爆破開挖對入巖深基坑邊坡穩(wěn)定性影響

潘良鵠，王建華，夏小和

（上海交通大學，上海 200240）

爆破開挖對入巖深基坑邊坡穩(wěn)定性影響

潘良鵠，王建華，夏小和

（上海交通大學，上海 200240）

針對采用爆破開挖施工方法的臨海入巖基坑穩(wěn)定性問題，研究了爆破動荷載對基坑邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律。以某臨海場地放坡開挖基坑為研究對象，采用與強度折減法相結合的彈塑性有限元方法和爆破振動傳播衰減規(guī)律經(jīng)驗公式，系統(tǒng)分析了不同單響炸藥量、不同爆心距和不同爆破深度時邊坡的最大加速度和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，得到了爆破開挖引起的基坑邊坡響應規(guī)律。研究表明：隨著單響炸藥量的增加，邊坡受到的振動力加大而穩(wěn)定性逐漸下降；爆破深度越大，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響越小。隨著爆心距的加大，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響越小。將研究結果用于指導施工，給出了入巖基坑爆破施工的原則。

臨海基坑；爆破開挖；邊坡；穩(wěn)定性；加速度

0 引言

在臨海地區(qū)設計與施工進入基巖的基坑必須分析基坑工程的穩(wěn)定性。基坑工程在施工中會受到各種荷載的作用，使得基坑在工程施工的全程中，周邊的應力場隨之產(chǎn)生變化，進而對基坑的整體穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響。入巖基坑往往采用放坡開挖方法施工，巖層的開挖需要采用爆破的方法，爆破開挖在基坑工程的施工過程中產(chǎn)生較大的荷載變化，爆破動荷載產(chǎn)生的應力波降低邊坡的抗剪強度，產(chǎn)生的慣性力可能使邊坡下滑，可能導致邊坡動力失穩(wěn)[1-2]?？紤]到基坑周邊的特殊環(huán)境及工程質量要求，研究爆破開挖對基坑穩(wěn)定性的影響很有必要。根據(jù)得到的研究規(guī)律，對實際設計施工具有很好的指導作用，有利于保證基坑工程的經(jīng)濟性和安全性。

目前在分析邊坡穩(wěn)定性時，常采用極限平衡條分法和彈塑性有限元數(shù)值分析兩種方法[3-5]。其中，彈塑性有限元數(shù)值分析方法通常分為單純的彈塑性分析方法和強度折減彈塑性有限元分析方法。李寧等[6]應用動力有限元數(shù)值模擬，研究不同的邊坡與已有洞室間距、巖體阻尼比、最大單響藥量情況下邊坡爆破振動對洞室圍巖和襯砌結構的影響問題，研究結果為實際工程的施工和設計提供參考和依據(jù)。鄭穎人[7]等認為地震作用下邊坡破壞機制是邊坡動力穩(wěn)定性分析的前提，地震邊坡破壞機制為剪切破壞，并以極限平衡法計算得到的剪切滑移面作為地震動力作用下的破裂面，而不考慮地震荷載作用下的拉破壞，從而使地震邊坡穩(wěn)定性分析失真。

本文以某臨海入巖基坑工程為研究對象，采用與強度折減法相結合的彈塑性有限元方法和爆破振動傳播衰減規(guī)律經(jīng)驗公式，系統(tǒng)分析了不同單響炸藥量、不同爆心距和不同爆破深度時邊坡的最大加速度和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。結合研究成果，給出入巖基坑爆破施工的準則，用于指導施工。

1 工程概況

擬建某工程建筑位于海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)南部，毗鄰南海?；A施工需開挖基坑，基坑開挖布置圖如圖1所示。

圖1 基坑開挖布置示意圖Fig.1 Plan view of the excavation

基坑開挖深度為22.0～22.5 m，采用止水帷幕+放坡+護坡的支護方案?；影踩燃墳橐患?。本工程距離南海直線距離僅800 m；從水文地質條件來看，南海海水與本場地地下水存在水力聯(lián)系。

1.1 工程地質條件

擬建筑物場地四周空曠，地形基本平坦。場區(qū)現(xiàn)已平整，屬于海成Ⅰ級階地地貌。巖土工程勘察報告顯示，場地上部地層屬于第四紀海相沉積物，于剝蝕殘山-海灣沉積過度的海岸地貌，剝蝕殘山、海岸懸崖、不規(guī)則海濱平原和海灘漕間帶等地貌單元均有分布。地形較平坦，微向海傾，是全新世以來隨著海平面震蕩下降、瀉湖消亡逐漸形成的不規(guī)則小規(guī)模海濱平原，高程變化2～5 m。

根據(jù)勘察報告，場地有2層含水層，第1層含水層為主要賦存于第②層細砂、第③層含砂生物碎屑、第③1層粉砂及③2層珊瑚礁中的孔隙潛水，地下水主要接受大氣降水及地下徑流補給，通過大氣蒸發(fā)及地下徑流進行排泄；第2層含水層為賦存于第④1層砂礫狀強風化花崗巖、第④2層碎塊狀強風化花崗巖及第④層中風化花崗巖中的裂隙潛水，勘察期間鉆孔中靜止水位埋深為0.0～0.6 m（局部低洼處，地表水直接出露地表）。本工程與南海相距較近，場地地下水與南海海水存在著水力聯(lián)系，尤其受南海潮汐作用影響大。

工程區(qū)內地下水以孔隙水為主，含水層較厚，滲透性良好，向海排泄路徑通暢。施工開挖應考慮地下水滲流的影響，采取措施，防止?jié)B流破壞和海水倒灌。具體土層地質概況詳見表1。

表1 土質參數(shù)Table 1 Soil parameters

1.2 工程特點及難點

本基坑工程存在如下特點及難點：1）工程量大：基坑開挖面積大，地面面積約15 000 m2；開挖深度大，且進入基巖；土石方工程量大。2）工期長：本基坑開挖和基礎施工的總工期預計要超過2 a，這樣，基坑開挖后坡面暴露時間長，安全風險大。3）設計限制：因需爆破開挖基巖，不可設計內支撐，只能采用止水帷幕加放坡、護坡。4）不利因素多：基巖爆破開挖時的振動荷載對基巖原有裂隙會產(chǎn)生進一步破壞，并且對支護墻體產(chǎn)生不利影響，若墻體強度不足，振動會導致墻體產(chǎn)生裂隙，使基坑圍護體破壞而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。潮汐作用所引起的附加荷載加大了圍護體外側的水壓力，短時間內形成較大的水位差，在基巖面附近會發(fā)生滲漏，對隔斷基巖面及其以上覆土層交界面的滲透通道施工質量要求大大提高。這樣，在基坑圍護體的設計過程中必須考慮這些不利因素的影響。本文針對爆破開挖施工方法，研究爆破開挖時的振動荷載對基坑邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 研究方法

邊坡在開挖爆破作用下的穩(wěn)定性分析是個十分復雜的問題，也是一個亟待深入研究的領域。眾所周知，爆破振動對巖質高邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面，爆破振動荷載的反復作用會導致巖體結構面抗剪強度參數(shù)降低；另一方面，爆破振動慣性力的作用使坡體上整體下滑力增大，可能導致邊坡的動力失穩(wěn)。因此，本文分別采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)求解方法和最大加速度計算公式研究爆破施工對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)和最大加速度的影響。

2.1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)求解方法

邊坡穩(wěn)定性計算基于強度折減彈塑性有限元分析方法（SRM），它是將強度折減技術與彈塑性有限元方法相結合，首先通過針對某一強度折減系數(shù)下進行邊坡的彈塑性有限元分析，得到邊坡內的應力場、應變場、位移場，然后再根據(jù)位移、廣義剪應變等描述變形程度的某種物理量作為評判指標，定量地描繪邊坡的潛在塑性破壞區(qū)域及其程度與發(fā)展趨勢，據(jù)此基于一定的經(jīng)驗評判準則確定邊坡的極限平衡狀態(tài)，并將由此所確定的相應強度折減系數(shù)作為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[3]。

基于強度折減概念的彈塑性有限元數(shù)值分析，對于域內某一點，假定在某個剪切面上土體中正應力與剪應力分別為R和S，則按照Bishop安全系數(shù)的一般定義，同時考慮到該點的抗剪強度，可用Mohr-Coulomb破壞準則表示為：

τf=c+σtanφ （1）

則該點土體在這個預定剪切面上的安全系數(shù)即為：

假如此時土體沒有發(fā)生剪切破壞，土體中的實際剪應力與實際中得以發(fā)揮的抗剪強度相同，即為：

由此可知實際中得以發(fā)揮的抗剪強度相當于折減后抗剪強度的指標。折減后的抗剪強度指標分別為：

從這個意義上F可以看作為強度折減系數(shù)，而從式（2）可以認為F為強度儲備系數(shù)，或者實際強度發(fā)揮程度系數(shù)。

2.2 最大加速度計算方法

施工爆破作用下，巖質邊坡的動力響應受很多因素的影響，要精確求解是十分困難的。巖體彈模、邊坡坡度、爆源位置和一次起爆藥量及巖坡的巖體地質結構等因素對巖坡的爆破振動響應均有很大的影響。

實際工程中巖質邊坡是非常復雜的，不僅外形不可能很規(guī)則，而且?guī)r體內部存在著明顯的非均質性和非連續(xù)性。這些因素對巖坡的動力特性和爆破振動響應都有很大的影響。全面考慮上述這些因素，將使問題變得極其復雜以致難以求解。因此，本文僅按均質、連續(xù)、外形規(guī)則的簡化邊坡模型進行研究，以期獲得一些初步規(guī)律。

爆源處的爆破振動傳播衰減規(guī)律可采用經(jīng)驗公式[5]：

式中：B為爆破加速度，m/s2；K為場地參數(shù)，本文取110；Q為單響藥量，kg；R為爆心距，m；H為潛在滑體與爆源高差，m；α、β均為衰減參數(shù)，分別取1.5和0.45。

基于爆源最大振動加速度計算巖質邊坡體爆破振動狀態(tài)下的最大加速度，坡體各點的爆破振動水平最大加速度與豎向最大加速度按相等考慮。根據(jù)巖坡坡體的彈模由表2查出特征加速度a1、a2、a3。

關于師資方面，高校可以考慮將輔導員這一群體培養(yǎng)成師資力量，每個輔導員都管理著一定數(shù)量的班級，他們與學生的接觸是十分緊密的，可以由他們作為老師，向學生們進行定期的應急救護培訓教育。非醫(yī)學類高?？梢院歪t(yī)學類高校進行友好交流，邀請醫(yī)學類高校相關老師給在校學生開展講座。

根據(jù)爆心距求出邊坡的振動加速度，具體計算公式為：

當R≤40 m時，振動加速度：

表2 特征加速度表Table 2 Characteristic acceleration

當40 m

當R>100 m時，振動加速度a等于特征加速度a3。

3 爆破開挖對邊坡的影響分析

結合本工程具體情況，分別采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和最大加速度計算方法研究爆破開挖引起的邊坡響應。

3.1 不同單響炸藥量對邊坡穩(wěn)定性的影響

采用最大加速度計算方法得到的不同單響炸藥量下的最大加速度如表3所示。從表中可以看出，隨著單響炸藥量的增加，爆破的最大加速度逐漸增加，爆破引起的邊坡最大加速度也逐漸增加。當單響炸藥量達到4 kg時，邊坡爆破振動最大加速度為1.88 m/s2。

表3 不同單響炸藥量下的最大加速度Tab le 3 The m axim um acceleration under different single ring explosive quantity

圖2為采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)求解方法得到的不同單響炸藥量作用下，邊坡的最大剪應變云圖。從圖中可以看出，最大剪應變位于邊坡的坡腳處。

圖2 最大剪應變云圖Fig.2 Contour of maximum shear strain

圖3為不同單響炸藥量對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響。由圖可知，隨著單響炸藥量的增加，邊坡的穩(wěn)定性逐漸下降，說明在邊坡爆破開挖的過程中，要根據(jù)工程的實際情況合理控制單響爆破炸藥量，以期達到邊坡工程的穩(wěn)定控制。

圖3 不同單響炸藥量對邊坡穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of different single ring explosive quantity on the stability of slope

3.2 不同爆心距對邊坡穩(wěn)定性的影響

此處取單響炸藥量為1 kg，爆破深度為10 m，研究爆心距分別為15 m、20 m、25 m、30 m時對邊坡穩(wěn)定性的影響，具體詳見表4和圖4。從表4可以看出，隨著爆心距的增加，爆破最大加速度逐漸減小，爆破引起的邊坡最大加速度也逐漸減小；當爆心距從15 m增加至30 m時，爆破引起的邊坡最大加速度從0.51 m/s2減小到0.12 m/s2。圖4所示為爆心距對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響，由圖4可知，隨著爆心距的加大，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響減小，在1 kg炸藥的當量下，當爆心距大于25 m時，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響已經(jīng)很小，所以在實際工程應用中，在影響較大的爆心距范圍之內，要采取措施減少爆破對邊坡的影響。

表4 不同爆心距的最大加速度Table 4 The maximum acceleration under d ifferent blast center distances

圖4 不同爆心距對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響Fig.4 E ffectof different blast center distance on the stability of slope

3.3 不同爆破深度對邊坡穩(wěn)定性的影響

此處取單響炸藥量1 kg和爆心距10 m，研究不同爆破深度對邊坡穩(wěn)定性影響，見表5、圖5。

表5 不同爆破深度的最大加速度Table 5 The maximum acceleration under differentblast depth

圖5 不同爆破深度對邊坡穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effectofdifferentb lastdepth on the stability ofslope

從表5中可以看出，爆破深度越大，爆破最大加速度越小，爆破引起的邊坡最大加速度也越??；當爆破深度從2 m加深至8 m時，爆破引起的邊坡最大加速度從2.13 m/s2減小至1.14 m/s2。圖5所示為爆破深度對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響，由圖可知，隨著爆破深度的加大，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響減小，所以在實際工程應用中，在影響較大的爆破深度范圍之內，要采取措施減少爆破對邊坡的影響。

4 工程應用

根據(jù)以上研究結果，考慮到基巖爆破開挖可能對止水帷幕墻體產(chǎn)生振動破壞等不利影響，對基巖爆破開挖施工提出如下建議：1）基巖爆破開挖產(chǎn)生對止水帷幕墻體的壓應力不得大于0.6 MPa。2）建議采用分層、分塊爆破開挖基巖，分層的厚度不大于3 m，分塊的面積不大于200 m2。3）要求在基坑坡腳處采用化學靜力爆破方法實施爆破。4）實際施工時應根據(jù)監(jiān)測情況適時調整爆破開挖方案，確保止水帷幕墻體的安全性。

將研究成果應用于該工程，確保了工程安全，取得了良好的經(jīng)濟效益。

5 結論與建議

本文采用基于邊坡穩(wěn)定性強度破壞理論的SRM法，綜合考慮了爆破對邊坡穩(wěn)定性和最大加速度的影響，研究了單響炸藥量、爆心距和爆破深度等因素對爆破開挖基坑的穩(wěn)定性影響規(guī)律?；谘芯砍晒贸鋈缦陆Y論及建議：

1）隨著單響炸藥量的增加，邊坡受到的振動力加大而邊坡的穩(wěn)定性逐漸下降；隨著爆心距和爆破深度的加大，爆破對邊坡的穩(wěn)定性影響減小。在基坑開挖到基巖面后，巖層爆破開挖階段，由于爆破產(chǎn)生的應力波會降低邊坡的抗剪強度，而且產(chǎn)生的慣性力也會使邊坡下滑，這時，邊坡穩(wěn)定性較差。

2）考慮到基巖爆破開挖可能對止水帷幕墻體產(chǎn)生振動破壞等不利影響，特對基巖爆破開挖施工提出要求：基巖爆破開挖產(chǎn)生對止水帷幕墻體的壓應力不得>0.6 MPa。建議采用分層、分塊爆破開挖基巖，分層的厚度≤3 m，分塊的面積≤200 m2。要求在基坑坡腳處采用化學靜力爆破方法實施爆破。實際施工時應根據(jù)監(jiān)測情況適時調整爆破開挖方案，確保止水帷幕墻體的安全性。

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Effect of blasting excavation on stability of deep rock-socketed excavation slopes

PAN Liang-hu,WANG Jian-hua,XIA Xiao-he
（Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China）

In view of the stability of coastal rock-socketed excavation by the blasting excavation method,we studied the influence ofblasting dynamic load on the stability ofexcavation slopes.Taking the step-slope excavation in a coastal site as the research object,we applied the elastoplasticity finite element method combined with strength reduction method,and the emprical formula of blasting vibration propagation attenuation,analyzed the maximum acceleration and the slope stability coefficient under the conditions of the different single ring explosive quantity,different blast center distance and different blast depth,obtained the response regularity of excavation slope caused by blasting excavation.Results indicate that along with the increase of the single ring explosive quantity,the vibration force of the slope is increased and the stability of the slope is decreased gradually.The greater the blasting depth,the smaller the effectof blasting on the slope stability.With the increase of the blast center distance,the influence of blasting on the stability of slope is smaller.The results are used to guide the construction,and the princip le of blasting construction of the rock-socketed excavation is given.

coastal excavation;blasting excavation;slope;stability;acceleration

U655.54

A

2095-7874（2016）11-0011-06

10.7640/zggw js201611003

2016-07-19

2016-09-06

國家自然科學基金重點項目（41330633）

潘良鵠（1978— ），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，從事港口、海岸及近海工程的設計和科研等相關工作。E-mail：plh-rpp@hotmail.com