觀音山隧道爆破對周邊敏感構(gòu)筑物的影響分析

馬 紅 胡文君 胡道華 鄭 興

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

西氣東輸二線管道工程廣州—深圳支干線起于廣州末站，止于深圳市求雨嶺。由于受線路總體走向和東莞市城市發(fā)展總體規(guī)劃及沿線各鎮(zhèn)級發(fā)展規(guī)劃的限制，該工程最終確定了管道通過觀音山國家森林公園的方案：飛云頂隧道（670.5 m）+管溝開挖（840 m）+筆架山隧道（1 210 m），總長度2 720.5 m。因觀音山上有尊30 m高的佛像（4A級保護(hù)文物），屬于敏感性構(gòu)筑物，而隧道穿越軸線距離佛像最近約1 km，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)主管部門提出論證隧道爆破施工產(chǎn)生的震動對佛像有無影響的要求[1]。止，顯示出彈性效應(yīng)，并以地震波的形式向外傳播。爆破地震波的形成過程[2]見圖1。

圖1 爆破地震波的形成過程

1 爆破地震波的形成及衰減規(guī)律

炸藥爆炸時，產(chǎn)生高溫高壓的爆炸氣體向外膨脹沖擊巖體，爆炸產(chǎn)生的震動能使10～15 R0（R0為裝藥半徑）范圍內(nèi)的巖體壓碎、破裂。同時，其壓力、波速、能量隨著爆心距的增加而很快衰減。在離開爆心10～15R0后，巖體中沖擊波的能量衰減到某一臨界值，沖擊波開始轉(zhuǎn)換為沒有陡峭波陣面的應(yīng)力波。隨后非彈性過程逐漸終

爆破引起的振動是個復(fù)雜的過程，其衰減規(guī)律受爆破條件、裝藥結(jié)構(gòu)條件、孔徑及孔深、爆源的方向、巖體及地形條件和爆心距等因素的影響，且爆破地震系統(tǒng)本身是個隨機(jī)過程，很難用確定的公式計(jì)算出某一點(diǎn)的振動狀態(tài)。

大量的震動監(jiān)測資料表明，影響爆破震動強(qiáng)度的主要因素是爆破時的最大段藥量及爆心距。因此，若近似選擇最大段藥量和爆心距作為主要變量，則可用函數(shù)形式表示爆破震動強(qiáng)度的最大幅值[3]。

式中： A為地震動最大幅值，cm；Q為藥量，kg；R為爆心距，m；n為常數(shù)，一般取1/3；m為常數(shù)，一般取1～2。

各國研究者根據(jù)各自的觀測數(shù)據(jù)，得到不同的形式，國內(nèi)工程常用蘇聯(lián)M.A.薩道夫斯基公式[4]：

式中：V為振動質(zhì)點(diǎn)最大速度，cm/s；Q為藥量，kg；R為爆心距，m；K為破壞作用系數(shù)，與巖石特性等因素有關(guān)的常數(shù)，介質(zhì)為巖石時K=30～70，平均值K=50，介質(zhì)為土質(zhì)時K=150～250，平均值K=200；α為衰減指數(shù)，與巖石特性等因素有關(guān)的常數(shù)，一般取1～2。

2 觀音山隧道爆破設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

西氣東輸二線管道工程廣州—深圳支干線，穿越觀音山國家森林公園的兩條隧道穿越方式均為鉆爆開挖，凈斷面為3.8 m×3.3 m（寬×高），詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 觀音山隧道匯總表

2.2 地層巖性

觀音山隧道主要在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖中穿越[5-6]，各級圍巖的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各級圍巖力學(xué)參數(shù)表

2.3 爆破設(shè)計(jì)

2.3.1 基本假定

關(guān)于隧道爆破設(shè)計(jì)，目前尚無完善的理論和方法，結(jié)合前述爆破地震波的形成及衰減規(guī)律[7]，本爆破設(shè)計(jì)為簡化解析過程，合理減少計(jì)算工作量，根據(jù)計(jì)算和爆破的實(shí)際情況，在不失一般性的條件下作以下假定：

a）將同一類圍巖簡化為單一的介質(zhì)，并只考慮爆源產(chǎn)生的地震波在碎石土介質(zhì)彈性范圍內(nèi)的振動傳播。

b）爆源的爆破為延時起爆，不考慮各段位炮眼間因?yàn)檠訒r爆破造成的波疊加。

c）振動質(zhì)點(diǎn)速度不考慮水平速度和垂直速度的疊加。

2.3.2 炮眼布置

鉆爆隧道開挖的核心問題是炮眼的布置，根據(jù)巖石的強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造、自由面數(shù)、炸藥性質(zhì)、隧道斷面尺寸、炮眼布置、炮眼長度、炮眼直徑大小等因素合理確定炮眼的相關(guān)位置及數(shù)量。而炮眼的核心內(nèi)容是掏槽眼的布置及方式，目前國內(nèi)的爆破設(shè)計(jì)掏槽方式主要有復(fù)式楔形掏槽及大直徑中空直眼掏槽兩種。大直徑中空直眼掏槽方式適用于脆性巖層，中空眼直徑在75～110 mm間，需配合大型鑿巖臺車施工，所需的炮眼數(shù)量、炸藥用量、雷管段數(shù)較多，平均線性超挖值較大。復(fù)式楔形掏槽方式不需要大型鑿巖設(shè)備，可以多人同時操作多臺鉆機(jī)同步施工，炮眼直徑一般不大于42 mm，雷管段數(shù)、炸藥單耗較少，適用于各種性質(zhì)的巖層，周邊眼外插角較易控制，平均線形超挖值較小。由于西氣東輸二線隧道斷面較小，宜采用全斷面一次爆破開挖，結(jié)合觀音山兩條隧道圍巖類型、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件、施工周期等因素，爆破設(shè)計(jì)掏槽方式采用人工復(fù)式楔形掏槽施工方案。Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）采用一種布眼方式，Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅(jiān)硬巖和中硬巖）采用一種布眼方式，炮眼直徑42 mm。具體炮眼布置見圖2～3，掏槽眼剖面示意見圖4。

圖2 Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）炮眼布置圖

圖3 Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅(jiān)硬巖和中硬巖）炮眼布置圖

圖4 掏槽眼剖面示意圖

2.3.3 裝藥方式

裝藥方式主要有兩種：連續(xù)裝藥及分段裝藥。當(dāng)炸藥充滿炮孔時，稱為耦合裝藥；當(dāng)炸藥與孔壁間有一定間隙時，稱不耦合裝藥；當(dāng)炸藥之間用空氣或填塞料分隔時稱為間隔裝藥。當(dāng)全部裝藥一次爆炸，能量同時釋放時，用于形成地震波的能量達(dá)最大[6]；如將其分段起爆，每次爆破釋放的能量減少，形成地震波的能量相應(yīng)減小，如果適當(dāng)控制相鄰的時間間隔，使每段裝藥爆炸所形成的地震波相繼產(chǎn)生，并隨時間間隔的增大而趨于獨(dú)立傳播，這樣振幅大的地震波變成了多個振幅較小的地震波，減小了爆破地震強(qiáng)度。段數(shù)越多振幅越小，據(jù)測定，在裝藥量相同的條件下，微差爆破的振速比齊發(fā)爆破降低40%～60%。本次爆破設(shè)計(jì)采用延時爆破不耦合裝藥的方式來達(dá)到減震的效果，裝藥方式見圖5。

圖5 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)圖

2.3.4 爆破參數(shù)選擇

人工復(fù)式楔形掏槽施工分為垂直楔形復(fù)式掏槽和水平楔形復(fù)式掏槽。水平楔形復(fù)式掏槽爆破開挖深度不受隧道空間制約[8]，且掏槽區(qū)距隧道開挖周邊眼距離較大，能降低爆破對圍巖的擾動影響。為避免出現(xiàn)光爆效果差、循環(huán)進(jìn)尺低、炸藥單耗高等問題，本次爆破設(shè)計(jì)采用水平楔形復(fù)式掏槽爆破，各圍巖爆破裝藥參數(shù)見表3、4。

表3 Ⅳ和Ⅴ級圍巖（較軟巖和軟巖）鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4 Ⅱ和Ⅲ級圍巖（堅(jiān)硬巖和中硬巖）鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3.5 地表質(zhì)點(diǎn)振動速度計(jì)算

地表質(zhì)點(diǎn)振動速度根據(jù)式（2）計(jì)算；觀音山隧道地表為第四系全新統(tǒng)殘坡積層碎石土，場地系數(shù)按碎石土介質(zhì)考慮，破壞作用系數(shù)取K=200[9]；衰減指數(shù)根據(jù)工程類比取α=1.6，延時爆破取最大一段藥量Qmax，地表質(zhì)點(diǎn)振動計(jì)算結(jié)果見表5，地表質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律見圖6。

表5 地表質(zhì)點(diǎn)振速計(jì)算表

圖6 地表質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減趨勢圖

3 結(jié)論

a）計(jì)算結(jié)果表明，地表質(zhì)點(diǎn)隨著爆心距的增大，質(zhì)點(diǎn)速度呈指數(shù)遞減趨勢；Ⅳ和Ⅴ級圍巖距離爆源100 m處的地表質(zhì)點(diǎn)振速V=0.491 cm/s；距離爆源1 000 m處的地表質(zhì)點(diǎn)振速V=0.012 cm/s；Ⅱ和Ⅲ級圍巖距離爆源100 m處的地表質(zhì)點(diǎn)振速V=0.749 cm/s；距離爆源1 000 m處的地表質(zhì)點(diǎn)振速V=0.018 cm/s。

b）參考爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)：一般古建筑與古跡質(zhì)點(diǎn)振動速度限制為V=0.1 cm/s，距離此次爆破設(shè)計(jì)的爆源330 m外區(qū)域的地表質(zhì)點(diǎn)振速V均小于0.1 cm/s，觀音山國家森林公園的敏感構(gòu)筑物佛像距離隧道1 000 m左右，處于安全狀態(tài)，控制爆破設(shè)計(jì)成功。

c）本次爆破設(shè)計(jì)采用理論計(jì)算法和工程類比法，爆破參數(shù)選取具有一定的局限性，應(yīng)進(jìn)行信息化施工，加強(qiáng)對爆破震動的施工期監(jiān)測，通過對實(shí)測資料的回歸分析擬合出符合隧址區(qū)實(shí)際情況的衰減規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，將爆破振動效應(yīng)控制在較低水平，確保文物及爆破作業(yè)的安全。

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[4]GB 6722-2003 ，爆破安全規(guī)程[S].GB 6722-2003 , Safety Regulations for Blasting[S].

[5]卿春和. 西氣東輸二線管道工程廣州-深圳支干線BGS1-BGS2號樁筆架山隧道穿越巖土工程勘察報告（地-1586）[Z].成都：中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，2010.Qing Chunhe. The Second Line of West-East Gas Pipeline Project in Guangzhou - Shenzhen Trunk BGS1-BGS2# Pile the Geotechnical Engineering Investigation Report of Bijia Mountain Tunnel （Geology-1586）[Z].Chengdu: China Petroleum Engineering Co., Ltd. Southwest Company, 2010.

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[7]程 康，沈 偉，陳莊名，等.工程爆破引起的振動速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式及應(yīng)用條件探討[J].振動與沖擊，2011,30(6): 127-129.Cheng Kang,Shen Wei,Chen Zhuangming,et al. Inquiry into Calculation Formula for Vibration Velocity Induced by Engineering Blasting and Its Application Conditions[J].Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(6): 127-129.

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[9]DL/T 5099-1999，水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范[S].DL/T 5099-1999，Construction Technical Specifications on Underground Excavating Engineering of Hydraulic Structures[S].