觀音山隧道爆破對周邊敏感構筑物的影響分析

馬 紅 胡文君 胡道華 鄭 興

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

西氣東輸二線管道工程廣州—深圳支干線起于廣州末站，止于深圳市求雨嶺。由于受線路總體走向和東莞市城市發展總體規劃及沿線各鎮級發展規劃的限制，該工程最終確定了管道通過觀音山國家森林公園的方案：飛云頂隧道（670.5 m）+管溝開挖（840 m）+筆架山隧道（1 210 m），總長度2 720.5 m。因觀音山上有尊30 m高的佛像（4A級保護文物），屬于敏感性構筑物，而隧道穿越軸線距離佛像最近約1 km，當地相關主管部門提出論證隧道爆破施工產生的震動對佛像有無影響的要求[1]。止，顯示出彈性效應，并以地震波的形式向外傳播。爆破地震波的形成過程[2]見圖1。

圖1 爆破地震波的形成過程

1 爆破地震波的形成及衰減規律

炸藥爆炸時，產生高溫高壓的爆炸氣體向外膨脹沖擊巖體，爆炸產生的震動能使10～15 R0（R0為裝藥半徑）范圍內的巖體壓碎、破裂。同時，其壓力、波速、能量隨著爆心距的增加而很快衰減。在離開爆心10～15R0后，巖體中沖擊波的能量衰減到某一臨界值，沖擊波開始轉換為沒有陡峭波陣面的應力波。隨后非彈性過程逐漸終

爆破引起的振動是個復雜的過程，其衰減規律受爆破條件、裝藥結構條件、孔徑及孔深、爆源的方向、巖體及地形條件和爆心距等因素的影響，且爆破地震系統本身是個隨機過程，很難用確定的公式計算出某一點的振動狀態。

大量的震動監測資料表明，影響爆破震動強度的主要因素是爆破時的最大段藥量及爆心距。因此，若近似選擇最大段藥量和爆心距作為主要變量，則可用函數形式表示爆破震動強度的最大幅值[3]。

式中： A為地震動最大幅值，cm；Q為藥量，kg；R為爆心距，m；n為常數，一般取1/3；m為常數，一般取1～2。

各國研究者根據各自的觀測數據，得到不同的形式，國內工程常用蘇聯M.A.薩道夫斯基公式[4]：

式中：V為振動質點最大速度，cm/s；Q為藥量，kg；R為爆心距，m；K為破壞作用系數，與巖石特性等因素有關的常數，介質為巖石時K=30～70，平均值K=50，介質為土質時K=150～250，平均值K=200；α為衰減指數，與巖石特性等因素有關的常數，一般取1～2。

2 觀音山隧道爆破設計

2.1 工程概況

西氣東輸二線管道工程廣州—深圳支干線，穿越觀音山國家森林公園的兩條隧道穿越方式均為鉆爆開挖，凈斷面為3.8 m×3.3 m（寬×高），詳細數據見表1。

表1 觀音山隧道匯總表

2.2 地層巖性

觀音山隧道主要在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖中穿越[5-6]，各級圍巖的力學參數見表2。

表2 各級圍巖力學參數表

2.3 爆破設計

2.3.1 基本假定

關于隧道爆破設計，目前尚無完善的理論和方法，結合前述爆破地震波的形成及衰減規律[7]，本爆破設計為簡化解析過程，合理減少計算工作量，根據計算和爆破的實際情況，在不失一般性的條件下作以下假定：

a）將同一類圍巖簡化為單一的介質，并只考慮爆源產生的地震波在碎石土介質彈性范圍內的振動傳播。

b）爆源的爆破為延時起爆，不考慮各段位炮眼間因為延時爆破造成的波疊加。

c）振動質點速度不考慮水平速度和垂直速度的疊加。

2.3.2 炮眼布置

鉆爆隧道開挖的核心問題是炮眼的布置，根據巖石的強度、地質構造、自由面數、炸藥性質、隧道斷面尺寸、炮眼布置、炮眼長度、炮眼直徑大小等因素合理確定炮眼的相關位置及數量。而炮眼的核心內容是掏槽眼的布置及方式，目前國內的爆破設計掏槽方式主要有復式楔形掏槽及大直徑中空直眼掏槽兩種。大直徑中空直眼掏槽方式適用于脆性巖層，中空眼直徑在75～110 mm間，需配合大型鑿巖臺車施工，所需的炮眼數量、炸藥用量、雷管段數較多，平均線性超挖值較大。復式楔形掏槽方式不需要大型鑿巖設備，可以多人同時操作多臺鉆機同步施工，炮眼直徑一般不大于42 mm，雷管段數、炸藥單耗較少，適用于各種性質的巖層，周邊眼外插角較易控制，平均線形超挖值較小。由于西氣東輸二線隧道斷面較小，宜采用全斷面一次爆破開挖，結合觀音山兩條隧道圍巖類型、經濟和技術條件、施工周期等因素，爆破設計掏槽方式采用人工復式楔形掏槽施工方案。Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）采用一種布眼方式，Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅硬巖和中硬巖）采用一種布眼方式，炮眼直徑42 mm。具體炮眼布置見圖2～3，掏槽眼剖面示意見圖4。

圖2 Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）炮眼布置圖

圖3 Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅硬巖和中硬巖）炮眼布置圖

圖4 掏槽眼剖面示意圖

2.3.3 裝藥方式

裝藥方式主要有兩種：連續裝藥及分段裝藥。當炸藥充滿炮孔時，稱為耦合裝藥；當炸藥與孔壁間有一定間隙時，稱不耦合裝藥；當炸藥之間用空氣或填塞料分隔時稱為間隔裝藥。當全部裝藥一次爆炸，能量同時釋放時，用于形成地震波的能量達最大[6]；如將其分段起爆，每次爆破釋放的能量減少，形成地震波的能量相應減小，如果適當控制相鄰的時間間隔，使每段裝藥爆炸所形成的地震波相繼產生，并隨時間間隔的增大而趨于獨立傳播，這樣振幅大的地震波變成了多個振幅較小的地震波，減小了爆破地震強度。段數越多振幅越小，據測定，在裝藥量相同的條件下，微差爆破的振速比齊發爆破降低40%～60%。本次爆破設計采用延時爆破不耦合裝藥的方式來達到減震的效果，裝藥方式見圖5。

圖5 不耦合裝藥結構圖

2.3.4 爆破參數選擇

人工復式楔形掏槽施工分為垂直楔形復式掏槽和水平楔形復式掏槽。水平楔形復式掏槽爆破開挖深度不受隧道空間制約[8]，且掏槽區距隧道開挖周邊眼距離較大，能降低爆破對圍巖的擾動影響。為避免出現光爆效果差、循環進尺低、炸藥單耗高等問題，本次爆破設計采用水平楔形復式掏槽爆破，各圍巖爆破裝藥參數見表3、4。

表3 Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）鉆爆設計參數表

表4 Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅硬巖和中硬巖）鉆爆設計參數表

2.3.5 地表質點振動速度計算

地表質點振動速度根據式（2）計算；觀音山隧道地表為第四系全新統殘坡積層碎石土，場地系數按碎石土介質考慮，破壞作用系數取K=200[9]；衰減指數根據工程類比取α=1.6，延時爆破取最大一段藥量Qmax，地表質點振動計算結果見表5，地表質點振動速度衰減規律見圖6。

表5 地表質點振速計算表

圖6 地表質點振動速度衰減趨勢圖

3 結論

a）計算結果表明，地表質點隨著爆心距的增大，質點速度呈指數遞減趨勢；Ⅳ和Ⅴ級圍巖距離爆源100 m處的地表質點振速V=0.491 cm/s；距離爆源1 000 m處的地表質點振速V=0.012 cm/s；Ⅱ和Ⅲ級圍巖距離爆源100 m處的地表質點振速V=0.749 cm/s；距離爆源1 000 m處的地表質點振速V=0.018 cm/s。

b）參考爆破振動安全允許標準：一般古建筑與古跡質點振動速度限制為V=0.1 cm/s，距離此次爆破設計的爆源330 m外區域的地表質點振速V均小于0.1 cm/s，觀音山國家森林公園的敏感構筑物佛像距離隧道1 000 m左右，處于安全狀態，控制爆破設計成功。

c）本次爆破設計采用理論計算法和工程類比法，爆破參數選取具有一定的局限性，應進行信息化施工，加強對爆破震動的施工期監測，通過對實測資料的回歸分析擬合出符合隧址區實際情況的衰減規律，進一步優化調整爆破參數，將爆破振動效應控制在較低水平，確保文物及爆破作業的安全。

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