城市浅埋隧道爆破效应及防控措施分析

■郑斌

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州　310000）

城市浅埋隧道爆破效应及防控措施分析

■郑斌

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州310000）

在城市闹区进行浅埋隧道施工，爆破产生的有害效应将对周围环境，尤其是市区内房屋以及居民安全带来较大影响。本文依托福州市湖东东路隧道工程，对爆破施工中可能产生的环境有害效应进行分析。基于工程试验和理论分析，并结合相关工程规范进行研究，针对爆破震动、爆破有毒气体、空气冲击波及噪声、爆破飞石的不同灾害特性，提出了相应的预防控制措施，为以后类似工程设计和施工提供了参考和借鉴。

浅埋隧道闹市区爆破有害效应爆破震动防控措施

1　引言

随着社会经济的飞速发展，城市交通量逐渐增大，穿越闹市区的浅埋隧道工程也日益增多。从技术和资金等方面考虑，在施工中一般采用爆破施工方法。但在爆破施工的过程中，常造成环境的次生破坏效应。如何合理设计相应的爆破控制措施，降低爆破对周围环境的损害，是工程中值得深入研究的课题。

爆破次生灾害中，爆破震动带来的灾害效应最为严重。结合以往对爆破震动灾害效应的防治经验来看，主要有三种控制方法［1-3］：一是针对爆源采取的控制措施；二是针对受控对象采取的控制措施；三是针对爆破地震波在传播过程中采取的控制措施。上述三种方法中，实际工程中采用较多的是对爆源的控制，如控制最大炸药量、改变爆破参数，也可以选用低威力低爆速的炸药［4］。降低炸药消耗量不仅能降低爆破震动，同时也是减少有毒气体产生的有效途径。因为根据以往经验，我国工程爆破中炸药能量的有效利用率仅11%～13%左右［5］，大部分炸药没有得到充分利用。除了爆破震动外，爆破过程产生的飞石往往会给爆区附近的人员、建筑物及设备等造成严重威胁，对于此类事故，预防重点应放在爆破参数的合理设计，施工过程的安全控制，人员技术水平、安全责任的提高方面［6］。此外，爆破作业产生的噪声也是重要的环境影响因素，噪声危害大致分为两类［7］：第一类是施工中重型机的噪声；第二类是炸药爆炸的爆破声。采用延期爆破、水封爆破、加强覆盖等方法能有效降低噪声灾害。

由于隧道爆破工程周边环境复杂，施工产生的各种爆破灾害会对附近居民以及建筑物安全产生不同程度的影响。本文首先根据施工现场及周边环境分析了爆破可能造成的次生灾害，并提出相应控制措施，为以后类似工程设计及施工提供了参考和借鉴。

2　工程概况

福州市湖东东路道路工程位于福州市晋安区，金鸡山南麓。道路设计等级为城市主干道Ⅰ级，设计时速50km/h，双向四车道规模，城市二类隧道，建筑限界宽9.25m，高5m。隧道总长1661m，其中明挖段长835.6m，暗挖段长825.4m。该隧道需爆破开挖段落总长约760m，其中明挖段约80m，暗挖段约680m，总计爆破方量约12万m3，工期12个月。

湖东路隧道位于城市闹区，周边环境复杂，房屋密集。隧道埋深浅，施工时既有明挖爆破，又有暗挖爆破，是座典型城市闹区爆破隧道（详见图1～2）。其中爆破需重点保护的地段有：

（1）明挖段（K0+420～K0+500）两侧（福州市环保局、真龙大酒店、居民楼）；

（2）K0+700～K1+240段（32中学、溪口村居民楼、省计生委、天水园小区等）。

3　爆破有害效应的控制

湖东东路隧道爆破工程，既有明挖浅孔台阶爆破，又有暗挖隧道掘进。由于隧道周边有居民区、学校、机关、工厂等单位，必须保证周边人员、建（构）筑物的安全，同时爆破施工不能使周边人员的工作、生产、生活的正常秩序受到较大影响。因此，该工程爆破设计施工必须严格控制爆破的有害效应，包括爆破震动、有毒气体和粉尘、空气冲击波及噪音、爆破飞石等，其中，以爆破震动效应影响最大。

3.1爆破震动效应控制

爆破震动对建（构）筑物的破坏，按照破坏途径可分为震动破坏和非震动破坏两种［8］。而爆破震动控制就是通过合理有效的爆破设计或其它措施对爆破震动控制物理参量进行抑制以及对建 （构）筑物震动响应状态进行控制，最终达到保护建（构）筑物的目的［9］。

我国爆破安全规程采用保护对象所在地质点峰值震动速度作为爆破震动判据，其作用时间短（从开始产生到结束仅为0.6～2.0s），衰减快。震动效应与一次单响装药量（同段装药量）、爆源和需保护的建筑物之间的距离有直接关系，本文将采取减少单响装药量的方法控制爆破震动灾害。根据《爆破安全规程》，计算公式如下：Qmax=（V/K）3/α×R3（1）式中：Qmax——单响爆破炸药量（kg），齐发爆破时为总药量，延时爆破时为最大一段药量；

V——保护对象所在地质点震动安全允许速度（cm/s）。根据《爆破安全规程》，爆破时，砖结构民房、环保局大楼、瑞和真龙大酒店、新闻大厦、宿舍楼、福州三十二中、溪口村楼房等取V=2.0cm/s；商业大楼、照天君宫殿、金鸡山路等取V=3.0cm/s；福建省计生委由于有精密仪器取V=0.5cm/s；

K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形，地质条件有关的系数和衰减系数，按《爆破安全规程》规定的参数选定，花岗岩、闪长玢岩石属中硬岩，取K=150，α=1.5；

R——距离爆破点最近处需要保护的建筑物的距离。

经计算得：

（1）明挖段（K0+420～K0+500段）

经计算明挖段（K0+420～K0+500段）（见表1），单响最大装药量 为3.1kg。

表1　明挖段单响最大装药量计算表

（2）暗挖段（K0+560～K1+240段）

根据周边主要保护建筑物的位置，计算隧道爆破单响最大药量，具体结果详见表2。由该表可知，该段单响最大装药量受允许振速0.5cm/s和2cm/s的建筑物控制。根据振速0.5cm/s和2cm/s时，计算不同距离下的单响最大药量，具体结果详见表3。

表2　最近建筑物影响下不同位置单响最大装药量计算表

表3　不同震速和距离下单响最大装药量

根据以上计算结果分析，可得出各桩号隧道单响允许最大药量，详见表4。

表4　各桩号段隧道单响最大药量表

以上数据为理论结合实际经验的数值。但由于不同岩石结构和物理力学性质的差别，为了获得最佳爆破效果，不论是采用浅孔爆破还是深孔爆破，必须先要进行1～2炮少量炮孔试爆，视其爆破效果，根据试爆效果及其对建（构）筑物的影响（主要指爆破震动）是否符合规程要求，合理调整设计参数取值。

3.2爆破有毒气体与粉尘影响控制

由于该工程地处闹市，施工人员除按爆破安全规程要求放炮之外，必须待通风时间超过30min后才可进入隧洞内作业；爆破时可在炮孔中装填水炮泥，利用炮孔炸药爆破瞬间产生的微小水滴扑获爆破烟尘；在隧道洞口安装雾化器（图3），在爆破前2～3min打开雾化器装置，爆破后20min左右关闭；同时注意爆前在爆区上洒水、爆破时加强覆盖和爆后洒水，进一步降低爆破烟尘的有害影响。

3.3空气冲击波及噪声控制

高密度压缩炸药爆炸能产生高压高温的热气，因为气体积迅速膨胀，在气体前端会形成 一层压缩气体，即爆炸冲击波［10］。对其安全距离的计算尤为重要。

3.3.1控制标准

（1）隧道爆破空气冲击波安全距离计算

安全距离计算公式：R=KQ1/3（2）

式中，K——药包放置方式系数。祼露K=25；埋藏，对人员取K=15～20，暗挖段取K=18；

Q——毫秒爆破时取一次爆破药量。两台阶法开挖时，一次最大起爆药量为7.6kg；预留核心土法开挖，一次最大起爆药量为2.4kg；CRD法开挖时，一次最大起爆药量为0.6kg。

（2）爆破作业噪声控制标准

根据爆破安全规程13.4点要求，爆破突发噪声判据，采用保护对象所在地最大声级。本隧道爆破区域位于0～2类声环境功能区，进行爆破时，根据爆破规程应采取降噪措施並进行必要的爆破噪声监测。

3.3.2控制措施

通过计算可知，湖东东路隧道暗挖段爆破空气冲击波影响范围均在隧道内，不会影响到隧道外部环境，但爆破时，施工人员必须在安全距离外，才能确保安全。

暗挖段隧道爆破，由于冲击波在隧道壁内的反射作用，冲击波强度大，相应爆破噪声也比较强，传播距离较远。因此，在该复杂环境中爆破时，必须在隧道洞口设置阻波、降噪排（网）架，洞内设置二重阻柔性波帘幕，阻挡削弱爆破冲击波及噪声的影响。

隧道明挖段爆破采用浅孔台阶爆破与机械开挖相结合的方式，由于炸药在孔内爆破，爆破单耗较小，只要严格控制装药量和确保炮孔填塞长度大于最小抵抗线的1.2倍，一般不会产生较大冲击波危害，爆破噪声也较小。为了进一步提高安全性，爆破时可在每个炮孔口上加压一个沙（土）袋，上覆竹耙（炮被），再加压一层沙（土）袋，以此削弱爆炸冲击波和爆破噪声，使其小于90dB。

3.4爆破飞石控制

爆破飞石的最大危害［13］是造成人员伤亡，由于爆破飞石的速度极快，因此其影响范围也很大。工程上往往通过控制爆破飞石安全距离、设置阻挡带、控制单耗药量等措施来避免飞石灾害。

爆破飞石距离按下式计算：

Rs=K·q·D（3）式中：Rs——飞石距离，m；

K——与爆破形式、堵塞质量、地形有关的系数，K= 0.5～2.0；

q——炸药单耗，kg/m3；

D——炮孔直径，D=42mm。

不同开挖方法下，飞石距离计算结果见表5：

表5　不同开挖方法飞石距离计算表

由上述计算结果可知，湖东东路隧道爆破无防护时爆破飞石影响隧道爆破最远距离可达113m、明挖段浅孔爆破时飞石最远30m。飞石防护措施如下：

（1）合理设计，严格施工。选择合理单耗药量是控制飞石的关键。

（2）把握钻孔质量，进行认真验收，处理好有水孔，加强堵塞，填塞物内不得含有碎石等异物；隧道明挖浅孔台阶爆破确保堵塞长度要大于最小抵抗线1.2倍。

（3）检查并处理第一排炮孔的立面，发现有软弱带，张开裂缝和凹陷处应进行间隔堵塞。

（4）按设计提出的爆破飞散物安全允许距离范围边界，设置警戒，严防无关人员进入爆区。

（5）在隧道明挖段和隧道内分别采取飞石阻挡措施。

湖东东路明挖浅孔松动爆破爆区为下挖路槽，开挖区表层为土质采用机械开挖，需要爆破岩石位于路槽内，标高低于周边地面2～5m，并已在其周边和上部浇筑钢筋混凝土框架支撑梁。明挖段浅孔爆破需采用小抵抗线密集孔布置并保证填塞长度；炮孔中装填水炮泥（装水的塑料袋）；在爆体表面覆盖一层湿的海绵垫，并在海绵垫上加压砂袋；在混凝土支撑梁上搭设木棍，在上面铺一层孔径为5cm×5cm的钢丝网，再在钢丝网上盖一层竹笆（或炮被：3m×3m宽竹笆帘；将废旧轮胎胶割成8～10cm宽、2.5m左右的长条，然后编织成2.0～2.5m正方形爆被）。覆盖材料应相互搭接（长度大于15cm），覆盖区域超出爆区边界50cm，覆盖时注意保护起爆网路。

隧道暗挖段现已用机械开挖到洞内40m处。洞身掘进在200m以内进行隧道爆破时，在洞口设置与洞口断面相适应的活动双层钢丝网防护排架，阻挡飞石及冲击波。

本工程通过上述安全防护措施，明挖段爆破时飞石控制在施工围挡以内，爆破警戒时按距围挡外30m警戒范围（即以金鸡山疗养院围墙为界）进行警戒；隧道暗挖段爆破时飞石控制在洞口内，爆破警戒范围为隧道洞口正前方100m、侧面30m；隧洞爆破开挖时，起爆站均设在洞口外侧面20m处安全地点。在警戒区边界设置明显标志并派出岗哨，爆破时，在警戒范围内进行清场，禁止爆破区范围内车辆、人员等进出。

4　结束语

本文尝试结合湖东东路隧道工程，依据实际经验以及相关工程规范，对城市浅埋隧道爆破次生灾害进行分析，得到以下几个结论：

（1）爆破点周围环境复杂，爆破前需做好前期调查工作并与各有关单位协商，实施定时、准点爆破。

（2）明挖段爆破施工中，单响最大装药量为3.1kg；而暗挖断不同里程的爆破施工最大装药单响量的范围为0.6kg～3.1kg，且采取两台阶法施工的K0+570～K0+640里程段的最大装药单响量可以达到7.6kg。

（3）爆破后注意通风，同时采用水封爆破和喷雾洒水的方法最大限度降低粉尘及毒气灾害。严格要求施工人员在安全距离外，注意用覆土法降低爆破噪声。利用钢丝网等阻挡措施防护飞石灾害，并在合适位置设置警戒。

（4）严密监测地面重要建筑物、危房、存有精密仪器的机关单位的震动速度，并根据监测情况随时调整施工进度和加固措施。

［1］李夕兵，凌同华，张义平等.爆破震动信号分析理论与技术［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］凌同华，李夕兵，王桂尧等.爆破震动灾害主动控制方法研究［J］.岩土力学，2007，28（7）：1339-1443.

［3］沈昌君，杨清.降震爆破技术试验研究［J］.有色金属，2002（3）：4l-45.

［4］张雪亮，黄树棠.爆破地震效应［M］.地震出版社，198l.

［5］郭声琨，汪旭光，陈积松.中国工程爆破的成就与发展战略［J］.工程爆破，1995（4）：1-7.

［6］陶明，任少峰，王玉杰，等.一起爆破飞石事故的事故树分析［J］.爆破，2007，03：114-116.

［7］林大泽.爆破噪声及其控制［J］.中国安全科学学报，1998，06：29-32.

［8］叶海旺，房泽法，彭志刚.爆破地震对结构的影响［J］.爆破，2000，17（1）：86-91.

［9］凌同华.爆破震动效应及其灾害的主动控制［D］.长沙：中南大学，2004.

［10］盛利，郭玉荣，肖岩.爆炸空气冲击波荷载效应［J］.湖南城市学院学报（自然科学版），2006，02：1-3.

［11］任翔，韦爱勇.爆破飞石的控制与防护［J］.采矿技术，2005，01：80-81.