邻近营运铁路隧道爆破安全评估方法和实例分析

吴剑锋，蒙云琪，陈沛，杨建锋

（1.中铁四院集团工程建设有限责任公司，湖北 武汉430063；2.中国铁路上海局集团有限公司，上海200071）

0 引言

近年来，我国高速铁路发展迅猛，高速铁路网的形成对地区性经济增长刺激作用凸显，极大地促进了城际群落间的区域性经济发展。根据《中长期铁路网规划》确定的目标任务，截至2020年，我国已基本实现铁路现代化，客运专线达到1.5万km以上［1］。郑拓［2］研究指出高速铁路运输与区域经济发展之间呈现高位协调同步发展趋势，体现了高铁与社会经济之间的正向影响作用。

《交通强国建设纲要》指出将要建设城市群一体化交通网，推进干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通融合发展。铁路交通网络将得到更广泛的建设，既有营运铁路的邻近新建线路施工也将相应增加，同时纲要指出，要提升本质安全水平，加强基础设施运行检测监测；完善交通安全生产体系，加强交通安全综合治理，切实提高交通安全水平。因此在新建铁路的过程中保障邻近既有铁路的安全营运极为重要。张军等［3］对高速铁路工程质量文化体系进行了研究，详细总结了支撑我国高铁快速发展的组织方式、管理模式、质量体现和过程控制要素，阐述了高铁质量的文化内涵和文化理念。钱立军等［4］以新建福平铁路新苔井山隧道施工为例，阐述了邻近既有线控制爆破施工的技术管理工作。

爆破施工法是铁路建设过程的主要技术手段，爆破施工提升铁路建设速度的同时，也会对邻近营运铁路线路相关设备造成一定影响，其中爆破产生的振动影响最为突出。刘艳青等［5］通过试验方式详细研究了小净距并行隧道的力学状态，并且对并行小净距隧道的开挖过程进行有限元数值模拟，提供了该类工程的施工经验。袁红所等［6］对小净距邻近营业线隧道爆破施工方法进行了详细研究，根据围岩情况隧道采用机械开挖和非爆法加控制爆破法进行施工，为类似工程提供了丰富经验。在数值模拟方面，罗驰等［7］提出了一种新型隧道爆破数值模拟方法，该方法针对爆破荷载的空间分布及爆破应力波的衰减规律2方面，分别考虑隧道爆破中多炮孔爆破荷载的叠加以及不同爆破区域应力衰减指数的差异，从而提出改进型隧道爆破模拟方法，使数值模拟尽可能与实际工程情况吻合。郝瑞军等［8-9］利用Ls-Dyna软件对小净距隧道爆破开挖进行了数值模拟研究，表明数值模拟在实际工程中具有一定规律性，可为工程实践提供参考。郑明新等［10］采用有限元数值模拟与工程实际相结合研究不同影响因素下爆破振动对既有高速铁路隧道衬砌动力响应的影响程度，研究指出影响高铁隧道衬砌振速的主要因素为单段药量以及距离。

自2008年以来，随着邻近营业线爆破施工对既有铁路影响的安全评估工作的实施和推广，专项涉及铁路爆破安全评估对既有铁路列车营运和设备运转的安全起到了较好的保障和监督作用。当前，爆破对邻近既有铁路影响的安全评估工作开展尚无完全统一的执行标准和规范。收集现行实施涉及铁路专项评估工作的执行标准和相关法规，结合爆破施工有害效应，针对各铁路营运管理单位的特殊要求，介绍邻近营业线爆破施工对既有铁路影响的安全评估管理工作方法；针对目前营运铁路区块化管理，分析其对评估管理工作的影响。

1 安全评估依据及标准

爆破有害效应是指爆破时对爆区附近保护对象可能产生的有害影响，包括爆破引起的振动、个别飞散物、空气冲击波、噪声、水中冲击波、动水压力、涌浪、粉尘、有害气体等。根据实际施工经验及安全评估经验，邻近营业线爆破施工对既有铁路产生的有害效应主要有爆破振动、个别飞散物、粉尘3种类别。减弱或消除爆破有害效应对既有铁路的影响成为邻近营业线安全评估的重要目的。

现行铁路或高速铁路涉爆管理的相关法规已对邻近营业线爆破作业的专项安全评估有了相应规定，其中《铁路安全管理条例》第34条、《高速铁路安全防护管理办法》第18条明确规定：在铁路或高速铁路路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起向外各1 000 m范围内，以及在铁路上方中心线两侧各1 000 m范围内，确需从事露天采矿、采石、或者爆破作业的，应当充分考虑高速铁路安全需求、依法进行安全评估、安全监理，与铁路运输企业协商一致，依照法律法规规定报经有关主管部门批准，并采取相应的安全防护措施。

根据已有涉及铁路爆破安全评估经验和铁路相关部门的管理要求，实施邻近营业线爆破作业可能产生安全影响的既有铁路设施设备种类有：铁路路基、桥梁、隧道、涵洞、轨道、接触网支柱、通信基站、牵引变电所、通信电塔、站房等。

GB 6722—2014《爆破安全规程》中提供了评估爆破对不同类型建（构）筑物、设备设施和其他保护对象的振动影响，其保护对象主要涉及地面建筑物、电站（厂）中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土等结构的振动判据，涉及铁路爆破评估方法采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率作为保护对象是否安全的主要判据。该规程中涉及到铁路设备设施保护对象的标准值并不明确，随着邻近营业线爆破工程的逐渐增加，为保障既有营运铁路的行车安全，国家铁路局于2019年8月发布实施的TB 10313—2019《铁路工程爆破振动安全技术规程》（简称《铁路爆破规程》）中较详细地制定了铁路路基、涵洞、边坡、桥梁、隧道、接触网支柱以及站房等建（构）筑物的爆破振动允许标准（见表1）。

表1 铁路工程爆破振动允许值 cm/s

该振动标准严于《爆破安全规程》所制定的振动允许值，《铁路爆破规程》的实施明确了邻近营业线爆破工程对既有铁路影响的振动允许范围，为涉及铁路爆破安全评估的规范化提供了标准和依据。但该规程提出的振动标准，基于技术原因没有详细明确既有铁路“营运”和既有隧道的病害状况条件，因此需针对不同线路、不同隧道提出评估控制标准。

2 邻近铁路营业线爆破施工安全评估

2.1 评估目的

为减弱或消除邻近营业线铁路爆破工程对既有铁路设备设施的有害效应，需评估单位对爆破施工单位编制的专项爆破施工设计方案实施审核评估。通过全面详实的现场勘察调研爆破工程邻近铁路营业线的既有设施和建（构）筑物的现有状态及病害情况，对爆破作业单位进行爆破作业和技术人员的资质审核，评审爆破设计方案，对爆破设计方案不妥之处提出优化建议。通过该种评估手段强化邻近铁路营业线爆破施工的安全，以达到保护既有铁路的营运安全，为相关审批部门、建设单位及爆破作业单位提供可靠、专业的技术服务工作。

2.2 评估基本原则

（1）爆破工程安全评估内容应包括：根据铁路工程和设备设施的相关资料，被保护对象的性质和特点、爆区与保护物的相对位置、距离以及场地条件等，论证爆破振动安全控制指标的合理性；评价爆破设计方案的可行性、钻爆参数的合理性；论证爆破有害效应的影响范围是否可控，爆破振动控制方案与施工措施是否合理；爆破振动监测方案和安全保障措施是否可行；事故预防对策和应急预案是否适当。

（2）邻近营业线爆破施工前期，对于1 km范围内营业线对爆破振动敏感的保护物，需提供运转现状、病害情况的相关信息；需要提供爆破区域周边的地形、地质条件等相关资料；根据现场环境调查结果，查阅既有铁路的相关设计资料，确认铁路营运里程，路堑、路基、隧道围岩，地形地质等，通信基站，接触网等设施设备的基本概况。

（3）在爆破工程设计中应验算爆破施工产生的振动速度峰值，并结合保护物运转现状，分析其受爆破振动的影响程度，对爆破施工设计提出优化改进建议，补充完善爆破有害效应的控制措施。

（4）爆破安全评估需经运营管理部门审核及批准。爆破施工单位应按照相关规定，完善爆破施工方案及铁路设施保护应急救援工作预案，并与铁路营运单位签订安全责任协议，落实监管措施与责任。

2.3 评估程序

安全评估程序见图1。

2.4 评估方法

目前，爆破施工安全评估方法主要有3种：爆破振动速度评估法、工程类比法、数值模拟分析法。

2.4.1 爆破振动速度评估法

图1 邻近铁路营业线安全评估程序

《爆破安全规程》对爆破工程产生的爆破振动计算有明确规定，需采用萨到夫斯基质点峰值振动速度衰减公式计算。保护对象在爆炸地震波作用下的振动速度与其距爆源距离、岩土地质情况密切相关。振动速度的大小与保护对象的破坏程度相互对应，以此设定振动安全临界值，控制爆破施工规模，以达到保护既有铁路设施的目的。

2.4.2 工程类比法

实施爆破工程时，根据其爆破作业区域内工程地形、地貌、岩土地质、与既有铁路设施相对位置关系等影响因素，寻找类似成功的爆破施工项目，参考和借鉴水利水电、隧道工程、公路工程的具体工程实践和成功经验，通过两者对比实施爆破安全评估。由于工程类比法是一种横向类比方法，其准确性影响因素较多，对爆破工程环境要求较高，只能结合工程实际，选择类似的工程案例进行参考，辅助安全评估。

2.4.3 数值模拟分析法

随着数值模拟分析法在爆破和岩土工程中的应用越来越广泛，数值模拟能够直观给出爆炸振动对既有铁路设施的影响程度，可具体分析不同铁路设施的多种动力响应。但由于实际工程所在地的岩土地质千差万别，对材料参数的准确性要求较高。

3 爆破振动监测

为确保邻近营运铁路爆破工程对既有铁路设施的有害效应影响在安全允许范围之内，除专项爆破安全评估之外，还需在爆破施工时实施爆破有害效应监测，根据现行高铁隧道爆破施工监测经验，主要监测的有害效应为爆破振动、路基沉降、隧道收敛、异物侵限等。《铁路爆破规程》中明确规定邻近营运铁路爆破工程实施时，需进行爆破振动监测工作，各种保护物爆破振动允许范围由该规程中所规定的数值范围划定，

经过铁路局集团公司施工方案评审后，依据涉及铁路专项安全评估报告中所提出的评估结论确定允许爆破振动范围，并按规定设立爆破振动预警值，对每次爆破作业实施全方位监控，监控数据联合各单位实时上传共享，为邻近营业线爆破施工对既有铁路影响安全提供有力保障。

4 爆破安全评估实例

根据长期从事邻近营运铁路爆破安全评估的经验，涉及铁路爆破工程安全评估所涉及的各方责任主体主要有涉及工程建设方：建设单位、施工总承包单位、爆破作业分包单位、评估单位、监理单位；涉及管理部门方：铁路营运管理单位、铁路设备管理单位。

在邻近营业线爆破安全工程专项评估工作中，各单位责任主体共同协作，最终目的是确保在爆破施工时邻近铁路营业线的设备正常运转和列车行车安全。对爆破施工设计进行评估审查是保证爆破施工设计符合安全标准的重要手段；施工单位的施工质量是爆破施工对邻近营业线影响程度的关键因素。

根据对我国高速铁路干线邻近营业线安全评估工作的长期实践，现已形成了较完善的安全评估工作体系，并取得良好效果。以新建杭绍台铁路凤凰山隧道以及斑竹垄隧道为例，介绍评估工作如下。

4.1 杭绍台铁路凤凰山隧道

新建杭州—绍兴—台州铁路绍兴段凤凰山隧道以及路基位于绍兴市斗门镇史家湾自然村。新凤凰山隧道爆破区域距离既有杭深铁路最近距离为58 m，爆破施工对既有隧道影响较大。新建铁路与既有杭深铁路关系示意见图2。

经涉及铁路专项安全评估后，对爆破设计方案进行了优化，路基段采用机械开挖，爆破开挖段选取较小单段药量和起爆规模，同时新建杭绍台凤凰山隧道爆破时间应在天窗点内实施，在对既有凤凰山隧道的结构进行勘察研究基础上，在安全评估报告中给出了既有凤凰山隧道的允许振动控制值为2 cm/s，且要求新建隧道爆破作业时间在临近营业线天窗点内。将允许振动控制值设定为2 cm/s，是考虑到新建凤凰山隧道与既有凤凰山隧道距离较近，为避免施工单位因施工偶然误差造成装药过大产生较大振动，设置较为保守的允许振动值以确保既有铁路的设备和运营安全。

图2 新建铁路与既有杭深铁路关系示意

施工单位严格按照评估优化后的爆破设计方案施工。实际施工时，最大单段药量不超过18.0 kg，随每次爆破施工同时对凤凰山既有隧道进行振动监测，部分振动实测数据见表2。

表2 既有凤凰山隧道振动监测值

表中实测既有凤凰山隧道爆破振动速度最大值为0.27～0.28 cm/s，表明经评估后爆破施工产生的振动对既有铁路影响完全可控。该项目经安全评估、铁路局集团公司评审后，安全保障措施落实到位，经回访以及爆破振动监测数据表明，在施工期间没有对既有凤凰山隧道造成不良安全影响。

4.2 南龙铁路扩能改造工程

南龙铁路扩能改造工程斑竹垄隧道位于福建省三明市沙县境内，该区段在里程DK54+052处上跨三明北联络线琅口隧道，新建斑竹垄垂直上跨既有三明北联络线琅口隧道，最近距离仅6.4 m，新建隧道爆破振动对既有琅口隧道衬砌及接触网吊柱设备影响较大，为保证爆破施工对既有线影响的安全可控，进而在既有斑竹垄隧道进行详细勘察的基础上进行爆破安全评估，且评估方法采用了爆破振动速度评估法与数值模拟法结合。新建斑竹垄隧道与既有三明北联络线琅口隧道位置关系见图3。

图3 斑竹垄隧道洞身上跨三明北联络线平面关系

安全评估经过爆破振动校核以及隧道上跨爆破的数值模拟结果表明，既有隧道衬砌的爆破振动均小于2 cm/s，提出既有三明北联络线琅口隧道爆破振动控制指标为2 cm/s，且爆破作业应在天窗点内实施。

经回访，斑竹垄隧道在上跨琅口隧道交叉处设计掘进进尺为0.5 m，振动实测数据大部分均在爆破振动控制指标之内，仅初始试爆时琅口隧道衬砌振动值小幅超过2 cm/s。部分既有三明北联络线琅口隧道振动监测值见表3。除初始单段药量为0.15 kg时实测值超过控制值之外，在优化装药量后，后续琅口隧道爆破振动值均在控制值范围之内。为达到最大单段药量控制在0.15 kg之内，该上跨处关键区域爆破网路采用电子数码雷管组网起爆，确保了既有琅口隧道的设备及运营安全。

表3 既有琅口隧道振动监测值

5 总结与建议

通过对邻近营运铁路爆破工程安全评估工作的推广及开展，形成了涉及铁路安全评估建设管理体系，涉及铁路爆破安全评估对邻近营业线隧道爆破工程安全起到了重要作用。结合长期对京沪铁路、宜万铁路、杭深铁路、昌景黄铁路、杭昌铁路、福平铁路、龙龙铁路、贵广铁路、金丽温铁路、合福高铁等安全评估工作实践，通过对邻近营业线爆破施工对既有铁路线路的影响范围、既有铁路设施设备的振动影响的分析和总结，提出如下建议：

（1）在评估中以新建铁路隧道距离既有营运铁路隧道50 m为界限，结合隧道具体病害现状及各铁路运营管理单位对隧道振动控制值的不同要求，综合确定隧道爆破振动允许控制值。

（2）为确保列车行车安全，50 m距离内工况爆破施工时，宜在天窗点内施工，爆破振动允许控制值宜选取2～3 cm/s，50 m距离外工况爆破施工时，可在天窗点外施工，爆破振动允许控制值宜选取1 cm/s。