下穿隧道爆破施工引起的振动对既有地铁车站内人员舒适性的影响

孙冰峰，张顶立，陈铁林，傅洪贤

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044； 2.大连市城市建设管理局，辽宁 大连 116021； 3.北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

在目前隧道建设中，考虑到工程地质条件和经济效率，钻爆法仍然是最常用的施工方法[1]。爆破引起的振动会对周围建(构)筑物以及围岩造成影响，很多学者针对这两个方面进行了研究[2-5]，结果发现，通过采用非电导爆雷管台阶法隧道爆破及分部法隧道爆破等手段，可以满足《爆破安全规程》所规定的各项指标并保证各类建(构)筑物的安全。尽管国际上已把振动列为7大环境公害之一[6-7]，但受被影响主体主观因素等的限制，我国对于振动引起的人员舒适性研究尚处于初始阶段。

事实证明，振动对人的影响是一个非常复杂的过程，它不仅与爆破振动特性有关，而且还与人的心理和生理状态以及环境条件有关。张志毅等[8]对某大型工程4年左右的监测数据统计发现：地面上的有感振动速度阀值为0.7 m·s-1，心理可容忍的振动速度阀值为5 mm·s-1；随着维权意识的增强，居民对爆破振动带来影响的容忍度越来越低。美国矿业局调查发现，当振动速度峰值达到10 mm·s-1时，周边居民的投诉率高达10%[9]。郦东东等[9]对CMICT码头土石方爆破工程进行了实测，提出振动速度峰值不超过5 mm·s-1时，爆破振动一般不会引起居民的反感，这与文献[8—9]的研究结果不谋而合；宋志刚等[10]研究了云南省某爆破工程爆破时临近建筑物内人员舒适性，结合我国《城市区域环境振动标准》，分析了居民在平卧和侧卧状态下的振动引起的人员舒适性标准。姚强、燕永峰等[11-12]基于既有文献分析了我国爆破振动引起的人员舒适性评价方法的现状，研究了不同振动速度时人体的感知和爆破振动舒适性评价指标；CHEN Shihai等[13]研究了强夯导致的人员舒适性的评价和控制标准；Erim A等[14]对人处于坐姿和站姿时身体结构的阻尼比进行了研究，提出了人体各部位所能感应到的振动频率。综上所述，目前的研究尚以房屋建筑内居民的舒适性为主，而对地铁车站内人员舒适性的研究较少。

本文依托下穿大连地铁1号线会展中心站的大连市南雁四回路输电线路改造时电力隧道爆破施工工程，根据工程设计文件及试验段试验结果确定电力隧道爆破方案和参数；基于对振动引起人员舒适性评价指标的调研，选取最大加权振动烈度(KBFmax)作为评价指标；在既有地铁车站内不同位置处布设振动速度监测点，监测电力隧道爆破时车站内的峰值振动速度及相应的主振频率，同时调研距离本车站最近的司乘人员和站台人员的震感；依据计算得到的KBFmax和车站人员的震感，定量分析下穿隧道爆破施工引起的振动对其站内人员舒适性的影响，并提出适用于既有地铁车站内人员的KBFmax，对城市轨道交通车站内司乘人员和站台人员的舒适性研究具有重要的指导意义。

1 隧道爆破方案及参数

1.1 工程概况

本工程位于大连市区星海湾广场附近，区段地层围岩以中风化的震旦系桥头组板岩为主，并与石英岩互层组成，根据勘探结果围岩等级确定为Ⅳ级，围岩的坚固性系数f=5.2。

暗挖电力隧道在里程为K0+501.623—K0+520.149时下穿大连地铁1号线会展中心站，剖面位置关系如图1所示。该段隧道采用马蹄形断面，复合式衬砌，开挖轮廓为4.4 m×6.15 m，台阶法施工，隧道拱顶距地铁车站底板7 100 mm，距地面25 223 mm。会展中心站为地下明挖双层矩形框架结构。

图1 电力隧道下穿地铁1号线会展中心站剖面位置关系图(单位：mm)

1.2 爆破参数

电力隧道开挖采用台阶法施工，上台阶开挖高度3 000 mm，下台阶开挖高度3 950 mm，下部施工与拱部一次成环。为减少同段位起爆药量，减小对围岩的扰动，上下台阶采取先上后下的爆破顺序，同时，为了方便上台阶扒渣，上下台阶错开长度控制在3 000～5 000 mm，循环进尺在1～2榀(750～1 500 mm)。

1.2.1 炮孔布设

为减轻爆破施工对地铁车站的影响，电力隧道施工采用预裂爆破施工法。根据既有规范及试验段测试结果，确定上下台阶的炮孔布置。上台阶：预裂爆破区设预裂导向孔和预裂装药孔，孔间距为450 mm；设3排崩落孔，排距为550 mm，孔距为750 mm；掏槽眼和扩槽眼各设4个，孔距分别为750和1 500 mm，排距均为500 mm；底板眼孔距为550 mm。下台阶：下台阶设周边眼和底板眼，并在下台阶掌子面设3排炮孔，周边眼间距500 mm和底板眼均为500 mm，掌子面炮孔孔距800 mm，排距750 mm。炮孔布置位置如图2所示。

1.2.2 单段最大药量计算

根据标准GB 6722—2014《爆破安全规程》中引用的萨道夫斯基经验公式，计算爆破一段隧道需要的最大炸药量Q，计算公式为

(1)

式中：R为爆破振动的安全距离，m；V为保护对象质点处的安全允许振动速度，cm·s-1；K和α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的常数项系数和衰减指数，应经现场试验取得，无试验数据的条件下，可参照表1选取。

该电力隧道围岩等级为Ⅳ级，系软岩石，参照表1并综合试验段测试结果，计算本工程单段药量最大值时取K=250，α=1.9；根据地铁公司要求，地铁车站内质点振动速度最大值限定为2.0 cm·s-1，即V=2.0 cm·s-1。

1)预裂爆破区域单段最大药量

预裂导向孔内不装炸药，它在预裂爆破中起到释放围岩压力并对雷锋起到导向作用，减轻爆破过程对周边围岩的影响。由于预裂导向孔的存在，预裂装药孔的爆破振动会有所降低，根据工程经验降低幅值约为30%，所以K=250×0.7=175，α=1.9，R=7.1 m，V=2.0 cm·s-1；计算得出单段最大炸药用量为0.31 kg。

2)掏槽区单段最大药量

掏槽爆破时，爆破点与地铁车站底板之间的距离相比于预裂爆破区增加了了2.0 m，同时，先行预裂带的形成和大型减震孔作用，其振动传导会有50%衰减，所以K=250×0.5=125，α=1.9，R=9.1 m，V=2.0 cm·s-1；计算得单段最大炸药用量为1.10 kg。

3)下台阶爆破单段最大药量

下台阶爆破时，爆破点距地铁车站底板的距离增加至11 m，上台阶已经形成，其振动传导会有50%衰减，所以K=250×0.5=125，α=1.8，R=11 m，V=2.0 cm·s-1；计算得单段最大炸药用量为1.94 kg。

1.2.3 开挖爆破参数

根据设计文件和本工程试验段调整后的电力隧道爆破施工时各炮孔深度及炸药量等参数见表2，同时将爆破施工时各炮孔的雷管段位及不同炮孔在图2中的表示方式(图例)列于表2中。

2 评价指标及监测方案

2.1 评价指标

对于主振频率在1～1 000 Hz内的振动，人都能感受得到，但对于环境振动而言，我们应该更加关注人体反应特别敏感的主振频率在1～80 Hz内的振动[13-14]。

表2 电力隧道开挖爆破参数

很多专家就爆破振动对人员舒适性的评价指标进行了一系列的实测研究，得出了相应的研究成果，当前较为常用的舒适性评价指标有3种：最大加权振动烈度评价方法[16-18]、爆破振动峰值强度评价方法[15]和振动加速度评价方法[19-21]。其中，最大加权振动烈度(KBFmax)由德国标准DIN 4150-2提出，该方法定义了瞬态爆破引起的周期和非周期振动对人员舒适性影响的评价指标。具体评价方法为：通过监测得到的峰值振动速度(vPPV)和相应的主振频率(f)计算得到KBFmax，当其值小于DIN 4150-2所规定的限值时，则认为环境振动满足建筑中人员舒适性要求。KBFmax的计算公式为

(2)

式中：f0为高通滤波器的截止频率，Hz，一般取5.6 Hz；cF为常数，取值0.6～0.8。

DIN 4150-2第6.5.1条规定的KBFmax限值，是针对商业建筑、住宅以及需保护的建筑内的人员而提出的，见表3，没有针对地铁车站内人员。由于运行列车自重及钢轨不完全平整等因素，正常情况下城市轨道交通系统中也存在一定的振动[21]，可见适用于普通民用建筑里人员的最大加权振动烈度限值并不适用于地铁车站内的人员。

2.2 监测方案

由式(2)可知，影响KCFmax的参数只有峰值振动速度和主振频率。为了分析下穿隧道爆破施工引起的振动对既有地铁车站内司乘人员和站台停留人员的影响，对地铁车站结构的振动速度及其相应的主振频率进行监测，因此，在地铁车站内(新建电力隧道的正上方)设置2个监测点，分别位于轨道基床表面和车站站台中央。

3 地铁车站内人员舒适性分析

电力隧道自2016年10月29日开始下穿地铁车站施工，12月10日穿过车站，历时共计28天。每天进行爆破作业1次，则得到监测数据28组。文献[22]调研发现，相同情况下，位于迎爆侧质点的振动速度大于背爆侧。本文选取电力隧道开始穿越地铁车站到施工至地铁车站站台中央正下方的12组监测数据，取cF=0.8，采用式(2)计算得到KBFmax。每次爆破完成后，向距离本站最近的列车司乘人员以及站台上停留人员进行调研，鉴于列车运行过程中本身存在一定程度的振动，所以调研时更加关注震感是否与以往乘车体验不同，故问询“有无明显异常震感”。

3.1 列车司乘人员舒适性分析

将上下台阶施工时轨道基床表面的峰值振动速度、主振频率，计算得到的最大加权振动烈度，以及调研得到的司乘人员感受均列于表4和表5。

表4 上台阶施工时轨道基床的评价参数及结果

表5 下台阶施工时轨道基床的评价参数及结果

由表4和表5可以得到如下结论。

(1)轨道基床表面的峰值振动速度小于20 mm·s-1，相应的主振频率分布在30～80 Hz之间，最大峰值振动速度为19.1 mm·s-1，满足《爆破安全规程》对安全允许质点振动速度的相关规定。

(2)上台阶施工过程中，司乘人员在10月30日和11月2日感受到了较为明显的振动，此时KBFmax分别为10.8和9.6；下台阶施工过程中，司乘人员并无明显异常震感。

(3)当轨道基床上质点的KBFmax≥9.6时，司乘人员会有较明显异常震感；而KBFmax≤9.3时，司乘人员无明显异常震感。

3.2 站台停留人员舒适性分析

将上下台阶施工时站台中央的峰值振动速度、相应的主振频率、计算得到的最大加权振动烈度，以及调研得到的站台上人员感受列于表6和表7。

表6 上台阶施工时站台中央评价参数及结果

由表6和表7可以得到如下结论。

(1)地铁车站站台中央的峰值振动速度也小于20 mm·s-1，相应主振频率分布在50～80 Hz之间，最大峰值振动速度为19.5 mm·s-1，满足《爆破安全规程》对安全允许质点振动速度的相关规定。工后检测发现，爆破施工期间，车站站台没有新增明显裂缝，既有裂缝也无明显扩张现象。

(2)上台阶施工过程中，站台工作人员及候车乘客分别在10月30日，11月2，3，5，7和10日有较明显的异常震感。

(3)下台阶施工过程中，站台工作人员及候车乘客分别在10月30日，11月3，4和8日有较为明显的异常震感；特别是在11月8日，有很明显的异常震感。

(4)车站站台上质点的KBFmax=11.0时，站台上的人员有很明显异常震感，KBFmax≥8.6时，有较明显异常震感，而当KBFmax≤7.7时，无明显异常震感。

(5)根据以上分析，建议适用于地铁隧道内人员的KBFmax取值为8.6。

表7 下台阶施工时站台中央评价参数及结果

4 结 论

(1)对于轨道基床：当KBFmax≥9.6时，司乘人员有较明显异常震感；而当KBFmax≤9.3时，无明显异常震感。对于地铁车站站台：当KBFmax=11.0时，站台上的人员有很明显异常震感；当KBFmax≥8.6时，有较明显异常震感；而当KBFmax≤7.7时，无明显异常震感。

(2)建议适用于地铁隧道内人员的KBFmax取值为8.6，该值显然高于DIN 4150-2中对其他建筑物的规定，这主要是因为地铁运营时本身就不可避免地存在振动，在这种环境下，人员对爆破引起振动的承受力也有所提升。