复杂环境下城市隧道施工爆破振动影响及降振技术分析

吴纯明

（中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北 襄阳 441100）

0 引言

复杂环境下城市隧道施工的常用方法有明挖法、盾构法与钻爆法等，其中钻爆法不但能提高隧道施工效率，还能降低施工成本[1]。但在地表建筑物较多、人口密集的市区中，采用钻爆法进行隧道爆破开挖，由爆破形成的振动效应会影响地表建筑结构的安全性。为此，需要研究复杂环境下城市隧道施工爆破振动影响规律，进而控制爆破灾害，达到降振的目的。本文以某城市隧道为研究对象，研究复杂环境下城市隧道施工爆破振动影响及降振技术。

1 工程概况

以某城市隧道为研究对象，该隧道为高速铁路隧道，单洞双线，隧道净宽12.5m，净高9m，隧道穿越灰岩夹泥质灰岩、白云岩地层，开挖采用钻爆法施工，隧道为浅埋隧道，最大埋深80m，出口段300m下穿鄢家花园还建房小区，最大埋深40m。该隧道的具体参数见表1。

表1 隧道具体参数

2 城市隧道施工爆破振动影响及降振技术

2.1 复杂环境下城市隧道施工爆破振动影响

2.1.1 对地表建筑结构的振动影响

通过FLAC3D有限差分软件，分析城市隧道施工爆破对地表建筑结构的振动影响。炸药与钻爆参数见表2。

表2 炸药及钻爆参数

以出口开挖为例，共设置3个监测点，监测和分析城市隧道施工爆破对地表建筑结构的振动影响，地表建筑结构可承受的最大振动速度为1.2cm/s，分析结果见表3。

表3 爆破施工地表建筑结构各监测点的振速变化情况

根据表4可知，隧道爆破施工过程中，各监测点的地表建筑结构振速变化趋势基本一致，在X、Y、Z三个方向上，各监测点随着掌子面里程的提升，均呈先上升后下降的趋势。在X方向上，当掌子面里程为30m时，3个监测点的振速均达到最大值，分别是0.69cm/s、0.98cm/s、0.41cm/s；在Y方向上，当掌子面里程为40m时，3个监测点的振速均达到最大值，分别是0.72cm/s、1.05cm/s、1.08cm/s；在Z方向上，当掌子面里程为50m时，3个监测点的振速均达到最大值，分别是0.81cm/s、0.82cm/s、0.58cm/s；在X、Y、Z三个方向上，隧道爆破施工过程中，地表建筑结构的最大振速分别为0.98cm/s、1.08cm/s、0.82cm/s，均在地表建筑结构可承受的最大振动速度以内，说明隧道爆破施工不会损坏地表建筑结构。

2.1.2 爆破振动对居民心理承受能力的影响

表4 不同影响程度爆破振动速度的置信区间

该隧道上部建筑结构内居住人群，不仅包含青壮年人群，还包含中老年与儿童。为最大程度地降低隧道爆破施工对附近居民的影响，对隧道爆破施工附近居民进行了爆破振动施工时的人员心理承受能力调查工作[2]。调查过程中，通过考虑调查居民的年龄、性别与职业等因素，全面描绘各种人群构成特征与测试环境对隧道爆破振动反应的差异情况，共设置4种影响程度级别，分别是无影响、轻微影响、可接受影响、不可接受影响。对隧道爆破施工附近居民共发放480份问卷调查，对不同隧道爆破施工振动速度的接受程度进行调查，调查结果如图1所示。

图1 居民对不同隧道爆破施工振动速度的接受程度

根据图1可知，随着隧道爆破施工振动速度区间的提升，无影响等级的居民数量越来越少，当爆破振动速度区间超过0.6~0.8cm/s时，所有居民均认为隧道爆破施工对居民生活有影响，且爆破振动速度区间越高，不可接受影响等级的居民数量越来越多。

通过t分布曲线对图1进行统计分析，划分各影响程度的振速置信区间，见表4所示。按照表4的置信区间，构造隧道爆破施工振动速度控制标准，分析结果见表5。根据表5可知，附近居民觉得爆破振动速度的可接受范围是0.80~1.10cm/s，为此，在进行隧道爆破施工过程中，考虑爆破施工对居民与地表建筑结构的影响，需将爆破振动速度控制在1.10cm/s以内，才能最大限度降低对居民与地表建筑结构的影响。

表5 隧道爆破施工振动速度控制标准

2.2 城市隧道施工爆破降振技术

复杂环境下城市隧道施工爆破振动强度的影响因素较多，例如爆破器材、炸药量与炮孔深度等。城市隧道施工爆破降振技术主要有：设计合理的爆破时差，选择合理的爆破参数，选择合理的掏槽形式，选择合理的开挖方式，加强爆破振动监测等。

2.2.1 设计合理的爆破时差

当单段爆破炸药量一致时，不同爆破方式形成的地表振速相差较小，这就说明仅有炸药量会影响地表振动速度。在隧道爆破施工中，通过确保每段雷管内包含足够的起爆时差，便可有效将地表振速控制在标准范围内，保证爆破振动波形不会出现彼此叠加现象[3]。同时，爆破时差不可过大，否则便会降低爆破效果。通过增加电雷管段数，爆破时差可控制在100~150ms之间。

2.2.2 选择合理的爆破参数

通过设置合理的爆破参数，能够提升隧道爆破施工质量。对隧道爆破施工质量影响较多的爆数有：掏槽形式、炮眼数量、单孔炸药量与炮孔深度等[4]。设置爆破参数时，不仅要考虑城市隧道建设的地质条件与隧道断面尺寸等因素，还要考虑爆破参数间的相互关系，以及爆破参数对爆破质量的影响。

2.2.3 选择合理的掏槽形式

线性布置与线性起爆具备较优的启重作用，为此，选择线性布置与线性起爆方式，提升炸药利用率。以不耦合装药结构为隧道爆破掏槽眼，这种掏槽眼结构不仅能够提升爆破效果，还能达到降振目的。

隧道爆破施工过程中，最大振速的位置为掏槽，为此，按照隧道开挖断面尺寸选择复式楔形掏槽，能提升隧道施工爆破的降振效果。

2.2.4 选择合理的开挖方式

选择合理的开挖方式，可降低单管装药量，控制爆破规模。因为城市隧道为浅埋隧道，其上半断面围岩软弱，炸药量需求较少，所以采用人工开挖方式，上半断面开挖结束后，为下半断面爆破形成有利的临空面，利于提升隧道爆破施工振动的降振效果。当隧道开挖地层较硬时，选择反台阶法预留光爆层施工方式，在最下层放置掏槽，提升掏槽部位的爆心距。

2.2.5 加强爆破振动监测

隧道爆破施工时，通过计算爆破振动速度V，实时监测隧道爆破施工时的振动情况，将爆破施工振动速度控制在标准范围内。爆破振动速度V的计算公式如下：

式中：Q——最大单段炸药量；

R——爆心距；

G——与爆破方式相关的待定系数；

A——与地质条件相关的待定系数。

应用上述降振技术设计该隧道爆破施工的降振爆破参数，其中，爆破段位数量为11段，设计结果见表6。

表6 爆破降振参数设计结果

3 试验结果分析

应用本文技术设计的爆破参数进行爆破试验，该隧道爆破施工时的振动速度变化情况分析结果如图2 所示。根据图2可知，应用本文技术设计的爆破参数后，该隧道爆破施工过程中，3个方向的振动速度变化趋势基本一致，X方向的最大振动速度在0.59cm/s；Y方向的最大振动速度在0.82cm/s；Z方向的最大振动速度在0.70cm/s；3个方向上的最大振动速度均未超过1.10cm/s，符合复杂环境下城市隧道施工爆破振动速度的控制标准。对比表4可知，应用本文技术后的最大振动速度明显低于应用前，说明本文技术可有效实现隧道施工爆破的降振目的。

图2 应用本文降振技术后的振速波形变化曲线

4 结束语

受工程地质条件影响，部分城市隧道施工需采用爆破施工方式，但爆破施工会影响隧道地表建筑结构的安全性，为此，本文研究复杂环境下城市隧道施工爆破振动影响及降振技术，为提升城市隧道施工爆破降振效果提供技术支撑。试验结果表明：应用本文技术设计的爆破参数后，该隧道在X、Y、Z三个方向上的最大振动速度分别是0.59cm/s、0.82cm/s、0.70cm/s，均明显低于应用本文技术前，说明本文技术具备较优的隧道施工爆破降振效果。