隧道爆破施工對鄰近村民房屋影響的分析

張 曉 華

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030000;2.山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

1 概述

1.1 工作目的

通過分析某高速公路隧道爆破施工對周邊環(huán)境地質(zhì)、地形的影響因素，并且對爆破震動進(jìn)行了相關(guān)測試，從而確定隧道施工對鄰近村民房屋造成的影響范圍與程度。

1.2 測試區(qū)域地質(zhì)、地形情況

測試區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕中山地貌，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，地面標(biāo)高變化在975 m～1 090 m之間，地表被樹枝狀的山溝切割的支離破碎，地表土質(zhì)較松軟，帶濕陷性，地表水主要為大氣降水，沖溝多為“V”字形，地表水排泄通暢，溝谷內(nèi)平常無地表徑流，僅在雨季可形成短暫水流，地下水埋藏較深。

隧道工程左線長1 365 m，右線長1 413 m，為分離式雙洞雙車道山嶺巖土高速公路隧道，計算行車速度為80 km/h。隧道圍巖主要由二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖、泥巖、頁巖和石炭系上統(tǒng)山西組砂巖、泥巖、頁巖組成，強(qiáng)～微風(fēng)化，上覆地層為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土、第四系中更新統(tǒng)離石黃土和第三系上統(tǒng)保德組亞粘土，隧道最大埋深為103 m。隧道洞身范圍以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主，圍巖級別低，自穩(wěn)能力差，隧道起點(diǎn)段1 km位于煤礦采空區(qū)，洞口可見劣煤出露。受檢村民房屋位于隧道上方，房屋類型以窯洞結(jié)構(gòu)為主，分為石窯、磚窯和土窯結(jié)構(gòu)，石窯基礎(chǔ)形式為片石條形基礎(chǔ)，無地圈梁，墻體由片石與土砌筑，拱弦采用石砌圓拱頂，拱弦高1.2 m左右，拱厚300 mm～500 mm，外墻厚500 mm～1 500 mm，內(nèi)墻厚400 mm～1 000 mm，墻高2.0 m左右，房屋總高3.9 m ～4.7 m，洞身凈高 3.0 m 左右，凈寬 3.5 m 左右，進(jìn)深7.0 m～9.0 m;磚窯基礎(chǔ)形式為磚條形基礎(chǔ)，無地圈梁，墻體由磚與白灰砂漿砌筑，拱弦采用磚砌圓拱頂，拱弦高1.2 m左右，拱厚180 mm，內(nèi)、外墻厚370 mm，墻高2.0 m 左右，房屋總高4.0 m ～4.5 m，洞身凈高3.0 m 左右，凈寬3.5 m 左右，進(jìn)深7.0 m ～9.0 m;土窯由山體開挖而成，由洞內(nèi)原狀土承重，洞內(nèi)外局部掛砌片石，洞身凈高2.0 m ～3.0 m，凈寬1.5 m ～3.5 m，進(jìn)深3.0 m ～8.0 m，窯洞房屋的承重體系均為橫墻承重結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)均未采用任何抗震設(shè)防措施。此外，還有少量磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)。

2 影響房屋受損的因素

2.1 地質(zhì)地形狀況的影響

村落所處地形起伏較大，沖溝較多，地表土質(zhì)較松軟，帶有濕陷性，大多數(shù)受檢房屋地基基礎(chǔ)坐落于斜坡場地上，局部為素土填充，地基土不均勻、較松軟，土層結(jié)構(gòu)差，易產(chǎn)生地基濕陷不均勻沉降和邊坡滑移現(xiàn)象。

2.2 村民房屋自身結(jié)構(gòu)存在的問題

村民房屋自身主要存在三方面問題:1)材料問題，檢測所涉及的窯洞結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和砌體簡易結(jié)構(gòu)幾種類型的房屋，其上部結(jié)構(gòu)使用承重材料均差，窯洞的上部結(jié)構(gòu)以洞內(nèi)原狀土承重，局部土層呈松散狀，土層內(nèi)襯粘土磚或片石砌筑，無填充材料鑲縫;磚木、磚混結(jié)構(gòu)砌筑用磚、砂漿及混凝土現(xiàn)齡期強(qiáng)度均較低，木屋架抗折、抗彎能力較弱。2)建造問題，村民房屋均為自建房，無正規(guī)設(shè)計圖紙等資料，房屋地基處理方法簡單，上部結(jié)構(gòu)體系、整體性連接、局部易損易倒部位的構(gòu)造指標(biāo)，遠(yuǎn)達(dá)不到房屋所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度要求，造成了房屋抵御外力的能力很差。3)維修問題，房屋年久失修，室外無排水措施，生活用水及雨水易灌入建筑地基基礎(chǔ)內(nèi)，屋面存在漏雨，部分構(gòu)件風(fēng)化嚴(yán)重，大多數(shù)的窯洞房屋室內(nèi)抹灰層出現(xiàn)發(fā)霉、空鼓、脫落和裂縫現(xiàn)象，造成了房屋承載力減弱或失效。

2.3 隧道施工爆破對房屋的影響

巖石爆破產(chǎn)生的瞬時爆炸力，主要以振動波形式沿土層及空氣中向四周輻射，對房屋產(chǎn)生的沖擊作用力，主要表現(xiàn)為兩個方面:1)地基基礎(chǔ)受攪，地下振動波波速較空氣中傳播速度快，距離遠(yuǎn)，影響范圍也較空氣中大，當(dāng)?shù)卮迕穹课菰陂L期使用過程中，地基沉降基本已趨于穩(wěn)定，在新的波動侵?jǐn)囅?，原有地基平衡被打破，?yīng)力在小范圍內(nèi)又一次進(jìn)行了重分布，從而造成房屋上部結(jié)構(gòu)原有裂縫進(jìn)一步增大、增寬或出現(xiàn)新的開裂情況。2)上部結(jié)構(gòu)形變，空氣中的振動波的傳播方式主要為壓縮氣體，對周圍物體做功后產(chǎn)生破壞效應(yīng)，從而導(dǎo)致受攪居民房屋門窗出現(xiàn)變形、局部墻體抹灰層出現(xiàn)裂縫和脫落的現(xiàn)象。

3 隧道掘進(jìn)爆破對地面房屋影響范圍的確定

3.1 工程爆破的地震效應(yīng)

在巖土中爆破時，隧道工程的爆破源同時也是地震源，炸藥爆破能量的2%～6%將轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸩?，它在一定范圍?nèi)進(jìn)行傳播，隨時間而變化的應(yīng)力系形成了爆破震動效應(yīng)。由人工爆破產(chǎn)生的地面震動，因爆破炸藥量和觀測距離的不同，地面振動特征存在較大差異，人工爆破所產(chǎn)生的波形，具有振幅衰減快、持續(xù)時間短、振動頻帶寬等特性。在距爆源一定距離內(nèi)，爆炸能量對介質(zhì)的作用為非彈性作用，在這一距離以外，出現(xiàn)彈性效應(yīng)，這種彈性擾動在巖體介質(zhì)中，以地震波的形式由爆炸區(qū)向外傳播，行進(jìn)的波動擾動引起了巖層介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動，地震波傳到地面后引起地面運(yùn)動，在距離一定的情況下，炸藥量越大，地面震動也越大，振動頻率也越低，振動持續(xù)時間也越長。隨著傳播距離的增大，質(zhì)點(diǎn)的振動強(qiáng)度將逐漸衰減，在質(zhì)點(diǎn)振動強(qiáng)度超過一定限度時，會造成這一范圍內(nèi)地表建筑物的開裂和破壞，尤其是重復(fù)爆破作用的擾動，會導(dǎo)致房屋中已有裂縫累積性擴(kuò)展。

3.2 隧道施工爆破情況

該隧道開挖支護(hù)采用上下臺階法施工，光面爆破，齊發(fā)雷管起爆，爆破器材采用非電毫秒雷管，炸藥采用2號巖石硝銨炸藥，規(guī)格為φ32 mm藥卷，開挖采用多功能作業(yè)臺架人工打眼，斜眼掏槽，炮孔直徑為42 mm，炮孔堵塞用硬泥混合砂子，起爆系統(tǒng)采用導(dǎo)爆管傳爆，以集束為主混合聯(lián)接引爆網(wǎng)絡(luò)，單次爆破最大裝藥量為 68.4 kg。

3.3 爆破震動的安全允許距離的確定

1)計算過程。由于現(xiàn)場檢測時，隧道爆破已完成，震動安全允許距離的確定依據(jù)GB 6722-2003中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)爆破安全規(guī)程中6.2條第3款提供的計算公式進(jìn)行計算，計算公式如下:R=(K/V)1/a·Q1/3。其中，R為爆破震動安全允許距離，m;Q為炸藥量，kg，按單次爆破最大裝藥量為68.4 kg計算;V為建筑物所在地質(zhì)點(diǎn)的安全允許峰值振動速度，對窯洞、磚木、砌體簡易結(jié)構(gòu)類型取0.5 cm/s，對磚混結(jié)構(gòu)類型取2.0 cm/s;K，a分別為爆破點(diǎn)至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，經(jīng)采用武漢中巖科技有限公司生產(chǎn)的SR-VM2004振動監(jiān)測儀對現(xiàn)場進(jìn)行爆破測試后，得出K=190，a=1.75。

2)計算結(jié)果。根據(jù)以上計算公式及現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)值，經(jīng)計算得出爆破震動安全允許距離:對窯洞、磚木結(jié)構(gòu)類型為121.9 m;對磚混結(jié)構(gòu)類型為55.2 m。

4 房屋與隧道最短距離的測定

4.1 測定方法及過程

由于在一定程度上，受損房屋的影響程度與距離成正比關(guān)系，距離越大，房屋的受損程度越小，為確定村民房屋與爆源的最近距離，采用了廣州國測數(shù)碼技術(shù)有限公司生產(chǎn)的中海達(dá)牌GNSS-V8型雙星RTK系統(tǒng)，對每戶村民房屋坐標(biāo)進(jìn)行了實(shí)地測量，由實(shí)測村民房屋的坐標(biāo)點(diǎn)位，結(jié)合隧道曲線方程，確定兩者間的最短距離，由于實(shí)際工作中的隧道曲線方程是由離散的樁點(diǎn)坐標(biāo)組成的，兩者間的最短距離的計算，實(shí)際上演化為院落坐標(biāo)與隧道最近樁點(diǎn)的計算。隧道樁點(diǎn)坐標(biāo)為靠近村民房屋的邊線的上頂點(diǎn)坐標(biāo);隧道最近點(diǎn)坐標(biāo)為村民房屋所測點(diǎn)位所對應(yīng)隧道邊線最近點(diǎn)樁號坐標(biāo)，即兩點(diǎn)連線與隧道邊線的切線垂直。根據(jù)該村受檢房屋所處兩條隧道的方位的不同，可將村民房屋分為三類區(qū)域:第一類區(qū)域位于隧道右線的右側(cè)，隧道樁點(diǎn)坐標(biāo)選于右線的右邊線的上頂點(diǎn)處;第二類區(qū)域位于左線隧道的左側(cè)，隧道樁點(diǎn)坐標(biāo)選于左線的左邊線的上頂點(diǎn)處;第三類區(qū)域位于兩條隧道的中間位置，住戶房屋靠近右線的，隧道樁點(diǎn)坐標(biāo)選于右線的左邊線的上頂點(diǎn)處，住戶房屋靠近左線的，隧道樁點(diǎn)坐標(biāo)選于左線的右邊線的上頂點(diǎn)處。

4.2 測定結(jié)果

經(jīng)實(shí)測、計算、分析，匯總村民房屋與隧道水平、垂直及直線距離后得出:對窯洞、磚木結(jié)構(gòu)類型的房屋，位于本次爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的房屋有44座;對磚混現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)類型的房屋，位于本次爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的房屋有15座。

5 房屋安全性等級的評定

依據(jù)GB 50292-1999民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)及JGJ 125-99危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定，對爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的59座房屋進(jìn)行了受損情況的安全性鑒定評級，其中房屋受損最嚴(yán)重的為D級，此類房屋受影響程度較大，屋面和承重墻體變形及開裂情況較嚴(yán)重;房屋受損較嚴(yán)重的為C級，此類房屋受震影響程度略大，承重墻體變形及開裂情況略為嚴(yán)重;房屋受損不嚴(yán)重的為B級，受損情況主要為室內(nèi)抹灰層脫落、門窗變形、墻體原有裂縫略微增大等現(xiàn)象，此類房屋受震影響程度較小;房屋未受到損傷的為A級。

6 結(jié)語

高速公路的建設(shè)一般屬于國家重點(diǎn)工程，但路線往往要穿越居民區(qū)，施工擾民成為了一個不可避免的問題，希望該篇論文可為處理此類問題上提供一些參考。

［1］GB 6722-2003，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)爆破安全規(guī)程［S］.

［2］GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］JGJ 125-99，危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.