高速鐵路隧道爆破施工環境影響控制技術研究

劉建成

(濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 引 言

隨著人們對居住環境的要求越來越高，鐵路建設特別是隧道施工也正不斷優化施工工藝及技術，力求達到減少對周邊環境影響的目的。目前鐵路隧道施工仍以鉆爆法施工為主，爆破產生的沖擊波、震動波及噪聲會影響周邊居民的日常生活，也是鉆爆法施工不可避免的缺陷。本項目以濟萊高速鐵路建設為依托，通過爆破作業分級管控，采取措施消減爆破作業產生的震動及噪聲，減少對周邊環境的影響，為隧道順利貫通提供了保障。

1 工程概況

濟萊高鐵為全國首條時速達350 km的市內高鐵，位于山東省中部，線路西起濟南市濟南東站，向東經章丘區，而后向南經萊蕪區，終于鋼城站。本線西端連接濟濱、濟青高速鐵路，南端遠期延伸至魯南高鐵，是山東省城際鐵路網的重要組成部分。濟萊高鐵全線新建正線長度114.957 km，其中隧道24座長43.184 km，橋隧比例達79.43%。

濟萊高鐵地形地貌復雜，線路山高、溝多、水深，施工場地條件復雜，穿越港溝斷裂帶、文祖斷裂帶、雙泉山斷裂帶等17條較大型斷裂帶，穿越沉積巖和火成巖不整合接觸帶，滑坡、落石、巖溶、泥石流、山洪、采空區等不良地質多發，隧道巖石以石灰巖與花崗巖為主，隧道穿越多個風景保護區及文化遺址，對爆破控制要求高。濟萊高鐵建設項目部同各參建單位共同研究，采取了一系列的爆破危害防范措施，針對不同的風險級別采取多種措施相組合的方式，有效減少了爆破作業影響，保障了濟萊高鐵各隧道按節點順利貫通。

2 爆破前準備工作

高速鐵路無砟軌道單洞雙線隧道斷面直徑大，每延米開挖方量達155 m3，開挖方量大導致炸藥使用量增大，爆破作業對周邊的影響相應增大。爆破作業對周邊環境的影響主要集中在進洞階段，震動速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質因子有關[1]，隨著開挖進尺的增大，影響逐漸減少。根據前期對周邊環境的調查，對評估監測資料進行分析，針對不同的風險等級采取不同的技術措施，通過控制爆破沖擊波、震動波、噪聲強度，達到保護環境、減少對周邊居民影響的目標。

2.1 資料收集及鑒定評估

爆破作業施工前應搜集建(構)筑物(民房、鐵塔、道路等)相關工程資料，對建(構)筑物進行調查，并詳細記錄(包括攝像、拍照)結構形式及建設年代，設置觀測標識、標記等。

爆破作業前聯合地方各區、街道采取適當的房屋調查程序，對周邊建(構)筑物、管線等設施進行細致、有公信力的排查、鑒定，由具備相關資質的部門出具評估報告并進行公正，留存書面及影像資料，避免后期產生糾紛。對受影響房屋制定動態監測方案，在爆破實施過程中進行實時跟蹤布點監測，發現問題及時停止作業，妥善處置周邊設施。

2.2 爆破作業分級管控

根據現場各隧道爆破工點的實際情況對各爆破工點進行風險評價，進行風險分級管控，根據對周邊環境的影響程度，爆破作業工點共分A、B、C、D四級管理。A級為可能出現較大規模群體性事件或對周邊建(構)筑物及環境造成較大影響；B級為可能引發矛盾沖突，對周邊建(構)筑物及環境造成影響；C級為通過有效工作可防范與化解矛盾，對周邊建(構)筑物及環境造成輕微影響；D級為施工風險較低，不會對周邊建(構)筑物及環境造成影響。針對不同的風險等級采取不同的措施進行處理。以濟萊高鐵宅科隧道為例，經評估距離最近房屋為105 m，周邊房屋較多，爆破影響較重，風險等級評定為B級，爆破作業分級評定見表1。

表1 爆破作業分級評定表

2.3 確定爆破影響控制目標

濟萊高鐵24座隧道共49個開挖面，其中距離周邊居住區及建(構)筑物較近的開挖面有29個，占比達59.2%，房屋多以磚混結構為主，少量的毛石房屋，根據《爆破安全規程》對不同建筑物爆破允許質點震速的要求，根據現場實際情況，考慮相關的安全系數，通過專家論證，最終確定距離爆破點最近的建(構)筑物最大爆破質點震速。以宅科隧道為例，結合爆破作業點與周邊房屋及建(構)筑物的距離，以及建筑物的結構形式，最終確定最大爆破質點震速不大于0.5 cm/s。

2.4 爆破作業公示

嚴格控制爆破作業時間段，避免在夜間及其他敏感時間段進行爆破作業。每次爆破作業時提前1 d進行公示，為村民講解爆破作業前不同的警示含義，讓每一戶群眾知情知曉。爆破當天提前1 h通知附近各村居委會或產權單位，讓可能受影響的村民暫離房屋，以保證人員安全。

3 爆破影響控制措施

目前國內外對爆破影響控制技術已經開展了許多研究，濟萊高鐵施工通過現場試驗效果主要通過控制單段起爆藥量、采用電子雷管起爆、采用光面爆破技術、選擇合理的掏槽方式、減少進洞段開挖進尺、采取炮簾與阻波墻減震降噪、爆破震動及噪聲監測、優化開挖工法等措施進行影響控制，施工前制定專項爆破方案，施工中嚴格落實各項措施，成立專項工作小組，確保各項措施落實到位。

3.1 控制單段起爆藥量

目前國內外比較公認的預測爆破震動強度的經驗公式是薩道夫斯基的經驗公式[2]：

V=k(Q(1/3)/R)α

式中：V為地面質點峰值震動速度；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量；R為觀測點到爆源的距離；K、α為與爆破點至計算點間的地形、地址條件有關的系數和衰減指數。

由上述公式可以看出，爆破震動速度與單段起爆藥量成正比，在距離一定的情況下控制單段起爆藥量是最有效的降震措施。爆破震動峰值強度主要與炸藥量、爆心距及介質條件有關，而在這些條件中人為控制最有效的因素是炸藥量[3]。大量實踐證明，爆破震動峰值強度的大小，主要取決于最大分段藥量，但是爆破藥量減少同時會影響開挖進度，減緩施工進度，所以單段最大起爆藥量可以根據與最近建筑物的距離及評估確定的允許質點震速反推獲得。以宅科隧道為例，離爆破點最近的建筑物距離為105 m，取爆破質點震速0.5 cm/s，取K=200，α=1.8，ν=0.5 cm/s時，R=105m，計算允許最大單響藥量Q為47.4 kg，爆破開挖單段起爆藥量控制在此范圍以內。

3.2 采用電子雷管起爆

電點雷管，具有高安全、高精度、在線可編程、寬延期的優點，通過電腦程序精確控制雷管的起爆時間、延期時間和合理的微差爆破時間，實現精確錯相，減少爆炸應力波的疊加。相對于普通雷管爆破，數碼雷管引起的爆破震動降低30%～60%[4]，降低了振速，改善了爆破塊度，降低了對圍巖的擾動。同時利用電子雷管可以多段位精準控制的特點，在總藥量一定的條件下，通過多分段，可以有效減少單段起爆藥量，降低單位時間內爆炸能量的釋放，通過現場試驗，降震、降噪效果明顯。

3.3 采用光面爆破技術

光面爆破是隧道施工中常用的一種控制爆破技術，通過在開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與抵抗線相匹配的光爆孔，采用不耦合裝藥或填裝低威力炸藥，周邊眼在主爆區起爆之后同時起爆，最后形成平滑的輪廓線，光面爆破炮孔布置及電子雷管分段如圖1所示。光面爆破不僅可以減少開挖面的超挖、欠挖，到達控制成本的目標，又能減小爆破對保留巖體的破壞，保持巖體的完整性和自穩能力，同時光面爆破采用不耦合裝藥并增大不耦合系數，減小炸藥爆炸時直接作用在炮孔壁上沖擊波峰值壓力，可以有效減小爆破震動峰值。同時嚴格控制爆破參數，合理選取炮眼間距及起爆時間間隔，防止地表地震波疊加[5]。施工過程中加強炮眼堵塞質量，逐孔檢查封堵效果，確保炮孔封堵長度及密封性。施工中可以結合水袋進行水壓爆破，使爆破后巖碴塊度均勻，減少能量的擴散，同時可以有效控制空氣沖擊波、飛石、噪聲、快速降塵作用，改善洞內施工環境。

圖1 光面爆破炮孔布置及電子雷管分段示意圖

3.4 選擇合理的掏槽方式

隧道爆破的關鍵在于掏槽孔爆破后能否為其他炮孔的爆破創造出足夠的第二自由面，為此掏槽孔的藥量通常都大于其他炮孔的裝藥量[6]。工程實踐證明，爆破作業過程中掏槽眼爆破產生的震動最大，這是由于掏槽眼爆破時沒有足夠的爆破臨空面，炸藥爆炸產生的能量大部分直接作用在巖石上，做功破碎巖石，因此，選擇合理的掏槽形式可以控制爆破震動[7]。

楔形掏槽是最常見的掏槽方式，雖然爆破效果和技術經濟指標較好，但因爆破夾制作用太大，引起強烈的爆破震動[8]。與傳統的掏槽方式相比復式楔形掏槽可以改善掏槽爆破震動大的問題，隧道掏槽爆破之所以產生最大震動強度，是因為掏槽爆破只有一個臨空面，要用炸藥爆破做功，破碎和拋擲掏槽部位的巖石，為隨后爆破的炮眼提供第二臨空面。復式掏槽可以在掏槽部位設置一個先導孔，爆破初期就可以提供第二臨空面，并可以進行多段爆破，進一步減小巖石的夾制作用，從而可以進一步改善爆破震動強度。

3.5 減少進洞段的開挖進尺

隧道進洞段是噪聲、震動控制最不力的階段，沒有洞身初支結構的限制，周邊環境空曠，爆破產生的震動與噪聲可以進行遠距離傳播。周邊居民在對爆破施工不了解的前提下容易引發恐慌和不安定因素，是爆破環境影響的關鍵時期。所以要嚴格控制爆破進尺，減少一次爆破藥量，必要時采用機械鑿除的方法進行進洞。各隧道進洞段IV、V級圍巖采用短進尺、弱爆破的方式，降低單孔裝藥量和一次起爆藥量，經專家論證最大開挖步距不超過1.2 m或兩榀鋼架，確保安全順利進洞施工。

3.6 設置減震降噪屏障

為減少爆破沖擊波及噪聲對周邊環境的影響，在隧道內及隧道口設置多道屏障。第一是在隧道內設置多重炮簾，可以減少洞內沖擊波的擴散，同時可以消減噪聲的強度。第二是在洞口設置隔音屏障，隔音屏障采用吸音材料制成，對殘余爆破噪聲進行吸收和消減。第三是在洞口或周邊設置阻波堤、隔振溝、橡膠擋墻，通過改變震動的傳播途徑，達到減震的目的。

3.7 優化開挖工法及作業時間

對通過上述措施仍不能滿足要求的工點，采取掘進機、靜態爆破、懸臂機微擾動機械法開挖等手段進行開挖，同時優化開挖工序，減少夜間施工時間，可以有效控制施工對周邊環境的擾動影響，待進洞達到一定長度后進行評定，根據評估結果再恢復爆破開挖。

4 效果評價

4.1 開展變形評估及震動監測

嚴格落實爆破震動檢測工作，動態調整爆破參數，確保爆破施工安全，結合沿線爆破作業點實際情況，配備中國科學院成都中科測控公司TC—4850N型測振儀，在所有爆破作業實施過程中投入使用，使用前進行標定，各檢測探頭按既定點位固定牢靠，由監理單位組織對鄰近房屋進行震動監測，邀請街道、村委進行現場見證，由評估單位根據監測資料進行評估，留存持牌驗收影像資料，形成各方簽字的有效支撐資料備案，確保監測數據的真實性和權威性，現場震動監測典型曲線如圖2所示。

圖2 爆破震動監測典型曲線

4.2 爆破措施采用及效果評價

通過前期爆破風險評定確定的風險等級選用合理的爆破作業控制措施，不同等級的爆破作業控制措施通過多種手段進行組合的方式見表2。在保證安全的前提下，控制措施成本，避免過多的資源浪費。過程中根據爆破影響程度及監測結果進行動態評定，采取相應的控制措施，達到方法有效、成本可控的管理目標。

表2 爆破作業控制措施選用表

濟萊高鐵全線24座隧道均已優質高效地如期貫通，震動監測結果顯示均在制定的限值以內，未發生大規模的群眾事件，對周邊環境影響得到有效降低，爆破震動控制達到了逾期的效果。