隧道施工爆破沖擊波危害及防護

吳 震，王國舉，梁其鵬

(四川省鐵路建設有限公司，四川成都610041)

近年來隨著基建的發展，隧道數量也越來越多，隨之而來的爆破沖擊波問題更加值得研究與思考[1]。目前國內在爆破沖擊波傳播理論以及沖擊波對圍巖作用的研究中做了大量工作。王磊等[2]依托攀枝花至大理高速公路寶鼎2號隧道工程，利用LS-DYNA建立數值分析模型研究隧道內爆破時沖擊波在邊界面隧道內的傳播規律，并根據不同的區段提供了相應的防護措施。孔德森等[3]以南京地鐵隧道項目為依托，通過流固耦合計算對地鐵內的大爆炸破裂工程進行了仿真，并得出了地鐵隧道內縱向超壓的衰減規律。程選生等[4]首先構建了對隧道內土體的熱動力分析與有限元模型建立，并使用Ansys實現了數值模擬，得到了在爆炸沖擊波作用下隧道襯砌結構最先在頂部和肩部破壞的結論。董承全等[5]利用振動速度傳感器測量爆破地震波速度，對爆破所產生的地震波對隧道安全的危害展開了深入研究。本文主要對爆破沖擊波形成與傳播機制進行介紹，并對爆破作業的危害作出總結與分析。同時提出幾種防護方法保證隧道爆破作業的安全進行。

1 隧道施工爆破沖擊波形成與傳播機制

爆炸生成物周圍的壓力和密度相比較空氣而言較小，導致爆炸產物體積變大。同時周圍的空氣會受到壓縮，產生一個向爆源處運動的稀疏波，而在空氣中也會形成一個沖擊波，稀疏波運動方向與爆炸產物運動方向相反，而沖擊波與爆炸產物同向運動。

爆炸物質因慣性作用而會不斷運動，在運動過程中容積不斷擴大而壓強則不斷降低，直至其體積超過某一最大值形成負壓區，而由于爆炸區域內氣體被壓縮，慣性作用會使得爆炸產生的壓力又超過了空氣原始壓力，如此在膨脹與壓縮間來回振蕩，沖擊波的能量逐漸減小。此外，沖擊波在隧道、巷道內傳播會受到隧道壁摩擦力作用，同樣會消耗能量。最終，當沖擊波能量減小到一定程度時便會減弱為聲波(圖1)。

圖1 沖擊波的形成與壓力分布

2 爆炸沖擊波危害及預防

2.1 沖擊波破壞準則

2.1.1 超壓準則

超壓準則的適用范圍為式(1)。

ωT+>40

(1)

式中：ω為目標角頻率(1/s)；T+為正相持續時間(s)。

國內外諸多學者通過試驗對爆破沖擊波超壓作出研究，總結研究后發現，沖擊波通過直接或者間接作用于人體而影響人體的健康與安全。

表1～表3給出了沖擊波超壓對人和建筑物傷害的關系。

表1 沖擊波超壓對人員傷害的關系

表2 沖擊波超壓與建筑破壞程度的關系

表3 沖擊波超壓與隧道內設施破壞程度的關系

2.1.2 沖量準則

沖量準則的定義為式(2)。

is=∫T+0[Ps(t)]dt(2)

式中：is為沖量(Pa·s)，Ps為超壓(Pa)。

這些標準雖然比較全面，但也存在著忽略超壓達不到一定值時對目標的破壞作用的缺點，無論超壓和沖量持續多長時間，目標都不會被破壞。沖量準則的適用范圍為式(3)。

ωT+<0.4

(3)

ω、T+與式(1)相同。

不同的沖量強度對建筑物的損傷程度也有所不同，以下提供了隧道內爆破沖擊波沖量對建筑物損傷程度有關的資料，見表4。

2.1.3 超壓-沖量準則

該規則指出，傷害效應主要由超壓Ps和沖量is共同決定，見式(4)。

(Ps-Pcr)×(is-icr)=C

(4)

式中：Pcr為臨界超壓值；icr為臨界沖量值；C為常數。

表4 空氣沖擊波超圧沖量與建筑物破壞程度關系

2.2 沖擊波超壓預測應用

通過對國內外相關文獻的調研，可以按照對人體損傷的程度的大小將沖擊波超壓的標準分類。超壓值小于2 kPa時，沖擊波對人體無損傷；對于掩體中的爆破作業人員安全允許標準為10 kPa；當超壓值達到20 kPa時，沖擊波會對人體器官產生巨大傷害，甚至對施工人員及周邊人員的生命安全產生威脅。

根據上述分類，可將沖擊波影響范圍劃分區域，如圖2所示。

圖2 隧道內沖擊波傳播分區

由式(4)可以計算劃分區域的大小，表5為不同裝藥量情況下的爆破作業標準。

表5 幾種裝藥量情況下作業標準

2.3 沖擊波安全防護

由圖2所劃分的隧道內沖擊波傳播分區總結出隧道開挖中的避炮原則：

(1)無關人員及爆破施工人員均不能進入該警戒范圍。

(2)爆破施工人員只能在警戒范圍外施工。

(3)非爆破作業人員必須在疏散區域外，在疏散區域較大時，可以通過交叉通道進入相鄰隧道。一般來說，在距離掌面1 000 m的范圍內，必須有一條水平通道可以通過。

除了上述避炮原則外，控制沖擊波強度以及安全允許距離也是決定施工安全的關鍵。

另外，施工過程中可以考慮在爆源附近建造安全防護障礙物，通過消耗沖擊波能量來達到削弱強度的目的。我們可以從洞內和洞口2個位置分別考慮削弱沖擊波強度：

(1)在洞內進行爆破作業時，沖擊波從洞內向洞外傳導，期間由于與洞壁四周存在摩阻力其能量會逐漸減弱，同時現場可根據實際情況設計擋板以增強此阻力。

(2)沖擊波傳播到洞口處時扔可能對洞外人員及建筑物造成破壞，故在洞口處還可設置一處防護障礙物。例如在洞口外一定距離放置一處有足夠高度及寬度的擋板，使沖擊波能量進一步被削弱以滿足安全要求。

3 總結

通過上述分析，施工方可通過疏導以及構筑障礙物的方法控制空氣沖擊波的形成與傳播，以期達到相關規定中安全允許距離的要求。

(1)在爆點附近安放警戒牌，避免無關人員進入。

(2)在施工前進行地質調查，確保爆破作業的實際影響符合設計要求。

(3)在沖擊波傳播過程中對其進行削弱。

(4)不在有利于空氣沖擊波傳播的條件下進行爆破作業。

隧道施工中爆炸沖擊波傳播的途徑多、地質環境復雜，需要根據具體的施工條件來設計爆破方案，來確保人員、建筑物、設施等的安全。