隧道洞口爆破安全允许距离的计算分析

岳 弘

(中冶长天市政建筑工程公司， 湖南长沙 410007)



隧道洞口爆破安全允许距离的计算分析

岳 弘

(中冶长天市政建筑工程公司， 湖南长沙 410007)

某铁路客运专线隧道工程施工采用钻爆开挖的方式开挖，隧道进口段周边分布有少量村庄建筑物，爆破开挖时可能会对周边建筑物产生影响，因此对爆破影响范围进行论证分析。通过对安全允许距离的计算，得出最合理的警戒线布置方式和距离，从而既能保证工程相关人员的安全，又能避免因为警戒距离过大而对施工造成影响。

爆破开挖； 安全允许距离； 安全允许振速； 计算分析

随着我国交通运输事业的迅猛发展，越来越多的隧道工程投入建设。在隧道爆破施工对既有隧道的影响方面，国内外学者做了大量研究[1-3]。目前大部分铁路隧道处于人口密度相对较小的地区，但是工程周边社会环境同样较为复杂，在进行爆破作业时会对当地居民和房屋建筑以及施工作业人员和设备等造成一定的影响，因此，必须将一定范围内的人员撤离，并对无法撤走的机械设备及建筑物等采取保护措施，这个安全范围就称为爆破安全距离[4-5]。

在各类隧道的爆破中，都需要进行爆破安全范围的设计，其中包括爆破震动的安全距离。爆破震动的安全距离是指爆破后不致引起被保护对象破坏的爆心距被保护对象的最小距离。当被保护对象在爆破安全距离的范围内，就必须采取措施对其加强保护，否则有可能使其遭到毁坏[6]。

GB 6722-2003《爆破安全规程》(以下简称“规程”)对爆破安全允许距离及对环境影响的控制进行了规定。《规程》要求，爆破地点与人员和其他保护对象之间的安全允许距离，应按各种爆破有害效应分别核定，并取最大值。

某铁路客运专线隧道工程施工采用钻爆开挖的方式，隧道进口段周边分布有少量村庄建筑物，爆破开挖时可能会对周边建筑物产生影响，因此，有必要对爆破影响范围进行论证分析。

1 工程概况

1.1 地质条件

隧道区以低山和丘陵为主，地形起伏大，相对高差50～150 m，自然坡度30°～50°，山势险峻，多出悬崖峭壁，冲沟多呈V形，纵向沟谷与山脉走向近于平行，形如梳妆，坡面植被发育。

隧道区位于新华夏系第三沉降带四川盆地西缘的川西褶皱带中，主要构造体系为龙泉山褶皱带，以龙泉山箱状大背斜为骨干，包括一系列走向北20°～30°东的褶皱、冲断层等压性、压扭性结构面。龙泉山大背斜轴部宽阔平坦，两翼陡然下降，延伸不远复又变平。隧址区发育褶皱2条：卧龙寺向斜、龙泉山大背斜(三大弯背斜)；断层2条：龙泉驿断层、尖尖山断层。隧址区节理裂隙较为发育，主要以构造裂隙为主，浅部基岩多为风化卸荷裂隙。

1.2 不良地质与特殊岩土情况

(1)岩石风化剥落：隧道进口为岩质边坡，在外应力的作用下，泥岩呈碎屑剥落，局部形成浅层坍塌，严重影响边坡和基坑的稳定。

(2)膨胀土：主要为膨胀土，硬塑、含铁锰结核、黏性强，厚2～5 m，分布与隧道进口地挖沟槽内。

据土工试验资料，膨胀土自由膨胀率为40 %～72 %，液限为38 %～50.6 %，蒙脱石含量为13.29 %～39.55 %，属于弱～中等膨胀土，具有遇水软化、膨胀、强度降低、失水收缩、开裂、干硬等特征，对隧道进口有一定影响。

(3)压碎岩：隧道区位于断层带，岩体破碎，节理裂隙发育，影响范围较大，在隧道进口形成压碎泥岩，压碎岩破碎，完整性差，对隧道进出口影响较大，隧道施工易突水、突泥、坍方、掉顶。

1.3 围岩类别判断

围岩分级是指根据岩体完整程度和岩石强度等指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一类，将全部的围岩划分为若干类。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。

本次论证分析对象为隧道进口洞门爆破对周边的影响，由隧道围岩分级表可知，隧道进口段范围内围岩为Ⅴ级。

2 隧道概况和施工方法选取

2.1 隧道洞口概况

隧道洞口横断面尺寸见图1。

图1 隧道洞口横断面尺寸(单位:cm)

保护对象所在地质点振动安全允许速度可根据表1以及实际爆破方式确定。

表1 计算采用的安全允许振速

根据调查，隧道口保护对象均为民用建筑物，主要包括3类，分别为土窑洞、土坯房、毛石房屋。一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物，钢筋混凝土结构房屋，并无其他类型的建筑物，安全允许振速的确定还得考虑爆破时的主振频率。由于炮孔布置方式中，炮眼长度一般为3 m或3.5 m左右，均小于5 m，所以该隧道的爆破方式为浅孔爆破。

2.2 开挖爆破施工方法

本次探究洞口附近围岩的钻爆开挖的安全距离计算分析，即选取进口端0～375 m的钻爆开挖作为研究对象。

由于隧道进口附近存在具有遇水软化、膨胀、强度降低、失水收缩、开裂、干硬等特征的膨胀土以及易发生隧道突水、突泥、坍方、掉顶等灾害的破碎带，因此隧道进口0～200 m采用以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破的三台阶七步开挖法施工(图2)。

图2 三台阶七步开挖布置

随着隧道的深入，地质条件得以改善，因此从200～375 m采用技术更加简便、施工成本更加低廉的二台阶三步开挖法施工，上台阶采用爆破法开挖(图3)。

图3 二台阶三步开挖布置(单位:cm)

此外，由于隧道洞口处地质条件相对较差，地应力比较大，因此还需设置仰拱，仰拱的开挖同样采用爆破法开挖。在进口右侧30 m设有平导，平导同样采用爆破法开挖。其爆破开挖的炮眼数、炮眼长度、线装药、炸药用量等见表2。

表2 爆破开挖计算详情

由表2分析可知，在不考虑延期爆破的情况下，隧道正洞进口0～200 m范围内V级围岩爆破时炸药量最大，为35.7 kg；200～375 m范围内V级围岩爆破时炸药量最大为330 kg；仰拱开挖最大炸药量为98 kg；平导开挖最大炸药量为66 kg。

3 隧道洞口安全距离计算与分析

根据GB 6722-2003《爆破安全规程》中的规定：爆破、爆破器材销毁以及爆破器材库意外爆炸时，爆炸源与人员和其他保护对象之间的安全允许距离，应按爆破各种有害效应分别核定，并取最大值。根据本工程实际情况，本次研究主要就隧洞爆破时产生的地震波对周边建筑物的安全允许距离进行了分析论证。

由表2可见，二台阶三步开挖法是从隧道进口后200 m开始采用，因此当按照330 kg炸药量计算时，需要从计算出的安全允许距离中减去从施工点到隧道进口处的距离，也就是减去相应的200 m。

3.1 地形、地质条件系数和衰减系数选取

计算安全允许距离时考虑的隧道进口处为山脉与平原的过渡带。隧道入口周边坡度较小，已基本属于平原地带。丘陵与平原的接合处为一个小型的冲积扇，第四系粉质黏土覆盖层较厚，居民建筑物分布于隧道口周边。

《规程》对爆破参数K、α取值范围有明确的规定。在对K、α进行取值时，主要依据于对爆破点与测试点间的地质条件做出判断，在给定的取值范围内选取其合适的数值，或依据该类地质条件已有的测试数据，直接引用。本次主要采用通过硬度、裂隙发育程度、岩性等来选取K、α。

根据隧道进口段地形、地质条件以及相关的现场试验数据，可以确定爆破点至计算保护对象间的主要岩性为软岩石，与地形、地质条件有关的系数和衰减系数K、α地形、地质条件系数K与衰减指数α的大小，按照图4来选取。

图4 地形地质条件系数K与衰减指数α关系

由图4可以发现，随着地形、地质条件系数K的增加，衰减指数α也增加，并且二者关系近似于线性相关。因此，考虑计算区岩性为软岩石，当K取平均值300时，α也应该取平均值1.9。

3.2 爆破振动安全允许距离计算

根据GB 6722-2003《爆破安全规程》中规定，爆破安全允许距离，应按爆破各种有害效应核定，并取最大值。爆破振动安全允许距离，可按式下式计算：

式中：R为爆破振动安全允许距离(m)；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量(kg)；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度(cm/s)；K、α为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指数。根据上节所述，本次选取K、α值分别为300、1.9。

隧道洞口附近主要为土坯房、毛石房屋，同时含有部分的一般砖房建筑物和钢筋混凝土结构房屋。其中，土坯房、毛石房屋的振动安全允许速度为1 m/s；一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物的振动安全允许速度为3 m/s；大型砌块建筑物和钢筋混凝土结构房屋振动安全允许速度为5 m/s。各类建筑物的计算结果见表3～表5。

图3 土坯房、毛石房屋安全允许距离(V=1.0 cm/s)

表4 一般砖房建筑物安全允许距离(V=3.0 cm/s)

表5 钢筋混凝土结构房安全允许距离(V=5.0 cm/s)

从表3～表5可见，安全允许距离和炸药量正相关、与振动安全允许速度负相关。

3.3 洞口爆破安全距离分析

表3～表5为不同建筑物类型计算时的安全允许距离。据此可以分析确定炸药量多少、安全允许振速的大小、岩石软硬程度与爆破振动安全允许距离的关系。采用单个变量改变的方法，分别确定出关系图(图5、图6)。

图5 炸药量与安全允许距离的关系

图6 安全允许振速与安全允许距离的关系

根据图5可知，当其他变量一定时，随着炸药量的增加，安全允许距离也增加，也就是说，炸药量越大，影响的范围越大。由图6可知，当其他变量一定时，随着安全允许振速的增加，安全允许距离减小。

计算得出的最大安全允许距离为139.08 m，此时Q=330 kg，K=300，α=1.9，V=1.0 m/s；最小安全允许距离为28.41 m，此时Q=35.7 kg，K=300，α=1.9，V=5.0 m/s。但是，当炸药量为330 kg时，计算出的距离应该减去200 m，此时的安全允许距离还在隧道里面，因此，应该取炸药量为98 kg计算出的最大安全允许距离。所以，爆破振动最大安全允许距离R=92.79 m，V=1.0 m/s。

当考虑不同建筑物类型的最大安全允许距离时，可以得出，当炸药量为98 kg时，土窑洞、土坯房、毛石房屋的最大安全允许距离为92.79 m；一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物的最大安全允许距离为52.04 m；钢筋混凝土结构房屋的最大安全允许距离为32.78 m。

4 结论

(1)隧道进口附近存在具有遇水软化、膨胀、强度降低、失水收缩、开裂、干硬等特征的膨胀土以及易发生隧道突水、突泥、坍方、掉顶等灾害的破碎带，因此隧道进口0～200 m采用以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破的三台阶七步开挖法施工；随着隧道的深入，地质条件得以改善，因此从200～375 m采用技术更加简便，施工成本更加低廉的二台阶三步开挖法施工。

(2)当其他变量一定时，随着炸药量的增加，安全允许距离也增加，也就是说，炸药量越大，影响的范围越大；当其他变量一定时，随着安全允许振速的增加，安全允许距离减小。

(3)计算得出本工程最大安全允许距离为139.08 m，此时Q=330 kg，V=1.0 m/s。但是，由于二台阶三步开挖法距离洞口200 m，计算出的距离应该减去200 m，此时的安全允许距离还在隧道里面，因此，应该取炸药量为98 kg计算出的最大安全允许距离。土窑洞、土坯房、毛石房屋的最大安全允许距离为92.79 m；一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物的最大安全允许距离为52.04 m；钢筋混凝土结构房屋的最大安全允许距离为32.78 m。

[1] 赵丰, 薛亚东, 李硕标， 等. 新建铁路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距离研究[J]. 铁道科学与工程学报,2016,13(7): 1365-1371.

[2] 叶培旭，杨新安，凌保林，等. 近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响[J]． 岩土力学，2011，32(2) :537-541.

[3] Jong-Ho Shin, Hoon-Gi Moon, Sung-Eun Chae. Effect of blast-induced vibration on existing tunnels in soft rocks[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2011,26: 51-61.

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[6] 潘小马. 临近隧道施工对既有隧道的影响[D].成都:西南交通大学, 2002.

岳弘(1986～),男，本科，工程师，从事工程项目管理工作。

U455.41; U458.1

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[定稿日期]2016-12-24