地铁钻爆发施工对周围建筑物沉降的影响

地铁钻爆发施工对周围建筑物的影响及其相应检测方法钻爆法的历史及优点自从诺贝尔发明炸药以来，隧道施工便有了钻眼爆破法，数百年钻眼爆破法一直占据着隧道施工的主导地位。

即使有了掘进机，也没能改变这一状况。

钻眼爆破法就是用炸药爆破坑道范围内的岩石以达到开挖洞室的目的，即传统的放炮、打眼、掘进的方法，简称钻爆法。

钻爆法具有以下优点：①适用范围广，基本上适合所有的山岭隧道工程；②设备资源投人少，施工准备期短；③围岩及地质变化后能及时调整；④施工组织管理相对单纯；⑤炸药来源广泛且价格便宜。

钻爆法以其独有的优势适应于各种自然环境和地质结构，快速、机动、灵活和适应力强等特点。

但是随着爆破技术的广泛应用，一系列爆破施工引发的问题越来越引起人们的注意。

爆破是高能物质在极短的时间内能量突然释放的过程，工程爆破用于工程目的，它正是利用爆破过程所释放的大量的局部高密度能量，来对周围介质作功，达到使岩石介质断裂、松动、破碎的目的。

爆破时炸药的一小部分能量转换为地震波，从爆源以波的形式向外传播，引起震动。

这种地震动的强度，随爆心距的增加而减弱。

无论爆破在地质表面或在内部，工程爆破都具有功率大、效率高、工作时间短等优势。

在爆区的一定范围内，当地震动达到一定的强度时，会引起地表和建筑物、构筑物不同程度的破坏，研究既有建筑物、构筑物在爆破过程中的力学性态就显得十分重要。

同时爆破开挖也会对隧道上方既有建筑物造成影响。

爆破地震效应处爆破公害之首，一直为各国学者所关注。

对诸如爆破地震波的传播机理、对结构的破坏机制、爆破地震波与天然地震波的共性与区别，尤其是爆破地震波强度预报、构筑物爆破地震安全标准及观测等一直受到普遍关注。

通过模拟实验、现场观测、理论分析等手段进行广泛的研究，取得了大量的研究成果但是由于爆破本身的复杂性、地震波传播介质多样性和不确定性、加之测试仪器本身反应特性等，涉及因素很多，这些因素极其复杂。

因此，时至今日，还有许多领域有待学者们进一步研究，这一领域一直成为岩土界研究的热点之一。

我国爆破振动安全允许标准近几年来在公安部的领导和中国工程爆破协会的协助下，我国指定了我国的爆破振动安全允许标准。

地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率；水工隧道、矿山巷道、电站（厂）中心控制室设备、新浇混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度。

安全允许标准如表岩石爆破破碎机理与应力波理论在隧道施工中，爆破是目前应用最为广泛、最为有效的一种破岩手段。

爆破对周边既有构筑物的影响是不可避免的，为了更好的研究隧道爆破施工对既有隧道稳定性的影响，首先必须要了解岩石在爆炸作用下的破碎机理、岩石的破碎形式以及爆破应力波的相关理论由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆破本身又是一个高温高压的变化过程，炸药对岩石破坏的整个过程在几十微妙到几十毫秒内就完成了，因此研究岩石爆破作用机理是一项非常复杂和困难的工作。

随着科技的进步和测试手段的发展，以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断提高，岩石爆破作用原理研究取得了许多进展，一些学者建立起一些新的学说和理论体系，提出了很多的计算模型和公式。

尽管这些研究成果还存在不足之处，但它们基本上反映了岩石爆破作用中的某些客观规律，对实际工程中的爆破实践具有一定的指导意义。

爆炸气体破坏理论同时认为，炸药的能量中，动能仅占5%～15%，绝大部分能量包含在爆炸气体产物之中；另一方面，认为岩石介质发生破裂和破碎所需要的时间小于爆炸气体施载于岩石介质的时间。

因此，岩石介质的破碎主要是有爆炸气体产物的膨胀压力引起的。

一般认为，在软岩中此爆炸气体膨胀压力是主要的。

应力波反射拉断破坏理论。

当应力波传到岩壁时，产生岩石内的压应力波，此应力波是由冲击波能引起的。

当应力波在岩石内以放射状向外传播到达自由面时，自由面上的两种介质密度与应力波传播速度存在差异，造成应力波的折射和反射，此反射波是由自由面向爆破中心传播的，这就在自由面造成拉应力。

由于岩石的抗拉强度只有其抗压强度的1/20～1/50，故岩石是从自由面端（远离炸药端）起被拉应力破坏的。

共同作用理论。

该理论认为，爆破施工时岩石的破碎是由爆炸气体膨胀和应力波共同作用的结果，它们在岩石破坏过程的不同阶段起着重要作用。

整个破坏作用可以分为三个阶段：第一阶段，爆炸应力波以3000～6000m/s 的速度在岩体中传播，此时的应力波为压缩波，它的传播导致岩石发生压缩破坏而形成压缩圈；第二阶段，当压缩波通过以后，在岩石压碎圈外形成拉伸应力以及后续的横波，使得岩石发生拉断和剪断破坏，破裂发展的速度一般为应力波速的0.15～0.4倍；第三阶段，高压爆生气体在岩石中膨胀（气楔作用），使岩石发生移动并逐渐隆起形成“鼓包”，最终产生破碎岩块。

试验证明，在岩石发生破坏的各个阶段，其破坏条件也不相同。

爆破地震波的分类在岩体介质内，扰动以体波和面波的形式传播出去，体波分为纵波和横波两种。

在地层内部传播的爆破地震波称为体波，在地层表面或者介质表面传播的波为面波。

其传播速度取决于介质本身的物理特性以及结构特性。

如果介质具有不同的物理力学特性以及存在不均匀或者不连续时（如断层、节理等），波就会产生反射和折射现象。

一定条件下，在地表地层或介质分界面处产生面波，它的强度随深度的增加而迅速下降。

①体波体波包括纵波和横波，这两种波从弹性介质中的震源出发向外传播到介质中去。

地震波在介质内传播，其传播途径叫地震射线或者射线轨迹。

与地震射线相垂直的几何面叫波阵面。

如果震源能够近似地作为一点或者一个小球，则在均匀的各向同性介质中的波阵面是球面；在非均匀介质中，地震射线是曲线，波阵面是不规则的曲面。

球面波的波阵面面积随2R 而增大，R 为从震源算起的距离。

因此单位面积的能通量将随2R而减小。

一个线状能源则将引起柱面波，其面积随R而增大，这时单位面积的能通量随1R而减小。

在离开任意形状的震源很远时，波阵面实际上为平面，成为平面波。

纵波是纵向运动，质点的震动方向与波的前进方向一致，使介质压缩或者膨胀。

所以纵波又叫压缩波或者P 波，它一般表现为周期短、振幅小。

横波则是横向运动，质点的振动方向与波的前进方向垂直，引起介质的剪切型运动。

所以横波又叫剪切波或者S 波，这种波的常见例子是弦的横向波。

S 波在分界面上分为SV 和SH 波的两个分量。

相对于地球表面而言，使介质质点在包含传播方向的垂直平面内的运动的S 波以SV 表示，它的运动平面垂直于分界平面；而水平偏振波则成为SH 波，它的运动平面平行于分界平面，它一般表现为周期较长，振幅较大。

由于流体的G = 0，因而在流体中不存在剪切波。

横波只能在固体中传播，而纵波在固体和液体里都可以传播。

②面波表面波一般可以说是体波经地层界面多次反射形成的次生波，它的两种基本形式是瑞雷波（Rayleigh）和乐夫波（Love）。

瑞雷波传播时，质点在波的传播方向和表面层法向组成的平面内做逆进的椭圆运动，而在与该平面相垂直的水平方向上，没有横向分量的运动，如图 2.10 所示。

瑞雷波只在弹性体的表面传播，并不深入弹性体的内部。

瑞雷波波速比横波波速稍慢一些。

乐夫波传播时，质点在与波的传播方向相垂直的水平横向内做剪切型振动，没有垂直分量的运动。

只有在半无限空间上至少覆盖有一低速的地表层时，乐夫波才会出现。

乐夫波在层状介质中的传播速度介于最上层横波速度与最下层横波速度之间。

这里必须提醒注意两种速度：一种是波的传播速度，它描述扰动通过介质传播的速度；一种是质点振动的速度，它描述质点在在受到波动能量扰动时，围绕平衡位置作的微小振动。

波的速度一般比质点速度大几个数量级。

在爆破分析中，所关心的是质点振动的速度而不是波传播的速度。

爆破地震波特征及其危害原因爆破地震波特征由于爆源的复杂性，以及传播介质体物理力学和地质构造的多样性，使得爆破地震波具有随机、非重复性的特征，因此爆破地震波是一种随机波。

所谓随机波就是指随时间做复杂变化的波，而且，任意两个随机波不会表现为同一波形。

爆破地震波不仅在幅值上随时间做复杂的变化，而且波的频率成分和持续时间也随环境条件、爆心距、爆破规模以及地层等的影响表现为极其复杂的现象。

爆破频率体现爆破地震波的变化速率，高频波的变化速率快而低频波的变化速率要小，爆破地震波包含由0～∞Hz 的所有频率成分，而且频率谱是连续谱，不是离散的频率分量。

通过共振原理可知，某一特定频率波能引起固有频率结构体振动的加剧，在振动分析中，结构体包含各种不同固有频率的结构和子结构，尤其是其低频部分的波更是不容忽视的。

但是又不能只重视低频而忽略高频的波，有时高频的波在结构分析中有着显著的作用，因此爆破地震波的频率丰富性的特性是不容忽视的。

爆破地震波能量释放的过程一般比较短，并且具有突然发生的瞬态冲击振动的特性。

在不同的介质中消耗于震动区的能量是不同的，其主要原因取决于传播介质，一般只占释放能量的3%～20%。

本章小结，①岩石在爆破作用下发生的破碎，是爆炸应力波和爆生气体共同作用的结果，只是二者作用在岩石破碎范围和条件方面有所不同。

应力波因传播的高速度而先作用于岩石，爆生气体的持续楔入作用却使岩石得到完全破碎松散。

在分析爆破作用时，虽然分别讨论了应力波和爆生气体在破岩中的各自作用，但是二者对破岩作用并不是完全独立的。

②现有的爆破理论认为，埋入无限岩石中的药包爆炸后，将在岩石中形成以装药为中心的由近及远的不同的破坏区域，依次为压碎区、破坏区和震动区。

在压碎区，岩石在冲击波的超高压（一般可达到5000～10000MPa ）作用下，岩石结构遭到严重的破坏，并粉碎成细微粒子。

在破坏区范围内，岩石环向的动抗拉强度小于爆破荷载，岩石中出现径向拉伸破坏。

在震动区，岩石不会有明显破坏，一般认为这一区域的岩石只会产生弹性震动。

③爆破过程中产生冲击波、应力波、地震波，各种应力波在介质中的作用范围不同，本文所研究的地表以及既有隧道衬砌都位于爆破地震波的作用范围内。

爆破地震波在岩体介质内，以体波和面波的形式传播出去，体波分为纵波和横波两种，面波分为瑞雷波和乐夫波，不同的地震波有各自的传播方式。

爆破地震波是随机波，爆破地震波包含由0～∞Hz 的所有频率成分，震动区的所吸收能量一般只占释放能量的3%～20%。

爆破地震波对建筑物、构筑物的危害主要是由于建筑材料内部裂隙扩张发展以及地基振动造成的。

④爆破地震波在传播过程中受岩体性质、爆破装药耦合特征、岩土地形特征、爆破装药量以及爆破类型的影响。

土的强度特征，当爆破地震波传播给予这些薄弱面一个动荷载的瞬间，且振动强度达到一定强度时，软弱结构面就会发生相对偎依，从而首先在该结构薄弱面造成损坏。

在建筑物、构筑物的岩土、混凝土材料内部存在大量随机分布的细观裂纹，并且这些裂纹是张开的，按照格里非斯理论，在爆破地震波的作用瞬间，裂纹尖端附近发生较大的应力集中，当拉应力达到材料的抗压强度时，会形成更多的微裂隙。