隧道开挖爆破对临近既有建筑安全影响分析

李岩松，罗 利，杨根明，张立云，罗建勋

(中国五冶集团有限公司，成都 610066)

随着我国经济的快速发展，城市化进入了一个新的阶段，由于我国城镇化进程加快，城市人口急速增长，城市基础设施的能源输送能力、交通通行能力以及环境承受能力已远远不能满足当前城市需求，急需对城市市政设施进行改建、扩建。城市向外扩张时不可避免的会受到老城区周边河流、山区的影响，并且老城区周边存在大量村庄、工厂。在工厂、居民楼周边修建市政基础设施，会对施工造成一定的影响，更会对周边工厂、居民造成巨大的影响。其中市政公路隧道施工多采用钻爆法施工，爆破振动的影响和开挖引起地表沉降对周边建筑、居民的影响不可忽视。因此，在隧道开挖施工时，如何在保证隧道施工安全和质量的同时，保证周边工厂正常生产、居民正常生活是城市隧道施工中一大难题。为保证隧道施工安全，减小施工对周边生产、生活的影响，科研学者从不同角度对隧道爆破振动如何影响临近既有建筑进行了研究。

陈庆等[1]以萨道夫斯基公式为基础，考虑了高差对爆破振速的影响，修正了萨道夫斯基公式；向亮[2]将爆破振动区域划分为：爆破前冲影响区、爆破左右侧向区、爆破空洞影响区，获得了青岛硬岩隧道各区域的地振波振动衰减参数。曹杨等[3]采用减振孔、延时爆破等手段，确保爆破振动速度在穿越老旧建筑物时处于安全范围以内。孙崔源等[4]发现普通雷管爆破振动大，电子雷管控制精确，最大振速可降低43.78%。王海龙等[5]学者现场实测爆破振速后，采用经验公式得到相关爆破参数，提出了优化的三段式爆破施工方案。张超[6]采用数值模拟软件建立了三维爆破振动模型，分析了21种装药结构下临近既有隧道结构的爆破振动变化规律。苏宇[7]通过分析青岛地铁现场监测数据，结合FLAC3D软件，研究了爆破施工对地表及临近建筑的影响。此外还有大量学者[8-18]根据现场实测数据、数值模拟等一系列方法、方式对爆破控制进行研究，力争将爆破造成的影响降到最低。

以上的爆破控制研究对于隧道爆破振动控制，减小既有建筑振动有着重要意义，但是隧道穿越的围岩类别差异大，变化多，在不同的围岩、地质条件下，爆破控制方法和参数也会有所不同，还需要对隧道爆破开挖控制进行更深入、精细研究。综上所述，应用Matlab计算软件回归分析，得到了不同方向上的爆破振动参数，重点对考虑围岩产状等地质条件下的隧道开挖爆破对临近既有建筑的安全进行研究。

1 工程概况

省道205老龙山隧道左线里程ZK41+340～ZK42+545，全长1 205m；隧道右线里程YK41+350～YK42+555，全长1 205m。

隧道横穿老龙山脉，地形中部高且较平坦，两端低，北西段为顺向坡，地形坡度5°～15°，南东段为逆向坡，地形坡度一般7°～19°，局部见陡崖，轴线最高点标高580.23 m，最低点(出口方向)标高532.87 m，相对高差47.36 m。设计洞底标高477.13～504.61 m，隧道埋深29.4～89.4 m。

隧道围岩为侏罗系上统七曲寺组(J3q)，岩性以泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩为主(见表1)，夹砂岩，中厚层状，产状与隧道轴线近于垂直，倾向南西，倾角 4°，除两端进出口部分为强风化外，其余部分为中～微风化，属极软岩～软岩，岩体完整，围岩级别以Ⅴ级为主，中部为Ⅳ级，地面调查未发现有断裂构造通过。

表1 地层参数

老龙山隧道附近居民构筑物较多，环境相对较为复杂，隧道进口附近58 m处有民房，400 m外有村庄，洞身山顶有居民房，700 m之外是中国工程物理研究院(以下简称九院)所在，并且九院内多为高精度仪器设备，对于振动控制有着极高的要求。虽然九院距离爆破点较远，但是必须引起高度重视，做到万无一失，严格控制爆破振速，爆破振动速度要求不得超过《爆破安全规程》GB 6722-2014所规定的标准[19]。

2 爆破振动监测分析

为了严格满足爆破振速要求，防止九院精密仪器发生损坏，必须严格控制爆破参数：采用浅孔毫秒延时光面爆破掘进法，尽量减少装药量，控制爆破振动。

在2017年12月13日～2018年1月3日一共进行了4次爆破振动监测，爆破采用单段最大装药量23.75 kg，沿隧道轴线及周边居民构筑物共布置19个测点(见图1)。

图1 测点与隧道(爆源)位置关系

爆破振动速度监测系统由三向速度传感器、爆破振动记录仪和计算机组成(见图2)。采用泰测Blast-NET爆破振动记录仪记录振动信号，再经自身多功能数据接口与计算机相接，通过专业软件在计算机上进行波形显示、数据分析和结果输出。

图2 爆破振动速度监测系统

4次爆破监测一共获得48组监测数据，其中部分监测数据如表2所示，部分现场监测振动波形如图3所示。

表2 监测数据

图3 洞口测点处振动波形

由图3可知，洞口监测点的振动最大值出现在径向方向，最大值为28.937 cm/s，对应的主频率为32 Hz。根据《爆破安全规程》GB 6722-2014可知，洞口处振动速度已超过安全允许质点振动速度。爆破时，洞口监测点附近严禁逗留，与爆破无关的设备、人员需撤离至安全距离。

由表2可知，浅孔毫秒延时光面爆破掘进法对爆破振动控制作用大，监测点10和监测点11同时对九院地表振动进行监测，在同一次爆破监测中，监测点10和监测点11的爆破振动速度均小于0.005 cm/s，在最大振动频率为43 Hz时，监测点10和监测点11的爆破振动速度远小于标准[19]所规定的最小安全允许标准的十分之一。爆破振动速度符合标准。

3 爆破振动特性分析

为了研究爆破对附近构筑物产生的影响，根据所得监测数据对爆破地震波传播衰减监测结果进行了3次回归分析：第1次是沿着隧道轴线，以接近于垂直围岩产状方向的25组监测数据进行回归分析(见表3)；第2次是对隧道轴线两侧不垂直于围岩产状方向的17组监测数据进行回归分析(见表3)；第3次回归分析以采集到的全部48组数据为样本进行回归分析。通过回归分析结果，研究隧道爆破开挖时围岩产状等因素对临近既有建筑的影响。

表3 回归分析监测点

3.1 爆破振动监测回归分析

根据标准[19]规定，在计算爆破振动传播和衰减规律时一般采用萨道夫斯基经验公式：

(1)

式中：v为质点振动速度，cm/s；K、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件与有关系数和衰减指数；Q为最大段装药量，取Q=23.75 kg；R为爆破点至监测点的距离。

根据线性回归原理，采用最小二乘法，将上一节所得现场监测结果在Matlab计算软件中进行回归分析计算，第1次回归分析得到K1=58.585 0和α1=1.518 5;第2次回归分析得到K2=31.952 4和α2= 1.440 7；第3次回归分析得到K3=58.246 9和α3= 1.551 3。

对于回归分析分别得出的K、α值，为保证其相关性满足精度要求，采用相关系数法进行显著性检验[20]。将第1次回归分析所得结果进行显著性检验得到|F|=0.856 5>C0.001=0.597，相关性显著；将第2次回归分析所得结果进行显著性检验得到|F|=0.881 8>C0.001=0.693，相关性显著；将第3次回归分析所得结果进行显著性检验得到|F|=0.886 5>C0.001=0.451，相关性显著。K、α系数满足精度要求，符合实际情况。

3次回归分析得到的萨道夫斯基经验公式分别为

(2)

(3)

(4)

将3次回归分析所得K、α系数分别与爆破安全规程[19]中相关经验数据参考值进行对比。发现现场实测结果所计算出的系数取值与文献中所提供的参考值有偏差，爆破安全规程[19]所提供的参考值可作为初期爆破设计的参考，但是仅依靠经验参考值控制开挖爆破将会存在较大误差。现场应因地制宜，通过勘察实际地质条件、现场爆破试验等方法确定实际爆破参数取值，并根据场地内地质条件的变化及时调整爆破参数。

3.2 地层产状对地表振动影响分析

根据回归分析得出的监测数据回归曲线式2、式3和式4绘制沿隧道轴线、隧道两侧爆破振速与距离关系曲线(见图4)。

图4 地层产状对爆破振速的影响

从图4可以看出，沿隧道轴线的爆破振速要明显大于沿隧道轴线两侧不垂直于围岩产状方向的爆破振速。距离爆破振动点越近，沿岩层垂直方向的爆破振速比沿隧道轴线两侧不垂直于围岩产状方向的爆破振速大，最大提高了45.13%。距离爆破振动点越远爆破振动速度在不同方向上均逐渐减小，并且不同方向上的爆破振动速度几乎相等，这可能是由于距离越远，地质条件越复杂，相应的地层走向在距离较近处较好区分走向、节理裂隙，而距离较远时，地层接近于均质地层，所以岩层走向等地质条件对爆破振动速度影响没有距离较近时明显。

靠近振源时，不考虑地层走向、产状的萨道夫斯基经验公式计算的爆破振速结果约为0.55 cm/s与考虑地层产状为垂直方向的爆破振速计算结果0.61 cm/s较为相近。两者的爆破振速总体远高于沿地层产状平行方向时0.42 cm/s的爆破振速。分析表明，萨道夫斯基经验公式对沿地层产状平行时爆破振速的计算结果偏于保守，若对现场地质结构较熟悉时可以依据现场地层产状对萨道夫斯基经验公式计算结果进行适当折减。

4 结论

1)监测点10和监测点11同时对九院地表振动进行监测，监测结果基本一致，表明监测数据真实可靠，监测值均小于0.005 cm/s，远小于最小安全允许标准。

2)距离爆破振动点越近，爆破振动速度与地层产状关系越密切，距离爆破振动点越远，地层产状影响越小。

3)沿地层产状垂直方向传播时比沿地层产状平行方向传播时爆破振动速度大，最大提高了45.13%。

4)萨道夫斯基经验公式对于沿地层产状平行时的计算结果偏于保守，在对现场地质结构较熟悉时可以依据现场地层产状对萨道夫斯基经验公式进行适当折减。

5)现场实测K、α系数与《爆破安全规程》GB 6722-2014有一定差距，为了更接近现场实际，K、α系数应尽可能采用现场试验确定。