復雜敏感環境城區隧道爆破振動及噪聲控制技術

種玉配 李治國 馬占國 劉書奎

[關鍵詞]敏感環境：爆破振動：爆破噪聲：電子雷管

0引言

對于城市市區交通工程隧道和巖基類地層，以當前的技術條件，采用鉆爆法開挖堅硬巖石隧道相對來說是最經濟合理的施工方法，但又不可避免地對既有隧道、周邊建（構）筑物及居民生活帶來不利影響。需要對城區隧道爆破振動及噪聲進行控制。

在隧道爆破振動控制方面，危皓等通過優化炮孔裝藥量和起爆順序，制定了預裂和光面綜合爆破的大斷面爆破開挖方案，對爆破振動能量有很好的衰減效果。學者們分析了預裂縫和減振孔的減振機理，對比了不同排水減振孔后的減振效果。王松青等通過分臺階爆破、松動爆破、直孔掏槽、周邊密集減振孔、空氣間隔裝藥等優化設計，將峰值振速控制在安全允許速度以下。宗琦等在地鐵下穿磚混結構建筑物段，通過減少最大單段藥量、多分段和增加上、下臺階的距離來優化爆破方案，使建筑物更為安全。李小貝研究發現，既有隧道在距離爆破點最近的斷面振速達到峰值，且襯砌中迎爆側墻腰區域的峰值振速和峰值應力最大。在爆破噪聲控制方面，王武剛通過控制用藥量以及信息化施工監測等措施，動態調整、控制噪聲。龔倫提出覆蓋爆破聲源體、高精度雷管等措施，降低爆破噪聲。孫燕提出了爆破噪聲管理方案。

相關學者主要采用控制最大單段藥量、預裂爆破和減振孔等措施進行爆破振動的控制，采用光面爆破、控制最大單段藥量和覆蓋爆源等措施進行爆破噪聲的控制，并且爆破周邊環境相對簡單，保護對象單一。

本文中，針對珠海板障山新增隧道，采用掏槽眼延期時間控制和發明設計一種新型炮孔堵塞裝置，輔以洞口竹膠板防護門和防護門簾，進行爆破振動、噪聲和飛石的控制，以實現對既有隧道、周邊建（構）筑物的保護。

1工程概況

板樟山新增隧道工程位于廣東省珠海市香洲區，是跨越板樟山、連接香洲和拱北的重要南北向城市主干道。新增隧道圍巖主要為中、微風化砂巖，巖石較破碎，圍巖為II～III級：但隧道兩端洞口處巖體風化嚴重，節理裂隙很發育，巖體完整性較差，圍巖為V級。新增上、下行隧道與既有隧道緊鄰，最小凈間距約1倍洞徑。采用爆破施工，必然會對既有隧道產生一定的影響。隧道洞口周邊環境復雜，建（構）筑物繁多，共計42棟，最近處房屋距離隧道口約40m。減少隧道施工對隧道周邊居民的影響是本工程的重點、難點之一。

2既有隧道爆破振動控制

2.1數值計算

2.1.1材料單元的選取

在ANSYS/LS-DYNA中，一般采用高性能炸藥材料*Mat_High _Explosive _Burn來模擬炸藥的爆轟；采用狀態方程*EOS_JWL來描述爆炸時炸藥材料的壓力特征，同時，可以描述炸藥爆炸產生的單位體積的內能、爆轟產物的壓力和相對體積參數。本次模擬使用炸藥的具體參數見表1。

一般采用*Mat Plastic Kinematic來描述巖石材料，這是一種考慮了材料失效的隨動硬化、各向同性以及應變率有關的模型。砂巖的力學參數如表2所示。

2.1.2數值模型建立

模型邊界選取左右邊界150m，上下邊界85m，隧道埋深30m，沿隧道軸向邊界80m。新增隧道與既有隧道間距為20m。模型中，平行于隧道中心線的為X方向，垂直于隧道中心線并指向隧道掘進方向的為y方向，垂直于隧道中心線并指向地表的為Z方向。模型四周設置無反射邊界條件。為了簡化模型，一共設置了7個掏槽孔、24個擴槽孔、10個輔助眼和10個周邊眼，整個模型共劃分468 925個節點，444357個單元，數值模擬模型如圖1所示。模擬中采用電子雷管的掏槽孔孔間延期時間分別為0、2、4、6、8、10ms。

2.1.3數值計算結果

選取既有隧道迎爆側邊墻上的點，作為爆破振動測點。此處根據現場實際，只考慮延期時間10ms以內。統計不同延期時間下測點的爆破峰值振速，如表3所示。最大振速方向為模型中平行于隧道中心線方向。

從表3可以看出，爆破峰值振動速度并不是一味隨著延期時間的增大而減小。而在延期時間為4ms時，爆破峰值振速最小。

2.2現場應用

以掏槽孔延期時間4ms為基準布置炮眼參數，如表4所示。其余各孔間延期時間分別為0、2、6、8、10ms。

數碼雷管炮眼布置圖見圖2。

以掌子面到既有隧道距離最近斷面為監測斷面，布設爆破振動傳感器，采集最大振速，結果如表5所示。

從表5可以看出，實測爆破峰值振速隨著延期時間的變化規律與數值計算的基本一致。在延期時司為4 ms時，爆破峰值振速最小。

為了定量地研究不同延期時間所帶來的減振效果，將質點峰值振速降低程度進行統計，并對減振效率P做出定義。計算公式如下：

按照式（1）計算不同延期時間下的減振效率，如圖3所示。

當延期時間取4ms時，爆破峰值振速相對較小，為1. 26cm/s，相比0ms情況減小了1.39cm/s，減振效率達52.45%。說明在該種圍巖地質條件下，當延期爆破的延期時間取4 ms時，2個爆破孔先后起爆，可以實現波峰與波谷的互相影響而降低振速。

同時，采集4ms延期時間下附近建筑物爆破振速，最大振速如表6所示。

從表6可見，周邊建筑物的爆破峰值振速均在0.5cm/s以下，爆破振速控制效果較好。

3爆破噪聲和飛石的控制

3.1新型炮孔消聲裝置

3.1.1新型炮孔消聲裝置設計

設計了一種用于降低隧道爆破噪聲的炮孔消聲裝置，如圖4所示。整體呈圓臺狀，使用高彈聚酯材料，孔隙率較高，具有一定的吸聲性能。后端直徑為炮孔孔徑35mm;前端略小，為28mm，方便施工過程中塞人炮孔：縱向開設4條寬度5mm的消聲槽，環向開設4條寬度5mm的消聲槽，間距15mm。消聲槽相互連通，形成連續貫通空間；其中，每個消聲槽均用于傳播爆破聲波，以使消聲裝置本體充分吸收聲波，進而降低爆破噪聲。

3.1.2新型炮孔消聲裝置現場應用

使用風鉆、鉆桿按照設計要求鉆孔之后，在炮孔內部裝填炸藥雷管。在距離炮孔200mm位置處，將炮孔消聲裝置本體的前端先裝入炮孔內；同時，注意將腳線沿著炮孔消聲裝置本體的消聲槽引出炮孔，直至炮孔消聲裝置本體的后端與炮孔口齊平，如圖5所示。最后，按照設計要求起爆。

3.2防護門簾

3.2.1現場防護門簾設計

在隧道進洞段，往往由于隧道進尺長度比較小，掌子面的爆破飛石能夠飛出洞外，造成一定的安全隱患。

為了將飛石阻隔在隧道內，在洞門設置竹膠板防護門和防護門簾組合形式。橡膠是高彈性的高分子材料，長鏈分子結構及分子間存在較弱的次級力，使橡膠材料呈現出獨特的黏彈性能。竹膠板是在竹子板上貼了橡膠，防護門簾也盡量使用橡膠塑料材料。不僅能夠吸收爆破飛石能量，而且能夠保證自身的強度安全。

竹膠板防護門的尺寸為：兩側高7m，寬3m;上部高3m，寬6m。竹膠板通過鋼絲繩綁扎在型鋼骨架上，型鋼骨架通過鋼筋與防水臺車進行焊接連接。一側竹膠板上需要開口，方便風筒穿過，口徑在600-800mm。

防護門簾的尺寸為：高5m，寬3m。2塊防護門簾可以各自獨立掀開。防護門簾通過鐵絲與上部的竹膠板型鋼骨架連接。現場設置如圖6所示。

3.2.2現場防護門簾的應用

噪聲顯示屏主要起到實時監測和現場顯示環境噪聲的功能。監測顯示，在爆破后場區，監測的爆破噪聲級為64.2，白天不超過70.0。

通過常規炮孔堵塞與新型堵塞裝置的堵塞試驗，進行噪聲監測數據的對比分析。消聲效果對比分析如表7所示。

由表7可見，在測試距離均為100m且總裝藥量增加的情況下，平級噪聲級分別為99.2和67.8。采用新型炮孔消聲裝置與采用普通炮泥對比發現，平均總裝藥量增加22.01%的情況下，噪聲降低了31.65%，充分說明本消聲裝置的可實用性。

在洞門采取竹膠板防護門和設置防護門簾組合形式后，爆破飛石大部分被阻隔在洞內。由于防護門簾的吸能阻隔，小部分飛石飛出，散落在洞口附近，飛出距離控制在10～30m左右，對附近的人員設備影響比較小。隨著施工里程不斷增大，掌子面遠離洞口，爆破飛石飛出洞口的現象很少發生。

4結論

通過對板障山新增隧道爆破施工過程中電子雷管延期時間的數值計算和現場試驗，得到了既有隧道不同電子雷管延期時間下的最大爆破振速。設計發明了一種新型炮孔消聲裝置及洞口防飛石裝置，得到了炮泥堵塞和新型炮孔消聲裝置應用下的現場場區爆破噪聲數據對比，主要結論如下：

1）在掏槽眼電子雷管延期時間為4ms時，既有隧道最大爆破峰值振速現場實測為1.26cm/s，很好地控制對既有隧道的爆破振動影響。

2）新型炮孔消聲裝置設計及應用后，爆破噪聲控制在標準以內。采用新型炮孔消聲裝置與采用普通炮泥對比：平均總裝藥量增加22.01%的情況下，噪聲降低了31.65%。充分說明本消聲裝置的可實用性。竹膠板防護門和設置防護門簾組合的應用，使得爆破飛石迸濺的風險降低。