復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術(shù)分析

吳純明

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北 襄陽 441100）

0 引言

復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工的常用方法有明挖法、盾構(gòu)法與鉆爆法等，其中鉆爆法不但能提高隧道施工效率，還能降低施工成本[1]。但在地表建筑物較多、人口密集的市區(qū)中，采用鉆爆法進行隧道爆破開挖，由爆破形成的振動效應(yīng)會影響地表建筑結(jié)構(gòu)的安全性。為此，需要研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動影響規(guī)律，進而控制爆破災(zāi)害，達(dá)到降振的目的。本文以某城市隧道為研究對象，研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術(shù)。

1 工程概況

以某城市隧道為研究對象，該隧道為高速鐵路隧道，單洞雙線，隧道凈寬12.5m，凈高9m，隧道穿越灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖地層，開挖采用鉆爆法施工，隧道為淺埋隧道，最大埋深80m，出口段300m下穿鄢家花園還建房小區(qū)，最大埋深40m。該隧道的具體參數(shù)見表1。

表1 隧道具體參數(shù)

2 城市隧道施工爆破振動影響及降振技術(shù)

2.1 復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動影響

2.1.1 對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動影響

通過FLAC3D有限差分軟件，分析城市隧道施工爆破對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動影響。炸藥與鉆爆參數(shù)見表2。

表2 炸藥及鉆爆參數(shù)

以出口開挖為例，共設(shè)置3個監(jiān)測點，監(jiān)測和分析城市隧道施工爆破對地表建筑結(jié)構(gòu)的振動影響，地表建筑結(jié)構(gòu)可承受的最大振動速度為1.2cm/s，分析結(jié)果見表3。

表3 爆破施工地表建筑結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點的振速變化情況

根據(jù)表4可知，隧道爆破施工過程中，各監(jiān)測點的地表建筑結(jié)構(gòu)振速變化趨勢基本一致，在X、Y、Z三個方向上，各監(jiān)測點隨著掌子面里程的提升，均呈先上升后下降的趨勢。在X方向上，當(dāng)掌子面里程為30m時，3個監(jiān)測點的振速均達(dá)到最大值，分別是0.69cm/s、0.98cm/s、0.41cm/s；在Y方向上，當(dāng)掌子面里程為40m時，3個監(jiān)測點的振速均達(dá)到最大值，分別是0.72cm/s、1.05cm/s、1.08cm/s；在Z方向上，當(dāng)掌子面里程為50m時，3個監(jiān)測點的振速均達(dá)到最大值，分別是0.81cm/s、0.82cm/s、0.58cm/s；在X、Y、Z三個方向上，隧道爆破施工過程中，地表建筑結(jié)構(gòu)的最大振速分別為0.98cm/s、1.08cm/s、0.82cm/s，均在地表建筑結(jié)構(gòu)可承受的最大振動速度以內(nèi)，說明隧道爆破施工不會損壞地表建筑結(jié)構(gòu)。

2.1.2 爆破振動對居民心理承受能力的影響

表4 不同影響程度爆破振動速度的置信區(qū)間

該隧道上部建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)居住人群，不僅包含青壯年人群，還包含中老年與兒童。為最大程度地降低隧道爆破施工對附近居民的影響，對隧道爆破施工附近居民進行了爆破振動施工時的人員心理承受能力調(diào)查工作[2]。調(diào)查過程中，通過考慮調(diào)查居民的年齡、性別與職業(yè)等因素，全面描繪各種人群構(gòu)成特征與測試環(huán)境對隧道爆破振動反應(yīng)的差異情況，共設(shè)置4種影響程度級別，分別是無影響、輕微影響、可接受影響、不可接受影響。對隧道爆破施工附近居民共發(fā)放480份問卷調(diào)查，對不同隧道爆破施工振動速度的接受程度進行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 居民對不同隧道爆破施工振動速度的接受程度

根據(jù)圖1可知，隨著隧道爆破施工振動速度區(qū)間的提升，無影響等級的居民數(shù)量越來越少，當(dāng)爆破振動速度區(qū)間超過0.6~0.8cm/s時，所有居民均認(rèn)為隧道爆破施工對居民生活有影響，且爆破振動速度區(qū)間越高，不可接受影響等級的居民數(shù)量越來越多。

通過t分布曲線對圖1進行統(tǒng)計分析，劃分各影響程度的振速置信區(qū)間，見表4所示。按照表4的置信區(qū)間，構(gòu)造隧道爆破施工振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果見表5。根據(jù)表5可知，附近居民覺得爆破振動速度的可接受范圍是0.80~1.10cm/s，為此，在進行隧道爆破施工過程中，考慮爆破施工對居民與地表建筑結(jié)構(gòu)的影響，需將爆破振動速度控制在1.10cm/s以內(nèi)，才能最大限度降低對居民與地表建筑結(jié)構(gòu)的影響。

表5 隧道爆破施工振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 城市隧道施工爆破降振技術(shù)

復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動強度的影響因素較多，例如爆破器材、炸藥量與炮孔深度等。城市隧道施工爆破降振技術(shù)主要有：設(shè)計合理的爆破時差，選擇合理的爆破參數(shù)，選擇合理的掏槽形式，選擇合理的開挖方式，加強爆破振動監(jiān)測等。

2.2.1 設(shè)計合理的爆破時差

當(dāng)單段爆破炸藥量一致時，不同爆破方式形成的地表振速相差較小，這就說明僅有炸藥量會影響地表振動速度。在隧道爆破施工中，通過確保每段雷管內(nèi)包含足夠的起爆時差，便可有效將地表振速控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保證爆破振動波形不會出現(xiàn)彼此疊加現(xiàn)象[3]。同時，爆破時差不可過大，否則便會降低爆破效果。通過增加電雷管段數(shù)，爆破時差可控制在100~150ms之間。

2.2.2 選擇合理的爆破參數(shù)

通過設(shè)置合理的爆破參數(shù)，能夠提升隧道爆破施工質(zhì)量。對隧道爆破施工質(zhì)量影響較多的爆數(shù)有：掏槽形式、炮眼數(shù)量、單孔炸藥量與炮孔深度等[4]。設(shè)置爆破參數(shù)時，不僅要考慮城市隧道建設(shè)的地質(zhì)條件與隧道斷面尺寸等因素，還要考慮爆破參數(shù)間的相互關(guān)系，以及爆破參數(shù)對爆破質(zhì)量的影響。

2.2.3 選擇合理的掏槽形式

線性布置與線性起爆具備較優(yōu)的啟重作用，為此，選擇線性布置與線性起爆方式，提升炸藥利用率。以不耦合裝藥結(jié)構(gòu)為隧道爆破掏槽眼，這種掏槽眼結(jié)構(gòu)不僅能夠提升爆破效果，還能達(dá)到降振目的。

隧道爆破施工過程中，最大振速的位置為掏槽，為此，按照隧道開挖斷面尺寸選擇復(fù)式楔形掏槽，能提升隧道施工爆破的降振效果。

2.2.4 選擇合理的開挖方式

選擇合理的開挖方式，可降低單管裝藥量，控制爆破規(guī)模。因為城市隧道為淺埋隧道，其上半斷面圍巖軟弱，炸藥量需求較少，所以采用人工開挖方式，上半斷面開挖結(jié)束后，為下半斷面爆破形成有利的臨空面，利于提升隧道爆破施工振動的降振效果。當(dāng)隧道開挖地層較硬時，選擇反臺階法預(yù)留光爆層施工方式，在最下層放置掏槽，提升掏槽部位的爆心距。

2.2.5 加強爆破振動監(jiān)測

隧道爆破施工時，通過計算爆破振動速度V，實時監(jiān)測隧道爆破施工時的振動情況，將爆破施工振動速度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。爆破振動速度V的計算公式如下：

式中：Q——最大單段炸藥量；

R——爆心距；

G——與爆破方式相關(guān)的待定系數(shù)；

A——與地質(zhì)條件相關(guān)的待定系數(shù)。

應(yīng)用上述降振技術(shù)設(shè)計該隧道爆破施工的降振爆破參數(shù)，其中，爆破段位數(shù)量為11段，設(shè)計結(jié)果見表6。

表6 爆破降振參數(shù)設(shè)計結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計的爆破參數(shù)進行爆破試驗，該隧道爆破施工時的振動速度變化情況分析結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2可知，應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計的爆破參數(shù)后，該隧道爆破施工過程中，3個方向的振動速度變化趨勢基本一致，X方向的最大振動速度在0.59cm/s；Y方向的最大振動速度在0.82cm/s；Z方向的最大振動速度在0.70cm/s；3個方向上的最大振動速度均未超過1.10cm/s，符合復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動速度的控制標(biāo)準(zhǔn)。對比表4可知，應(yīng)用本文技術(shù)后的最大振動速度明顯低于應(yīng)用前，說明本文技術(shù)可有效實現(xiàn)隧道施工爆破的降振目的。

圖2 應(yīng)用本文降振技術(shù)后的振速波形變化曲線

4 結(jié)束語

受工程地質(zhì)條件影響，部分城市隧道施工需采用爆破施工方式，但爆破施工會影響隧道地表建筑結(jié)構(gòu)的安全性，為此，本文研究復(fù)雜環(huán)境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術(shù)，為提升城市隧道施工爆破降振效果提供技術(shù)支撐。試驗結(jié)果表明：應(yīng)用本文技術(shù)設(shè)計的爆破參數(shù)后，該隧道在X、Y、Z三個方向上的最大振動速度分別是0.59cm/s、0.82cm/s、0.70cm/s，均明顯低于應(yīng)用本文技術(shù)前，說明本文技術(shù)具備較優(yōu)的隧道施工爆破降振效果。