爆破开挖对入岩深基坑边坡稳定性影响

潘良鹄，王建华，夏小和

（上海交通大学，上海 200240）

爆破开挖对入岩深基坑边坡稳定性影响

潘良鹄，王建华，夏小和

（上海交通大学，上海 200240）

针对采用爆破开挖施工方法的临海入岩基坑稳定性问题，研究了爆破动荷载对基坑边坡稳定性影响规律。以某临海场地放坡开挖基坑为研究对象，采用与强度折减法相结合的弹塑性有限元方法和爆破振动传播衰减规律经验公式，系统分析了不同单响炸药量、不同爆心距和不同爆破深度时边坡的最大加速度和边坡稳定性系数，得到了爆破开挖引起的基坑边坡响应规律。研究表明：随着单响炸药量的增加，边坡受到的振动力加大而稳定性逐渐下降；爆破深度越大，爆破对边坡的稳定性影响越小。随着爆心距的加大，爆破对边坡的稳定性影响越小。将研究结果用于指导施工，给出了入岩基坑爆破施工的原则。

临海基坑；爆破开挖；边坡；稳定性；加速度

0 引言

在临海地区设计与施工进入基岩的基坑必须分析基坑工程的稳定性。基坑工程在施工中会受到各种荷载的作用，使得基坑在工程施工的全程中，周边的应力场随之产生变化，进而对基坑的整体稳定性会产生一定的影响。入岩基坑往往采用放坡开挖方法施工，岩层的开挖需要采用爆破的方法，爆破开挖在基坑工程的施工过程中产生较大的荷载变化，爆破动荷载产生的应力波降低边坡的抗剪强度，产生的惯性力可能使边坡下滑，可能导致边坡动力失稳[1-2]。考虑到基坑周边的特殊环境及工程质量要求，研究爆破开挖对基坑稳定性的影响很有必要。根据得到的研究规律，对实际设计施工具有很好的指导作用，有利于保证基坑工程的经济性和安全性。

目前在分析边坡稳定性时，常采用极限平衡条分法和弹塑性有限元数值分析两种方法[3-5]。其中，弹塑性有限元数值分析方法通常分为单纯的弹塑性分析方法和强度折减弹塑性有限元分析方法。李宁等[6]应用动力有限元数值模拟，研究不同的边坡与已有洞室间距、岩体阻尼比、最大单响药量情况下边坡爆破振动对洞室围岩和衬砌结构的影响问题，研究结果为实际工程的施工和设计提供参考和依据。郑颖人[7]等认为地震作用下边坡破坏机制是边坡动力稳定性分析的前提，地震边坡破坏机制为剪切破坏，并以极限平衡法计算得到的剪切滑移面作为地震动力作用下的破裂面，而不考虑地震荷载作用下的拉破坏，从而使地震边坡稳定性分析失真。

本文以某临海入岩基坑工程为研究对象，采用与强度折减法相结合的弹塑性有限元方法和爆破振动传播衰减规律经验公式，系统分析了不同单响炸药量、不同爆心距和不同爆破深度时边坡的最大加速度和边坡稳定性系数。结合研究成果，给出入岩基坑爆破施工的准则，用于指导施工。

1 工程概况

拟建某工程建筑位于海南省文昌市龙楼镇南部，毗邻南海。基础施工需开挖基坑，基坑开挖布置图如图1所示。

图1 基坑开挖布置示意图Fig.1 Plan view of the excavation

基坑开挖深度为22.0～22.5 m，采用止水帷幕+放坡+护坡的支护方案。基坑安全等级为一级。本工程距离南海直线距离仅800 m；从水文地质条件来看，南海海水与本场地地下水存在水力联系。

1.1 工程地质条件

拟建筑物场地四周空旷，地形基本平坦。场区现已平整，属于海成Ⅰ级阶地地貌。岩土工程勘察报告显示，场地上部地层属于第四纪海相沉积物，于剥蚀残山-海湾沉积过度的海岸地貌，剥蚀残山、海岸悬崖、不规则海滨平原和海滩漕间带等地貌单元均有分布。地形较平坦，微向海倾，是全新世以来随着海平面震荡下降、泻湖消亡逐渐形成的不规则小规模海滨平原，高程变化2～5 m。

根据勘察报告，场地有2层含水层，第1层含水层为主要赋存于第②层细砂、第③层含砂生物碎屑、第③1层粉砂及③2层珊瑚礁中的孔隙潜水，地下水主要接受大气降水及地下径流补给，通过大气蒸发及地下径流进行排泄；第2层含水层为赋存于第④1层砂砾状强风化花岗岩、第④2层碎块状强风化花岗岩及第④层中风化花岗岩中的裂隙潜水，勘察期间钻孔中静止水位埋深为0.0～0.6 m（局部低洼处，地表水直接出露地表）。本工程与南海相距较近，场地地下水与南海海水存在着水力联系，尤其受南海潮汐作用影响大。

工程区内地下水以孔隙水为主，含水层较厚，渗透性良好，向海排泄路径通畅。施工开挖应考虑地下水渗流的影响，采取措施，防止渗流破坏和海水倒灌。具体土层地质概况详见表1。

表1 土质参数Table 1 Soil parameters

1.2 工程特点及难点

本基坑工程存在如下特点及难点：1）工程量大：基坑开挖面积大，地面面积约15 000 m2；开挖深度大，且进入基岩；土石方工程量大。2）工期长：本基坑开挖和基础施工的总工期预计要超过2 a，这样，基坑开挖后坡面暴露时间长，安全风险大。3）设计限制：因需爆破开挖基岩，不可设计内支撑，只能采用止水帷幕加放坡、护坡。4）不利因素多：基岩爆破开挖时的振动荷载对基岩原有裂隙会产生进一步破坏，并且对支护墙体产生不利影响，若墙体强度不足，振动会导致墙体产生裂隙，使基坑围护体破坏而出现漏水现象。潮汐作用所引起的附加荷载加大了围护体外侧的水压力，短时间内形成较大的水位差，在基岩面附近会发生渗漏，对隔断基岩面及其以上覆土层交界面的渗透通道施工质量要求大大提高。这样，在基坑围护体的设计过程中必须考虑这些不利因素的影响。本文针对爆破开挖施工方法，研究爆破开挖时的振动荷载对基坑边坡稳定性的影响。

2 研究方法

边坡在开挖爆破作用下的稳定性分析是个十分复杂的问题，也是一个亟待深入研究的领域。众所周知，爆破振动对岩质高边坡稳定性的影响主要表现在两方面：一方面，爆破振动荷载的反复作用会导致岩体结构面抗剪强度参数降低；另一方面，爆破振动惯性力的作用使坡体上整体下滑力增大，可能导致边坡的动力失稳。因此，本文分别采用边坡稳定安全系数求解方法和最大加速度计算公式研究爆破施工对边坡稳定性安全系数和最大加速度的影响。

2.1 边坡稳定安全系数求解方法

边坡稳定性计算基于强度折减弹塑性有限元分析方法（SRM），它是将强度折减技术与弹塑性有限元方法相结合，首先通过针对某一强度折减系数下进行边坡的弹塑性有限元分析，得到边坡内的应力场、应变场、位移场，然后再根据位移、广义剪应变等描述变形程度的某种物理量作为评判指标，定量地描绘边坡的潜在塑性破坏区域及其程度与发展趋势，据此基于一定的经验评判准则确定边坡的极限平衡状态，并将由此所确定的相应强度折减系数作为边坡的稳定安全系数[3]。

基于强度折减概念的弹塑性有限元数值分析，对于域内某一点，假定在某个剪切面上土体中正应力与剪应力分别为R和S，则按照Bishop安全系数的一般定义，同时考虑到该点的抗剪强度，可用Mohr-Coulomb破坏准则表示为：

τf=c+σtanφ （1）

则该点土体在这个预定剪切面上的安全系数即为：

假如此时土体没有发生剪切破坏，土体中的实际剪应力与实际中得以发挥的抗剪强度相同，即为：

由此可知实际中得以发挥的抗剪强度相当于折减后抗剪强度的指标。折减后的抗剪强度指标分别为：

从这个意义上F可以看作为强度折减系数，而从式（2）可以认为F为强度储备系数，或者实际强度发挥程度系数。

2.2 最大加速度计算方法

施工爆破作用下，岩质边坡的动力响应受很多因素的影响，要精确求解是十分困难的。岩体弹模、边坡坡度、爆源位置和一次起爆药量及岩坡的岩体地质结构等因素对岩坡的爆破振动响应均有很大的影响。

实际工程中岩质边坡是非常复杂的，不仅外形不可能很规则，而且岩体内部存在着明显的非均质性和非连续性。这些因素对岩坡的动力特性和爆破振动响应都有很大的影响。全面考虑上述这些因素，将使问题变得极其复杂以致难以求解。因此，本文仅按均质、连续、外形规则的简化边坡模型进行研究，以期获得一些初步规律。

爆源处的爆破振动传播衰减规律可采用经验公式[5]：

式中：B为爆破加速度，m/s2；K为场地参数，本文取110；Q为单响药量，kg；R为爆心距，m；H为潜在滑体与爆源高差，m；α、β均为衰减参数，分别取1.5和0.45。

基于爆源最大振动加速度计算岩质边坡体爆破振动状态下的最大加速度，坡体各点的爆破振动水平最大加速度与竖向最大加速度按相等考虑。根据岩坡坡体的弹模由表2查出特征加速度a1、a2、a3。

关于师资方面，高校可以考虑将辅导员这一群体培养成师资力量，每个辅导员都管理着一定数量的班级，他们与学生的接触是十分紧密的，可以由他们作为老师，向学生们进行定期的应急救护培训教育。非医学类高校可以和医学类高校进行友好交流，邀请医学类高校相关老师给在校学生开展讲座。

根据爆心距求出边坡的振动加速度，具体计算公式为：

当R≤40 m时，振动加速度：

表2 特征加速度表Table 2 Characteristic acceleration

当40 m

当R>100 m时，振动加速度a等于特征加速度a3。

3 爆破开挖对边坡的影响分析

结合本工程具体情况，分别采用边坡稳定安全系数和最大加速度计算方法研究爆破开挖引起的边坡响应。

3.1 不同单响炸药量对边坡稳定性的影响

采用最大加速度计算方法得到的不同单响炸药量下的最大加速度如表3所示。从表中可以看出，随着单响炸药量的增加，爆破的最大加速度逐渐增加，爆破引起的边坡最大加速度也逐渐增加。当单响炸药量达到4 kg时，边坡爆破振动最大加速度为1.88 m/s2。

表3 不同单响炸药量下的最大加速度Tab le 3 The m axim um acceleration under different single ring explosive quantity

图2为采用边坡稳定安全系数求解方法得到的不同单响炸药量作用下，边坡的最大剪应变云图。从图中可以看出，最大剪应变位于边坡的坡脚处。

图2 最大剪应变云图Fig.2 Contour of maximum shear strain

图3为不同单响炸药量对边坡稳定性系数的影响。由图可知，随着单响炸药量的增加，边坡的稳定性逐渐下降，说明在边坡爆破开挖的过程中，要根据工程的实际情况合理控制单响爆破炸药量，以期达到边坡工程的稳定控制。

图3 不同单响炸药量对边坡稳定性的影响Fig.3 Effect of different single ring explosive quantity on the stability of slope

3.2 不同爆心距对边坡稳定性的影响

此处取单响炸药量为1 kg，爆破深度为10 m，研究爆心距分别为15 m、20 m、25 m、30 m时对边坡稳定性的影响，具体详见表4和图4。从表4可以看出，随着爆心距的增加，爆破最大加速度逐渐减小，爆破引起的边坡最大加速度也逐渐减小；当爆心距从15 m增加至30 m时，爆破引起的边坡最大加速度从0.51 m/s2减小到0.12 m/s2。图4所示为爆心距对边坡稳定性系数的影响，由图4可知，随着爆心距的加大，爆破对边坡的稳定性影响减小，在1 kg炸药的当量下，当爆心距大于25 m时，爆破对边坡的稳定性影响已经很小，所以在实际工程应用中，在影响较大的爆心距范围之内，要采取措施减少爆破对边坡的影响。

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

图4 不同爆心距对边坡稳定性系数的影响Fig.4 E ffectof different blast center distance on the stability of slope

3.3 不同爆破深度对边坡稳定性的影响

此处取单响炸药量1 kg和爆心距10 m，研究不同爆破深度对边坡稳定性影响，见表5、图5。

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

图5 不同爆破深度对边坡稳定性的影响Fig.5 Effectofdifferentb lastdepth on the stability ofslope

从表5中可以看出，爆破深度越大，爆破最大加速度越小，爆破引起的边坡最大加速度也越小；当爆破深度从2 m加深至8 m时，爆破引起的边坡最大加速度从2.13 m/s2减小至1.14 m/s2。图5所示为爆破深度对边坡稳定性系数的影响，由图可知，随着爆破深度的加大，爆破对边坡的稳定性影响减小，所以在实际工程应用中，在影响较大的爆破深度范围之内，要采取措施减少爆破对边坡的影响。

4 工程应用

根据以上研究结果，考虑到基岩爆破开挖可能对止水帷幕墙体产生振动破坏等不利影响，对基岩爆破开挖施工提出如下建议：1）基岩爆破开挖产生对止水帷幕墙体的压应力不得大于0.6 MPa。2）建议采用分层、分块爆破开挖基岩，分层的厚度不大于3 m，分块的面积不大于200 m2。3）要求在基坑坡脚处采用化学静力爆破方法实施爆破。4）实际施工时应根据监测情况适时调整爆破开挖方案，确保止水帷幕墙体的安全性。

将研究成果应用于该工程，确保了工程安全，取得了良好的经济效益。

5 结论与建议

本文采用基于边坡稳定性强度破坏理论的SRM法，综合考虑了爆破对边坡稳定性和最大加速度的影响，研究了单响炸药量、爆心距和爆破深度等因素对爆破开挖基坑的稳定性影响规律。基于研究成果，得出如下结论及建议：

1）随着单响炸药量的增加，边坡受到的振动力加大而边坡的稳定性逐渐下降；随着爆心距和爆破深度的加大，爆破对边坡的稳定性影响减小。在基坑开挖到基岩面后，岩层爆破开挖阶段，由于爆破产生的应力波会降低边坡的抗剪强度，而且产生的惯性力也会使边坡下滑，这时，边坡稳定性较差。

2）考虑到基岩爆破开挖可能对止水帷幕墙体产生振动破坏等不利影响，特对基岩爆破开挖施工提出要求：基岩爆破开挖产生对止水帷幕墙体的压应力不得>0.6 MPa。建议采用分层、分块爆破开挖基岩，分层的厚度≤3 m，分块的面积≤200 m2。要求在基坑坡脚处采用化学静力爆破方法实施爆破。实际施工时应根据监测情况适时调整爆破开挖方案，确保止水帷幕墙体的安全性。

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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

国家自然科学基金重点项目（41330633）

潘良鹄（1978— ），男，江苏镇江人，硕士研究生，从事港口、海岸及近海工程的设计和科研等相关工作。E-mail：plh-rpp@hotmail.com