城市越岭长隧道爆破开挖振动影响研究*

魏立恒，倪修能，郭洪雨，孙 飞，葛艺超，夏兆平，王国波

(1.上海宝冶集团有限公司，上海 201900；2.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310000； 3 温州大学 建筑工程学院，温州 325000)

伴随城市交通需求日益增高,城市交通建设过程中不可避免的遇到建设城市隧道，城市隧道及地下交通的开挖方法主要有机械开挖法如TBM和盾构等，然而，部分隧道由于其岩层、成本和工期等各方面的限制，需要选择成本和工艺较为简单，效率亦不低的钻孔爆破法。该方法由于其爆炸的高风险、高振动等问题，最初应用于矿业和跨城铁路等工程上，随着钻孔爆破技术的发展，越来越多的城市内交通隧道开挖亦采用该方法。该方法提高了开挖掘进速度，节约成本，但在建筑密集的城市区域开展隧道钻爆开挖，产生的爆破等对附近既有建筑的影响则需要重点关注[1]。

爆破振动对周边建筑物的影响，国内外学者进行了大量的研究[2-7]，取得了显著的成果，我国曾三次组织修编《爆破安全规程》，为爆破实际工程提供了可靠的技术保证。然而隧道受夹持作用以及周边密集建筑物复杂环境的影响[8-13]，给隧道爆破开挖带来很多新的挑战。对隧道爆破开挖主要集中在对周围岩土的影响以及振动控制方面，诸多学者进行了深入广泛的研究[14-17]，而临近建筑的振动响应以及控制的研究主要集中在城市地铁隧道，主要针对软土中的隧道开挖[18-20]。而对于隧道周边建筑物的振动以及相应的减振控制措施的研究则较少。主要原因有两个方面：(1)一般的爆破开挖隧道主要集中在远离城市或者居住聚集的地区，周边建筑物较少或者较远，因此，相关的工程案例较少；(2)对于周边建筑较为密集且距离较近的隧道，施工方法往往采用非爆破的方法开挖，如盾构法施工，TBM法开挖等。对于城市区域周边建筑布置复杂密集且距离近，又必须要采用爆破开挖的隧道掘进工程则需要重点关注爆破开挖过程中周边建筑物的振动影响，并判断是否需要采取进一步的减振措施。本文依托浙江省富阳市越岭城市隧道钻孔爆破工程，分析爆破对周边密集建筑物的振动影响，并判断爆破引起建筑物振动安全；根据经典的萨道夫斯基公式，结合现场监测振动数据，分析进口和出口相同围岩等级振动速度的衰减规律，确定合理参数值，计算不同爆破当量下振动速度随着距离的衰退演化曲线，提出爆破开挖前采用机械开挖的方式进行减振的措施，并根据建立的预测曲线，给出最小机械开挖距离。

1 工程概况

该公路隧道是富阳市“二环二纵二横一辅二通道”总体路网框架的重要一环，为一级公路越岭隧道，设计速度80 km/h，抗震设防为B类隧道，设防烈度为Ⅶ度；左右洞呈分离布置(图1)，左线全长2320 m，右线全长2335 m，属于长大隧道。进口洞门采用削竹式洞门，出口洞门采用端墙式洞。

图1 隧道双洞布置Fig. 1 Double tunnel layout

进口段为双向6车道，单洞为3车道，3车道隧道行车道宽度为11 m(3.5 m+2×3.75 m)，单洞建筑界限总宽13.75 m。出口段为双向8车道，单洞为4车道，行车道宽度为14.5 m(3.5 m+2×3.75 m+3.5 m)，单洞建筑界限总宽17.75 m。

隧道穿越低山垄岗区,地表第四系覆盖层较厚。进出口地形为低山斜坡地形，上覆坡洪积含圆砾粉质粘土，隧道围岩的划分长度见图2和表1，其中左右线Ⅴ级围岩划分长度分别为336 m和315 m，分别占总长的14.48%和13.49%，主要集中在洞口。隧道进出口的围岩物理力学指标见表2，从表中可知，左右线的进出口的Ⅴ级围岩，主要的物理力学参数相同，但是围岩的完整性系数差异较大，进口段的完整性系数要低于出口。

表1 隧道围岩等级划分长度Table 1 Length of tunnel surrounding rock grading

图2 隧道围岩等级划分Fig. 2 Classification of tunnel surrounding rock

表2 进出口围岩状况Table 2 Status of surrounding rock of inlet and outlet section

2 隧道周边建筑位置

开挖隧道进出口段的周边建筑布置呈现密集复杂且极近的特点(图3)，周边建筑具体距离隧道间距见表3。可知隧道进口段周边建筑类型复杂，包括公墓、厂房等，最近的公墓距离隧道洞口仅25 m，而出口段建筑物主要为住宅区民房，最近距离30 m。如此近的距离以及复杂的建筑类型和布置，对于爆破是施工振动对周边建筑物的影响需要重点关注。因此，在进出口段爆破开挖时，对周边建筑物进行振动监测，一方面监测振动影响，及时避免振动速度过大对建筑结构的安全产生影响，另一方面，通过对振动速度以及主振频率的分析，确定最优的机械开挖距离，为后续相关工程提供参考。

表3 隧道与附近建筑物的方位距离关系Table 3 The distance between the tunnel and nearby buildings

图3 进口段和出口段开挖前后空间位置关系Fig. 3 Spatial position relationship before and after excavation of inlet and outlet section

3 现场监测方案及评价标准

3.1 监测方案

本次对出口段和进口段的周边建筑物采集爆破源附近民房建筑振动情况。对于进口段选取2个测点，图4(a)，选取距离隧道洞口最近(约30 m，距离首次爆破点距离150 m左右)3幢建筑物作为测点1；选取距离隧道洞口约320m的2幢建筑物作为测点2。随着爆破掘进，爆破点与建筑物的距离增加，2个测点距离爆点的位移会发生变化(表4)。图4(b)为出口段，选取4个测点作为监测对象，测点1位距离隧道洞口最近(约25 m，距离爆点位置30 m)的3幢建筑物附近地面，测点2选取距离隧道洞口前方大约210 m的2幢建筑物附近地面，测点3与测点1类似，为距离隧道洞口最近(约30 m，距离爆点位置30 m)的建筑物地面。测点4为与隧道洞身平行，距离洞口约180m的2幢建筑物地面。测点与爆点距离见表4。

图4 测点布置Fig. 4 Layout of measuring points

表4 振动测点与爆点的距离(测试时)Table 4 Distance between vibration measurement point and explosion point(during testing)

根据现场爆破开挖施工进度安排，从2020年10月14日到2021年2月28日对进口段附近建筑物进行振动跟踪监测；从2020年8月15日到2020年12月20日对出口段附近建筑物进行振动跟踪监测。监测设备采用L20爆破测振仪、L20-S爆破测振仪和SW-600A型测距望远镜。

3.2 评价标准及安全评价

本次隧道爆破开挖振动对周边建筑的影响安全标准主要依据《爆破安全规程(GB6722—2014)》(后称《安全规程》)中13.2中的规定[21]：地面建筑物等的爆破振动判据，采用地表质点峰值振动速度和主振频率，判断标准见表5。

表5 爆破振动安全允许标准Table 5 Safety allowable range of vibration velocity in code

由表5可知，本次保护对象主要为一般民用建筑物，安全允许的振动速度为：振动频率不超过10 Hz时，安全振动速度不超过2.0cm/s；振动频率在10 Hz和50 Hz之间时，安全振动速度不超过2.5 cm/s；振动频率超过50 Hz时，安全振动速度不超过3.0 cm/s。由于该隧道附近建筑物类别复杂，且位置距离隧道口较近，在爆破设计过程中对于振动速度的控制要求为：一般民用建筑物振动控制在2.0 cm/s以内，塔基、电杆和公墓控制在3.0 cm/s以内。综合《爆破安全规程》和设计要求，设定振动控制速度为：主振频率超过50 Hz时，则振动控制速度为3.0 cm/s，主振频率低于50 Hz时，则振动控制速度为2.0 cm/s。

采集进出口段爆破开挖过程中周边建筑附近地面的振动速度和主振频率，以三个分量的最大振动速度值作为爆破振动速度值，分析主振频率与振动速度的关系，如图5，图中可知，进口段振动速度在不同主振频率下，均满足《爆破安全规程》的要求亦满足设计要求，出口段仅有1次超过了《爆破安全规程》的规定。总体上，此次进出口段的爆破振动满足设计要求。爆破当量与主振频率之间的关系(图6)，图中可知，进出口段振动频率小于10Hz情形较少，主要分布在50 Hz以上，进口段最大主振频率不超过200 Hz，出口段不超过150Hz，总体上，振动速度表现为振动速度低，主振频率高的特点，爆破当量与振动频率不存在正比或反比关系。

图5 进出口段爆破振动频率和振动速度的关系Fig. 5 Relationship between blasting vibration frequency and vibration velocity in inlet and outlet section

图6 进出口爆破当量与振动频率的关系Fig. 6 Relation between inlet and outlet blasting equivalent and vibration frequency

4 监测结果与参数分析

为了分析爆破单响药量、振动速度及爆点距离之间的关系，采用《爆破安全规程》认可的萨道夫斯基公式进行分析

V=K(Q1/3/R)α

(1)

式中：V为振动速度,cm/s；Q为最大一段起爆药量(单响药量),kg；R为保护对象离爆破中心的距离,m;K和α为地形、地质(场地)系数及衰减系数，其取值见表6。按照表中的推荐值，K和α初步分别确定在250～350和1.8～2.0范围内。

表6 不同岩性K和α参考取值Table 6 Reference values of K and α for different lithologies

选取三个爆破当量作为分析对象，分别为：(1)爆破当量的平均值；(2)爆破当量的平均值与对应的标准值之和；(3)爆破当量的平均值与对应的标准值之差；具体见表7。K、α分别选择350和1.9，进出口段的爆破振动速度实测值与不同当量下的计算值进行对比，分别见图7和图8，图7为进口段，可见选取的K、α能够基本符合实际情形，为了确保振动速度在安全范围内，大部分实测振动速度应当在萨道夫斯基公式计算曲线之下，从而确保计算预测值作为振动控制的上限。考虑进出口围岩等级相同，图8(a)中选取的K、α值与进口段相同，图中可知，不同当量的计算预测曲线虽然能够保证实测值在曲线之下，但是偏离实测值较大，按照这个K、α值计算，若距离爆点越近，则会偏离越远，误差越大，需要采用的减振措施更为严格，成本相对增加。对比进出口的围岩状况(表3)可知，虽两者大部分物理力学参数相同，但两者的完整性系数差异较大，出口段的围岩完整性系数高。根据《爆破安全规程》中K，α的取值特点，围岩越坚硬取值越小，考虑到出口段完整性比进口段好，其取值应小于进口段，另一方面，进出口段均属于V级围岩，取值应在《爆破安全规程》中软岩石的取值范围内，因此，出口段的K、α取值分别在250～350和1.8～1.9之间进行取值，通过遍历法并与实测值进行对比，确定了出口段的两个参数的取值，分别取250和1.85，见图8(b)，图中可知，虽修正后的差异并不大，但与实测值更加接近，因此，在进行K、α取值过程中，除了考虑围岩等级的因素，还需要考虑围岩完整性系数，相同围岩等级下，完整性系数越高，则K、α越小。

图7 进口段振动速度实测值与公式计算值Fig. 7 Measured value and calculated value of vibration velocity in inlet section

图8 出口段实测振动速度与计算值Fig. 8 Measured vibration velocity and calculated value of outlet section

表7 现场爆破当量计算取值Table 7 Calculation value of on-site blasting equivalent

根据确定的进出口的K、α值，依据萨道夫斯基公式，对进出口距离爆点不同位置的振动速度进行计算，见图9，起始距离为进出口距离隧道洞口位置最近的建筑物分别为25 m和30 m(表4)，爆破当量分别要涵盖本项目爆破当量实际最值和平均值，进出口段分别取10 kg、100 kg、200 kg和20 kg、125 kg、250 kg，由图9可知，根据设计要求的2.0 cm/s的控制振动速度，若采用最大爆破当量，爆点距离建筑物最少要分别超过90 m和85 m，若采用最小爆破当量亦会使得振动速度超过设计要求，而爆破当量过小会导致进尺小，成本增加。因此，建议本项目的洞口位置一定范围内不采用爆破开挖，采用机械开挖，机械开挖的长度要确保初始爆破距离超过90 m和85 m。进口段机械开挖距离建议超过30 m，出口段建议超过20 m。

图9 不同距离下进出口段计算振动速度Fig. 9 Calculation of vibration velocity in inlet and outlet section at different distances

5 结论与建议

根据大盘山城市越岭长隧道进出口段爆破开挖过程中对周边建筑振动影响的实际监测和分析得出如下结论：

(1)隧道爆破开挖地震波衰减系数K、α取值要考虑围岩的完整性，即完整性越好取值越低；

(2)建议本工程进口段K、α值分别为350和1.9，出口段250和1.85；

(3)隧道爆破开挖距离洞口的起始位置，分别为距离洞口90 m和85 m；

(4)对于这种临近建筑物类型复杂，且距离极近的山岭隧道开挖，建议采用非爆破的方法开挖一段距离后再进行爆破开挖。