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
地面建构筑物简化为一单自由度线性体系， 质 刚度为 k， 在上述的锯齿速度波的激励下， 量为 m， m ， 质量 发生振动 并假设振动是无阻尼振动。 单自 ［ 4］ 由度体系无阻尼运动方程为 （ t） + k x（ t） = － v 0 （ t） v （ 4） m k 2 ， 令 ω = 则运动方程为： m v （ t ） + ω2 x （ t ） = － 0 （ 5） 当 0 < t ≤ t0 时 v t0 v0 （ t ） + ω2 x （ t ） = － （ 6） 当 t0 < t ≤ t1 时 v t0 － t1 （ t ） + ω2 x （ t ） = 0 （ 7） 当 t > t1 时 v
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出的能量巨大， 造成的破坏大， 范围广， 人类难以控 制； 爆破地震的震源在地表浅层或地表以上 ， 炸药释 放的能量有限， 影响范围和危害程度可根据被保护 对象通过精心设计进行控制。 （ 2 ） 爆破地震频率较高， 持续时间短， 爆破振动 主振频率的大小取决于爆源特征和地震波的传播介 质， 一般爆破地震频率为 10 ～ 100 Hz， 大大超过了 一般建筑物的自振频率， 持续时间为 0. 1 ～ 2 s； 自然 地震属于低频振动， 频率为 2 ～ 5 Hz， 与一般建筑物
爆破地震的物理参数 爆破地震效应是由炸药在地表岩土等介质中爆
炸时， 炸药能量在破碎完介质后， 剩余的能量在介质 中以弹性波的形式所引起介质点振动效应 。爆破作 用引起的地震波是一种极为复杂的随机波 ， 一般情 况下， 为了研究方便， 假定介质是均质的、 各向同性 的弹性体， 介质质点作简谐运动。因此， 介质质点的 运动状态可用位移 x 、 速度 v 和加速度 a 等物理量 进行描述， 在实际应用时， 通常取各物理量的峰值
156 运动方程的通解为：
四川建筑科学研究
第 36 卷
v0 t t0 0 < t ≤ t0 ： v（ t） = C1 sinωt + C2 cosωt + v0 （ t － t1 ） t0 － t1 t > t1 ： v（ t） = D1 sinωt + D2 cosωt B C， D 为常数， 式中的 ， 可以通过初始条件确定。 分 在锯齿形冲击荷载的作用下， 析以上过程可以看出， 结构体系的振动过程在 0 ～ t1 的爆破震动波作用时 t1 时刻后， 间内， 质量 m 为受迫振动， 质量 m 为以 v（ t1 ） 和 x（ t1 ） 初始条件的自由振动。 长期以来， 国内外对爆破振动对建筑物的影响 问题进行了大量的研究工作， 将爆破地震产生的地 0 < t ≤ t0 ： v（ t） = B sinωt + 面介质质点振动速度或加速度作为建筑物破坏的判 有了这些标准， 据或建立建筑物安全标准。很显然， 虽然能判断建筑物在一定情况下是否安全 ， 但对于 因为它只能提供一个很有限 结构抗震还是不够的， 不能确定爆破震动对建筑物产生 的地面运动描绘， 的 地 震 荷 载， 更不能定量给出所产生的破坏能 ［ 5］ 力 。分析以上线性结构体系可以看出， 爆破振动 荷载的频率对结构动力响应的影响远比荷载的作用 持续时间对结构动力响应的影响大； 当结构固有频 在低频荷载作用下， 结构振动惯性力 率相对较小时， 当结构的固有频率接近荷 由荷载的加载阶段决定， 载的频率时， 结构发生共振现象。 而地震工程中利 用反应谱理论确定地震荷载进行结构抗震设计 ， 主 要是根据实测的强地震的地面加速度记录来计算地 或是直接测量反应谱曲线以此来进行结 震反应谱， 构抗震或分析已建结构的安全度， 实践证明是比较 。 ， 可靠的 但目前在爆破工程中 应用反应谱理论研 究爆破地震对建筑物的影响问题仍在探索之中 。
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1030m在爆破施工时会对地面的建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炸药在介质中爆炸后产生强大的冲击波当冲击波传播至离爆源10为药包半径时冲击波转变为介质中的应力波在岩体中将产生破坏
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四川建筑科学研究 Sichuan Building Science
第 36 卷 第 3 期 2010 年 6 月
地铁隧道开挖爆破对地表建筑物的振动影响
侯爱军
（ 洛阳理工学院建筑工程系， 河南 洛阳 471000 ） 摘 要： 在对地铁隧道开挖时的爆破地震效应和参数分析的基础上， 针对地面建筑结构对爆破振动的响应进行了理论分析 。
通过对深圳地铁隧道开挖爆破在地面产生的爆破地震波的现场监测和分析， 得到了爆破振动在地表建筑物中产生的质点振 动速度和频率等参数， 拟合出了振动速度、 药量大小与爆源距离之间关系式 。 研究结果表明， 在近地表的地铁隧道爆破产生 一般在 100 ～ 150 Hz， 这对地面建筑结构的安全是有利的， 以爆破振动速度标准作为地面 的振动频率远大于天然地震的频率， 建筑物的安全判据是合理和可行的 。 关键词： 地铁隧道； 开挖爆破； 建筑结构； 地震效应 中图分类号： TD235. 1 文献标识码： A 文章编号： 1008 － 1933 （ 2010 ） 03 － 154 － 04
A— — —质点振动幅值， mm； — —圆频率， ω— ω = 2 πf ； f— — —振动频率， Hz； t— — —时间， s。
由式（ 1 ） 可见， 只要测量到 3 个物理量中的任 何一个， 原则上就可以确定其他 2 个。 在爆破地震 国内外大多不采用求质点运动的矢量和 的测试中， 的方法， 而是测质点运动的最大分向量或从 3 个分 向量中取其最大的一个作为结构物破坏的评价标 准。实测资料表明， 采用质点振动速度作为衡量和 描述爆破地震振动强度的标准， 比采用位移和加速 并 度作为衡量标准更有利于排除介质因素的影响 ， 且与构筑物的破坏特征的相关性更好
0403 收稿日期： 2008作者简介： 侯爱军（ 1967 － ） ， 女， 河北赞皇人， 讲师， 主要从事建筑工 程方面的教学与科研工作 。 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 50874039 ） E － mail： houaijun@ hpu. edu. cn
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1. 1
爆破地震效应及参数
2010 No. 3
2］ x0 ， v0 ， a0 进行描述 ［ 。
侯爱军： 地铁隧道开挖爆破对地表建筑物的振动影响
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x = Asinωt V = dx sin（ ωt + π ） dt 2 2 a = d x = 2 Asin（ t + ） ω ω π d t2 式中
［ 3］ 产生地震效应， 二者的不同之处在于 ： （ 1 ） 自然地震的震源通常处于地层深部， 释放
2 地面建筑结构对地铁隧道爆破振 动的响应
在离爆点一定的距离处， 质点速度随时间的变 化可以简化为锯齿波形， 由 3 个参数描述： 上升到最 正相运动的持续时间 t1 ， 压缩波的 大速度的时间 t0 ， 最大质点速度 v0 。 假定地面有幅值为 v0 的锯齿波的速度冲击荷 载为： v0 t 0 < t ≤ t0 t0 v0 （ t ） = v0 （ 3） t0 － t1 （ t － t1 ） t0 < t ≤ t1 0 t > t
［ 2］
。
当结构物受到地震波的振动作用时， 应变 ε 与 V C 质点振动速度 和波速 之间的关系为 ε = V /C 根据结构物的弹性力学关系： σ = E ε ， 可得到 极限条件下的应力 σ m 与极限振速 V m 之间的关系 为 σ m = V m / EC （ 2） 由此可见， 爆破地震波作用在结构物上产生的 应力与质点振动的速度成正比， 这表明质点振动速 度是一个判别结构物安全与否的重要物理量 。 1 . 2 爆破地震波频谱特性 爆破振动对结构物的破坏程度不仅取决于爆破 地震动强度的大小， 而且还与频率密切相关。 爆破 地震与自然地震的相同之处在于两者都迅速地释放 能量， 并以波的形式向外传播， 引起介质质点振动，
［ 1］
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炸药在介质中爆炸后产生强大的冲击波， 当冲击波 传播至离爆源 10 ～ 15 R （ R 为药包半径 ） 时， 冲击波 转变为介质中的应力波， 在岩体中将产生破坏； 随着 传播距离的增加， 在距离爆源更远的地方， 此时应力 在介质中产生地震效应， 波衰减为介质中的地震波， 当它的强度超过一定限度时， 会引起地表或附近建
Seismic effects of blasting vibration in metro tunnel excavation
HOU Aijun
（ Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471000 ， China） Abstract： Based on analyzing seismic effects and wave parameters of the excavation blasting in metro tunnel，the seismic response of building structure under the seismic effects of blasting were analyzed theoretically. According to the seismic wave parameters measured on the surface buildings in Shenzhen Metro tunnel blasting， the velocity and frequency of explosion seismic wave in building were and the relation formula among the seismic velocity and the charge quantity and the distance to the explosive source was determined， also obtained. The research results indicate that the vibration frequency of the surface buildings in tunnel blasting is about 100 ～ 150 which is much larger than natively seismic frequency of the bulidings， therefore taking the seismic velocity as a safe criterion of the Hz， building sturture in tunnel blasting is rational and effective. Key words： metro tunnel； excavation blasting； bulding structure； seismic effects of explosion