频率较好反映了能量的分布。
爆破能量分布很不均匀,在其频域中除了以主振频域外,还存在多个子频带,各频带的能量大小不相同,这样造成爆破中存在多个与频率对应的峰值,由此可见采用单主频的爆破安全判断标准存在偏颇。
非电雷管的震动能量分布范围相对集中在低频范围,而电子雷管分布在高频带的能量要比非电雷管高频带的能量大。
3)爆破地震波震动反应谱的峰值区间对应的周期约在0.01～0.05s(对应的频率为20～100HZ)范围内,随后谱峰值迅速衰减。
地铁隧道施工对地表建筑物影响及风险控制措施
3.5制定安全风险应急预案
在地铁工程建设中，要制定有效的风险应急预案，对安全事件作出快速响应，以便在有效时间内合理组织和利用应急资源，将安全事件的损失降至最低。具体可用采取如下措施：加强建筑物变形情况监控，根据监测数据，结合工程地质资料、施工设计、机械配置等情况，制定应急措施。根据地面和建筑物的变形情况，制定二次补浆措施，尤其要对沉降较大的部位及时进行二次补浆。
参考文献
[1]魏纲，周琰.邻近盾构隧道的建筑物安全风险模糊层次分析[J].地下空间与工程学报，2014（8）：69-72.
[2]曹振锋.地铁施工对临近建筑物安全风险管理[J].城市地理，2014（10）：159-161.
[3]秦东平，何平，赵永正，李璐.地铁施工前邻近砌体建筑物的结构安全性分析[J].中国铁道科学，2012（03）
2.1建筑物资料调查
调查资料是为了了解地铁于邻近建筑物的结构和位置以及二者之间的空间位置关系。需要准备的调查资料有：工程地质报告、原设计图、竣工图、竣工验收文件、检查观测记录、事故处理报告、例次加固和改造设计图，另外还要获得有关原始施工材料和建筑物使用条件的资料。特别是主要结构的裂缝等缺陷和破损要进行详细记录和拍摄，对裂缝较大的建（构）筑物，请第三方鉴定；对四层以上(根据结构形式和高度)的建（构）筑物进行垂直测量。根据这些资料和建筑实物进行检查核对和分析。
3.1加强隧道施工方法选择
在地铁隧道施工中，应根据我国地质条件特点采取浅埋暗挖法或盾构法进行施工，有效控制爆破或机械开挖对邻近建筑物安全造成的不利影响。
城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策
城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策摘要：城市挖隧道施工不可避免地扰动地层，造成地表建筑物沉降、倾斜、甚至产生裂缝，影响建筑物的安全和正常使用。
文章分析建筑物的影响因素，探讨施工法，提出解决对策。
关键词：城市；隧道；开挖；地表；建筑群；影响；对策引言城市中隧道进行开挖施工往往是因为地面或地下建筑物密集，洞室上方管线密集，地表交通压力大，故对地表的沉降变形要求十分严格。
在施工中，不同的施工工法，不同的支护形式及其不同的开挖步骤都会产生不同的地表沉降变形。
因此，采用适合的工法合理开挖显得尤为重要。
工程概况某机场快速干道永达路连接线工程西起机场路快速干道，东至铁路南站（苍松路、恒春街、甬水桥路），全长约2.2公里（不含铁路南站内部道路）。
本工程自西向东将机场路快速干道、丽园路、环城西路等南北向主要干道及铁路南站枢纽连接成一有机整体，采用双向4车道城市快速路+双向4车道地面城市次干道标准，城市快速路设计车速60公里/小时；地面城市次干道设计车速40公里/小时。
一、在建筑群进行基础施工对周边环境的影响（一）对地面环境的影响（1）桩基施工的影响：由于打桩造成周围土体的移动，桩的种类不同，再加上土质上存在的差异，打桩所造成的影响也有着非常大的区别，同时也与打桩方法、桩的间距、沉桩顺序有关。
在软土中打桩，桩周土体中的原有力平衡遭到破坏，产生非常高的超静孔隙水压力，且饱和粘土层的渗透系数很小，超静孔隙水压力消散较慢。
当这种压力消散时。
会使土产生沉降，危及相邻建筑物。
软土中的长桩在水平方向上的影响有时可达到二十米到三十米以上。
打桩时的冲击所产生的振动，会使土体产生瞬时移动，使土体和建筑物产生共振反应，由此产生的动应力可以很大，从而导致邻近建筑物的坏损。
不同类型的桩排土量不同。
排土量越大水平位移就越大，如管桩的排土量就大大小于实心桩，因而对相邻建筑物的影响也就小。
桩的平均密度的影响也很明显，单位面积上的桩越少，打桩时使相邻建筑物产生的移动也越小。
隧道施工中的爆破振动监测与控制
隧道施工中的爆破振动监测与控制一、引言隧道施工是现代城市建设的重要工程之一，然而，随着隧道越来越多地穿越城市核心地区，人们对施工振动的影响也越来越关注。
特别是在爆破施工过程中产生的地震波振动，对周围建筑、地基和地下管线可能造成不可逆的破坏。
因此，对隧道施工中的爆破振动进行监测与控制显得尤为重要。
二、爆破振动的影响与监测1. 爆破振动对周围建筑的影响隧道施工中的爆破振动对周围建筑物可能产生的影响包括建筑物裂缝、墙体破坏、基础沉降等。
因此，在施工过程中，需要对周围建筑物进行实时监测，以及对可能受到影响的建筑物进行前期调查。
监测手段包括地基测点、墙体倾斜仪、全站仪等。
2. 爆破振动对地基和地下管线的影响爆破振动不仅会对地表建筑物产生影响，也会对地基和地下管线造成一定程度的破坏。
因此，在施工前，需要对周围地下管线的位置以及地基的稳定性进行调查，以确定可能存在的风险，并采取相应的措施进行防护。
3. 爆破振动的监测手段隧道施工中的爆破振动监测主要通过地震仪、振动传感器和测量仪器进行。
地震仪可以直接监测到地面产生的地震波振动，振动传感器可以测量到建筑物的振动幅值和频率，测量仪器可以对爆破振动进行实时记录和分析。
三、爆破振动的控制措施1. 爆破设计的优化通过优化爆破设计，减少爆破振动对周围建筑物和地基的影响。
可以通过调整爆炸药量、起爆时间、孔径和孔距来控制爆破振动的强度和分布。
同时，选择合适的爆破药剂和起爆方式，也可以有效减小爆破振动的危害。
2. 施工监督与控制在施工过程中，需要严格控制爆破振动的峰值和持续时间。
通过设置合理的监测点和阈值，及时发现超限情况，并采取相应的措施进行调整。
同时，建立良好的沟通机制，及时向周围居民通报施工情况，减少不必要的恐慌和误解。
3. 应急预案的制定针对可能发生的意外情况，需要制定合理有效的应急预案。
包括紧急疏散措施、建筑物加固方案等，以保障人员的安全和建筑物的完整性。
四、国内外经验与案例1. 国外经验在国外，隧道施工中的爆破振动监测与控制已经非常成熟。
隧道爆破施工对地表建筑物及其滑坡体的扰动影响分析
：
Ｓｃ ｅｎ ａ Ｔｅｃｈ ｉ ｃｅ ｎｄ ｎＯｌ Ｏｇｙ ｎ １ ｎｏｖ ｉ Ｈｅｒ ｄ ａｔ ｏｎ ａｌ
工 程 技 术
隧道 爆 破 施 工 对 地 表 建 筑 物 及 其 滑 坡 体 的 扰 动 影 响 分 析
陈 德 国
（ 中铁 二十一局 集 团第三工程 有 限公 司 陕西咸 阳 ７ ０ ０ ２ ０ ） １
摘 要 ： 宝塔 山隧道进 口下 穿古滑坡体 ， 新 且地表建 筑物 密集 ， 本文 详细介 绍隧道 下穿滑坡体 时岩层爆破施 工振 动对地表建 筑物及其滑坡 体 的影响 ，为在 同类 工程地 质条件 下的 隧道爆破 作业提 供施 工参考 。 关 键 词 ： 破 建 筑 物 滑 坡 体 扰 动 爆 中 图分类号 ： ５ Ｕ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： ７ —０ ８ ２ １ ） （） １ —０ １ ４ ９ ｘ（ ０ ｏ ｂ 一０ ３ １ ６ ｏ ６ ０ 开 挖 高 度 ５ ５１ 自拱 顶 向 下 ） 断 面 爆 破 参 计 算 ． １（ ２ ， ＝ｌ ＋ ｆ） １ 掏 ０ 孔深 １ ５ ， 药 量 ．ｍ 装 包 西 铁 路 新 宅 塔 山隧 道 位 丁 延 安 市 宝 数 为 ： 槽 眼 ｌ 个 炮 孔 ， ｆ Ｊ ５ 辅 周 ． ｍ。 塔山下， 穿越 地 形为 黄 土 高 原 梁 茆 沟 壑 区。 ７． Ｋｇ； 助 眼 、 边 眼炮 孔 深 １ １ 施 工 式 中 ， 一 局 部 突 ｝ 地 形 顶 部 的 振 动 影 响 降 隧道 起 迄 里 程ＤＫ５ ０ ５ １ ０ ＋ ～ＤＫ５ ２ ６ ７ 巾 严 格 控 制 爆 破 装 药 量 ， 低 爆 破 振 动 强 放 大 系 数 ｌ ０＋ ７，
．
突 出 台 地边 缘 的 距 离 ． 相 对 高 差 Ｈ的 比 与
隧道爆破对地表建筑物的危害及防治
隧道爆破对地表建筑物的危害及防治1.1 爆破地震波产生阶段影响因素分析1.1.1 炸药的影响炸药的影响包括炸药种类的影响和炸药量的影响。
目前业界的大部分专家学者认为炸药种类不同对爆破地震波影响也不同。
实验表明：作为炸药重要性能参数之一的爆轰压力对爆破震动大小和频率有影响，炸药的爆轰压力上升时间越短，爆破震动越大，爆破震动波的频率也越高。
从炸药的波阻抗方面讲，如果炸药的波阻抗与岩石、土的波阻抗相近的情况下，爆破损失的能量少，炸药的能量传递的效果良好，爆破的震动效果就降低；反之爆破损失能量大，而损失的能量会增强爆破的震动。
1.1.2 段数的影响段数的影响主要体现在降震效果和延长爆破地震波作用时间。
研究表明分段装药比不分段装药的降震效果好30%-50%。
随着炸药的段数增加，地震波的主震相会相应的降低，但是地震波的作用时间会增长，所以段数也不是越多越好。
合理的装药段数，既能减少爆破作用时间又能降低爆破地震波的主震相，因此可以有效的降低震动效应。
1.1.3 装药结构形式的影响这里主要分析耦合装药和不耦合装药的装药结构形式。
试验表明：在一定岩石和炸药条件下，采用不耦合装药（或空气柱间隔装药），可以增加用于破碎或抛掷岩石的爆破能量，提高炸药能量的有效利用率，降低药量使用。
与亲合装药相比它降低质点振动速度峰值，降低了爆破震动的效果。
1.1.4 起爆方案的影响岩土爆破作业中有很多爆破方式（定向爆破、预裂、光面爆破、微差爆破、控制爆破等），不同的爆破方式对爆破地震波的产生有不同影响。
通过研究发现当起爆方向线与保护目标垂直时，振动速度峰值最大，药包组成直线布置会加强垂直方向的地震波。
对于毫秒级的微差爆破来说，延迟不同的时间间隔引起的爆破振动强度也不同。
1.2 爆破地震波传播过程中的影响因素分析1.2.1 大地系统的地质条件大地系统的地质条件主要考虑的是爆破周围的地形、地表覆盖层厚度、断层等。
同时研究表明，场地地表覆盖土对地震波的作用时间也有影响。
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隧道爆破对地表建筑物的危害及防治
1.1 爆破地震波产生阶段影响因素分析
1.1.1 炸药的影响炸药的影响包括炸药种类的影响和炸药量的影响。
目前业界的大部分专家学者认为炸药种类不同对爆破地震波影响也不同。
实验表明：作为炸药重要性能参数之一的爆轰压力对爆破震动大小和频率有影响，炸药的爆轰压力上升时间越短，爆破震动越大，爆破震动波的频率也越高。
从炸药的波阻抗方面讲，如果炸药的波阻抗与岩石、土的波阻抗相近的情况下，爆破损失的能量少，炸药的能量传递的效果良好，爆破的震动效果就降低；反之爆破损失能量大，而损失的能量会增强爆破的震动。
1.1.2 段数的影响段数的影响主要体现在降震效果和延长爆破地震波作用时间。
研究表明分段装药比不分段装药的降震效果好30%-50%。
随
着炸药的段数增加，地震波的主震相会相应的降低，但是地震波的作用时间会增长，所以段数也不是越多越好。
合理的装药段数，既能减少爆破作用时间又能降低爆破地震波的主震相，因此可以有效的降低震动效应。
1.1.3 装药结构形式的影响
这里主要分析耦合装药和不耦合装药的装药结构形式。
试验表明：在一定岩石和炸药条件下，采用不耦合装药（或空气柱间隔装
药），可以增加用于破碎或抛掷岩石的爆破能量，提高炸药能量的有效利用率，降低药量使用。
与亲合装药相比它降低质点振动速度峰值，降低了爆破震动的效果。
1.1.4 起爆方案的影响岩土爆破作业中有很多爆破方式（定向爆破、预裂、光面爆破、微差爆破、控制爆破等），不同的爆破方式对爆破地震波的产生有不同影响。
通过研究发现当起爆方向线与保护目标垂直时，振动速度峰值最大，药包组成直线布置会加强垂直方向的地震波。
对于毫秒级的微差爆破来说，延迟不同的时间间隔引起的爆破振动强度也不同。
1.2 爆破地震波传播过程中的影响因素分析
1.2.1 大地系统的地质条件
大地系统的地质条件主要考虑的是爆破周围的地形、地表覆盖层厚度、断层等。
同时研究表明，场地地表覆盖土对地震波的作用时间也有影响。
相关研究表明：地形地质条件对爆破地震波传播的方向性和质点振动速度峰值有影响。
岩体介质中的断层和不连续体对爆破地震波的传播起阻碍和衰减作用，所以在爆破控制有时会采取挖沟的措施来起到减震的目的。
1.2.2 距离因素
在这里距离因素主要指水平距离和竖直高差。
在水平距离方面，研究资料表明：随着距离的增加，爆破地震波由于介质的阻尼作
用强度降低，地震波的频率也慢慢的向低频段发展，但作用时间会增长。
在竖直高差方面，周围正高差对爆破地震波效应有放大作用，负高差对地震波则效应是减低作用，因此在爆破危害控制中需要考虑高差的影响。
2 爆破震动对建筑物的破坏
2.1 建筑物的结构特性
建筑物结构可分为三个部分：地基结构、上部结构及地基以下的土或岩体等地质体结构。
每一部分的结构不同，它所表现出来的结构特性也不同。
我们既要了解建筑物结构的状态、结构频率，还要了解结构的重要性和危险程度。
根据不同的建筑物特点? 取不同的保护防范措施。
上下部结构好的建（构）筑物，它体现出来的抗震能力较好；反之，那些地基薄弱（土或石块地基）、上部结构老旧、形式简单的建（构）筑物结构，则会表现出较差的爆破震动抗性。
2.2 爆破地震波与建筑物的响应
2.2.1 建筑物的固有频率
爆破地震波的频率对建筑物的破坏有很大的关系。
地震波频率的大小与建筑物的固有频率有很大的相关性。
频率在结构动力破坏中有重要影响，表现为两个方面：地震波频率是外部因素，结构频率是内部因素。
如果地震波频率较低，半波长大于建筑物结构的特征尺寸时，结构震动明显。
2.2.2 地震波对建筑物的作用时间
大量工程实践表明：随着地震波作用时间增长，地震波应力
对建筑物的作用时间也增长，建筑物就越容易发生破坏，这就是所说的损伤的累积。
一两次的爆破作用（地震波应力的作用时间有限）可能不会对建筑物产生实质性的破坏，但是多次甚至是无数次（应力作用时间足够长）的爆破作用下，建筑物就有可能因为累积损伤增长到了一个临界值而发生变形、失稳甚至破坏。
所以在爆破震动危害控制时应考虑作用时间的影响。
3 减震爆破措施及其机理
根据爆破地震波的传播方式及破坏机理，目前隧道爆破的控爆减震主要从三方面入手：（1）针对受控对象采取措施；（2）针对爆破地震波的传播?取措施；（3）针对爆源采取措施。
3.1 针对爆源及爆炸地震波传播采取的措施
3.1.1 预裂隔震带降震法隧道爆破所产生的爆炸应力波以柱面波的形式向外传播，如没有阻隔，将直接进入围岩，使围岩产生较大的震动危害，不利于围岩的稳定。
预裂爆破就是通过在爆源的周边设置预裂带，将保护的目标结构与爆心隔开，以阻断主炮孔爆破所产生的爆炸波直接向围岩传播，从而减少爆破震动对围岩的危害，也就减小了建筑物地基沉降的危害。
3.1.2 多段微分爆破减震法多段微差爆破的降震原理包含如下两
个方面：（1）药量微分原理，即是增加爆破孔的数量，减少单孔的药量，将爆破的药量分成多段分别起爆代替一次起爆，震动波的峰值主要受单段药量控制。
这样在炸药总量保持不变的情况下，炸药在爆岩体内得到更均匀的分布，从而使爆破效率更高，炸药爆炸产生的能量大部分用来破碎岩石，从而达到减震的目的。
（2）多段延时原理，即增加一次爆破的起爆段个数，减小最大起爆药量。
一次爆破，药量是一定，当段别数增加，则每次爆破的单响药量就会减少，爆破所引起的震动就会减小。
3.1.3 调整装药及装药结构减震法工程中有时也通过改变炸药装药和炸药结构来实现降震的目的。
如根据岩体特性确定炸药装药的性质，使其波阻抗更匹配，改善爆破效果，提高炸药有效利用率，减小爆震动的有害影响，实现减震。
3.2 针对受控对象采取的措施
（1）掌握建筑物的结构特性。
（2）加强薄弱点或薄弱地带的爆破震动监测。
（3）对建筑物采取必要的防范措施。
4 对爆破震动灾害控制的展望
通过本文的研究，一定程度上明确了爆破振动作用下地表质点及临近建筑物振动响应规律，但由于爆破振动受周围复杂的环境影响，并且地震波本身也具有随机性、复杂性。
因此无法十分精确地对一次爆破作用中建筑物的损坏作出准确的预测。
而且实践发现爆破
震动的累积损伤更为常见，而国家标准对这方面的规定也乏善可陈。
我们在未来的研究中应该更加注重这些问题，加强对爆破震灾的控制和预防，为我国新时期的建设提供更多的科学依据，加速我国现代化的进程。