下穿隧道爆破施工引起的振動(dòng)對(duì)既有地鐵車站內(nèi)人員舒適性的影響

孫冰峰，張頂立，陳鐵林，傅洪賢

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.大連市城市建設(shè)管理局，遼寧 大連 116021； 3.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

在目前隧道建設(shè)中，考慮到工程地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效率，鉆爆法仍然是最常用的施工方法[1]。爆破引起的振動(dòng)會(huì)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物以及圍巖造成影響，很多學(xué)者針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行了研究[2-5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用非電導(dǎo)爆雷管臺(tái)階法隧道爆破及分部法隧道爆破等手段，可以滿足《爆破安全規(guī)程》所規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)并保證各類建(構(gòu))筑物的安全。盡管國(guó)際上已把振動(dòng)列為7大環(huán)境公害之一[6-7]，但受被影響主體主觀因素等的限制，我國(guó)對(duì)于振動(dòng)引起的人員舒適性研究尚處于初始階段。

事實(shí)證明，振動(dòng)對(duì)人的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它不僅與爆破振動(dòng)特性有關(guān)，而且還與人的心理和生理狀態(tài)以及環(huán)境條件有關(guān)。張志毅等[8]對(duì)某大型工程4年左右的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：地面上的有感振動(dòng)速度閥值為0.7 m·s-1，心理可容忍的振動(dòng)速度閥值為5 mm·s-1；隨著維權(quán)意識(shí)的增強(qiáng)，居民對(duì)爆破振動(dòng)帶來(lái)影響的容忍度越來(lái)越低。美國(guó)礦業(yè)局調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)速度峰值達(dá)到10 mm·s-1時(shí)，周邊居民的投訴率高達(dá)10%[9]。酈東東等[9]對(duì)CMICT碼頭土石方爆破工程進(jìn)行了實(shí)測(cè)，提出振動(dòng)速度峰值不超過(guò)5 mm·s-1時(shí)，爆破振動(dòng)一般不會(huì)引起居民的反感，這與文獻(xiàn)[8—9]的研究結(jié)果不謀而合；宋志剛等[10]研究了云南省某爆破工程爆破時(shí)臨近建筑物內(nèi)人員舒適性，結(jié)合我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，分析了居民在平臥和側(cè)臥狀態(tài)下的振動(dòng)引起的人員舒適性標(biāo)準(zhǔn)。姚強(qiáng)、燕永峰等[11-12]基于既有文獻(xiàn)分析了我國(guó)爆破振動(dòng)引起的人員舒適性評(píng)價(jià)方法的現(xiàn)狀，研究了不同振動(dòng)速度時(shí)人體的感知和爆破振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)；CHEN Shihai等[13]研究了強(qiáng)夯導(dǎo)致的人員舒適性的評(píng)價(jià)和控制標(biāo)準(zhǔn)；Erim A等[14]對(duì)人處于坐姿和站姿時(shí)身體結(jié)構(gòu)的阻尼比進(jìn)行了研究，提出了人體各部位所能感應(yīng)到的振動(dòng)頻率。綜上所述，目前的研究尚以房屋建筑內(nèi)居民的舒適性為主，而對(duì)地鐵車站內(nèi)人員舒適性的研究較少。

本文依托下穿大連地鐵1號(hào)線會(huì)展中心站的大連市南雁四回路輸電線路改造時(shí)電力隧道爆破施工工程，根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件及試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果確定電力隧道爆破方案和參數(shù)；基于對(duì)振動(dòng)引起人員舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的調(diào)研，選取最大加權(quán)振動(dòng)烈度(KBFmax)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；在既有地鐵車站內(nèi)不同位置處布設(shè)振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)電力隧道爆破時(shí)車站內(nèi)的峰值振動(dòng)速度及相應(yīng)的主振頻率，同時(shí)調(diào)研距離本車站最近的司乘人員和站臺(tái)人員的震感；依據(jù)計(jì)算得到的KBFmax和車站人員的震感，定量分析下穿隧道爆破施工引起的振動(dòng)對(duì)其站內(nèi)人員舒適性的影響，并提出適用于既有地鐵車站內(nèi)人員的KBFmax，對(duì)城市軌道交通車站內(nèi)司乘人員和站臺(tái)人員的舒適性研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 隧道爆破方案及參數(shù)

1.1 工程概況

本工程位于大連市區(qū)星海灣廣場(chǎng)附近，區(qū)段地層圍巖以中風(fēng)化的震旦系橋頭組板巖為主，并與石英巖互層組成，根據(jù)勘探結(jié)果圍巖等級(jí)確定為Ⅳ級(jí)，圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)f=5.2。

暗挖電力隧道在里程為K0+501.623—K0+520.149時(shí)下穿大連地鐵1號(hào)線會(huì)展中心站，剖面位置關(guān)系如圖1所示。該段隧道采用馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌，開(kāi)挖輪廓為4.4 m×6.15 m，臺(tái)階法施工，隧道拱頂距地鐵車站底板7 100 mm，距地面25 223 mm。會(huì)展中心站為地下明挖雙層矩形框架結(jié)構(gòu)。

圖1 電力隧道下穿地鐵1號(hào)線會(huì)展中心站剖面位置關(guān)系圖(單位：mm)

1.2 爆破參數(shù)

電力隧道開(kāi)挖采用臺(tái)階法施工，上臺(tái)階開(kāi)挖高度3 000 mm，下臺(tái)階開(kāi)挖高度3 950 mm，下部施工與拱部一次成環(huán)。為減少同段位起爆藥量，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，上下臺(tái)階采取先上后下的爆破順序，同時(shí)，為了方便上臺(tái)階扒渣，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)長(zhǎng)度控制在3 000～5 000 mm，循環(huán)進(jìn)尺在1～2榀(750～1 500 mm)。

1.2.1 炮孔布設(shè)

為減輕爆破施工對(duì)地鐵車站的影響，電力隧道施工采用預(yù)裂爆破施工法。根據(jù)既有規(guī)范及試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果，確定上下臺(tái)階的炮孔布置。上臺(tái)階：預(yù)裂爆破區(qū)設(shè)預(yù)裂導(dǎo)向孔和預(yù)裂裝藥孔，孔間距為450 mm；設(shè)3排崩落孔，排距為550 mm，孔距為750 mm；掏槽眼和擴(kuò)槽眼各設(shè)4個(gè)，孔距分別為750和1 500 mm，排距均為500 mm；底板眼孔距為550 mm。下臺(tái)階：下臺(tái)階設(shè)周邊眼和底板眼，并在下臺(tái)階掌子面設(shè)3排炮孔，周邊眼間距500 mm和底板眼均為500 mm，掌子面炮孔孔距800 mm，排距750 mm。炮孔布置位置如圖2所示。

1.2.2 單段最大藥量計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中引用的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算爆破一段隧道需要的最大炸藥量Q，計(jì)算公式為

(1)

式中：R為爆破振動(dòng)的安全距離，m；V為保護(hù)對(duì)象質(zhì)點(diǎn)處的安全允許振動(dòng)速度，cm·s-1；K和α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可參照表1選取。

該電力隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，系軟巖石，參照表1并綜合試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果，計(jì)算本工程單段藥量最大值時(shí)取K=250，α=1.9；根據(jù)地鐵公司要求，地鐵車站內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值限定為2.0 cm·s-1，即V=2.0 cm·s-1。

1)預(yù)裂爆破區(qū)域單段最大藥量

預(yù)裂導(dǎo)向孔內(nèi)不裝炸藥，它在預(yù)裂爆破中起到釋放圍巖壓力并對(duì)雷鋒起到導(dǎo)向作用，減輕爆破過(guò)程對(duì)周邊圍巖的影響。由于預(yù)裂導(dǎo)向孔的存在，預(yù)裂裝藥孔的爆破振動(dòng)會(huì)有所降低，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)降低幅值約為30%，所以K=250×0.7=175，α=1.9，R=7.1 m，V=2.0 cm·s-1；計(jì)算得出單段最大炸藥用量為0.31 kg。

2)掏槽區(qū)單段最大藥量

掏槽爆破時(shí)，爆破點(diǎn)與地鐵車站底板之間的距離相比于預(yù)裂爆破區(qū)增加了了2.0 m，同時(shí)，先行預(yù)裂帶的形成和大型減震孔作用，其振動(dòng)傳導(dǎo)會(huì)有50%衰減，所以K=250×0.5=125，α=1.9，R=9.1 m，V=2.0 cm·s-1；計(jì)算得單段最大炸藥用量為1.10 kg。

3)下臺(tái)階爆破單段最大藥量

下臺(tái)階爆破時(shí)，爆破點(diǎn)距地鐵車站底板的距離增加至11 m，上臺(tái)階已經(jīng)形成，其振動(dòng)傳導(dǎo)會(huì)有50%衰減，所以K=250×0.5=125，α=1.8，R=11 m，V=2.0 cm·s-1；計(jì)算得單段最大炸藥用量為1.94 kg。

1.2.3 開(kāi)挖爆破參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件和本工程試驗(yàn)段調(diào)整后的電力隧道爆破施工時(shí)各炮孔深度及炸藥量等參數(shù)見(jiàn)表2，同時(shí)將爆破施工時(shí)各炮孔的雷管段位及不同炮孔在圖2中的表示方式(圖例)列于表2中。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)方案

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于主振頻率在1～1 000 Hz內(nèi)的振動(dòng)，人都能感受得到，但對(duì)于環(huán)境振動(dòng)而言，我們應(yīng)該更加關(guān)注人體反應(yīng)特別敏感的主振頻率在1～80 Hz內(nèi)的振動(dòng)[13-14]。

表2 電力隧道開(kāi)挖爆破參數(shù)

很多專家就爆破振動(dòng)對(duì)人員舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了一系列的實(shí)測(cè)研究，得出了相應(yīng)的研究成果，當(dāng)前較為常用的舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)有3種：最大加權(quán)振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)方法[16-18]、爆破振動(dòng)峰值強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[15]和振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)方法[19-21]。其中，最大加權(quán)振動(dòng)烈度(KBFmax)由德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 4150-2提出，該方法定義了瞬態(tài)爆破引起的周期和非周期振動(dòng)對(duì)人員舒適性影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體評(píng)價(jià)方法為：通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的峰值振動(dòng)速度(vPPV)和相應(yīng)的主振頻率(f)計(jì)算得到KBFmax，當(dāng)其值小于DIN 4150-2所規(guī)定的限值時(shí)，則認(rèn)為環(huán)境振動(dòng)滿足建筑中人員舒適性要求。KBFmax的計(jì)算公式為

(2)

式中：f0為高通濾波器的截止頻率，Hz，一般取5.6 Hz；cF為常數(shù)，取值0.6～0.8。

DIN 4150-2第6.5.1條規(guī)定的KBFmax限值，是針對(duì)商業(yè)建筑、住宅以及需保護(hù)的建筑內(nèi)的人員而提出的，見(jiàn)表3，沒(méi)有針對(duì)地鐵車站內(nèi)人員。由于運(yùn)行列車自重及鋼軌不完全平整等因素，正常情況下城市軌道交通系統(tǒng)中也存在一定的振動(dòng)[21]，可見(jiàn)適用于普通民用建筑里人員的最大加權(quán)振動(dòng)烈度限值并不適用于地鐵車站內(nèi)的人員。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

由式(2)可知，影響KCFmax的參數(shù)只有峰值振動(dòng)速度和主振頻率。為了分析下穿隧道爆破施工引起的振動(dòng)對(duì)既有地鐵車站內(nèi)司乘人員和站臺(tái)停留人員的影響，對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度及其相應(yīng)的主振頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，在地鐵車站內(nèi)(新建電力隧道的正上方)設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于軌道基床表面和車站站臺(tái)中央。

3 地鐵車站內(nèi)人員舒適性分析

電力隧道自2016年10月29日開(kāi)始下穿地鐵車站施工，12月10日穿過(guò)車站，歷時(shí)共計(jì)28天。每天進(jìn)行爆破作業(yè)1次，則得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)28組。文獻(xiàn)[22]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相同情況下，位于迎爆側(cè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度大于背爆側(cè)。本文選取電力隧道開(kāi)始穿越地鐵車站到施工至地鐵車站站臺(tái)中央正下方的12組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取cF=0.8，采用式(2)計(jì)算得到KBFmax。每次爆破完成后，向距離本站最近的列車司乘人員以及站臺(tái)上停留人員進(jìn)行調(diào)研，鑒于列車運(yùn)行過(guò)程中本身存在一定程度的振動(dòng)，所以調(diào)研時(shí)更加關(guān)注震感是否與以往乘車體驗(yàn)不同，故問(wèn)詢“有無(wú)明顯異常震感”。

3.1 列車司乘人員舒適性分析

將上下臺(tái)階施工時(shí)軌道基床表面的峰值振動(dòng)速度、主振頻率，計(jì)算得到的最大加權(quán)振動(dòng)烈度，以及調(diào)研得到的司乘人員感受均列于表4和表5。

表4 上臺(tái)階施工時(shí)軌道基床的評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)果

表5 下臺(tái)階施工時(shí)軌道基床的評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)果

由表4和表5可以得到如下結(jié)論。

(1)軌道基床表面的峰值振動(dòng)速度小于20 mm·s-1，相應(yīng)的主振頻率分布在30～80 Hz之間，最大峰值振動(dòng)速度為19.1 mm·s-1，滿足《爆破安全規(guī)程》對(duì)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的相關(guān)規(guī)定。

(2)上臺(tái)階施工過(guò)程中，司乘人員在10月30日和11月2日感受到了較為明顯的振動(dòng)，此時(shí)KBFmax分別為10.8和9.6；下臺(tái)階施工過(guò)程中，司乘人員并無(wú)明顯異常震感。

(3)當(dāng)軌道基床上質(zhì)點(diǎn)的KBFmax≥9.6時(shí)，司乘人員會(huì)有較明顯異常震感；而KBFmax≤9.3時(shí)，司乘人員無(wú)明顯異常震感。

3.2 站臺(tái)停留人員舒適性分析

將上下臺(tái)階施工時(shí)站臺(tái)中央的峰值振動(dòng)速度、相應(yīng)的主振頻率、計(jì)算得到的最大加權(quán)振動(dòng)烈度，以及調(diào)研得到的站臺(tái)上人員感受列于表6和表7。

表6 上臺(tái)階施工時(shí)站臺(tái)中央評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)果

由表6和表7可以得到如下結(jié)論。

(1)地鐵車站站臺(tái)中央的峰值振動(dòng)速度也小于20 mm·s-1，相應(yīng)主振頻率分布在50～80 Hz之間，最大峰值振動(dòng)速度為19.5 mm·s-1，滿足《爆破安全規(guī)程》對(duì)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的相關(guān)規(guī)定。工后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，爆破施工期間，車站站臺(tái)沒(méi)有新增明顯裂縫，既有裂縫也無(wú)明顯擴(kuò)張現(xiàn)象。

(2)上臺(tái)階施工過(guò)程中，站臺(tái)工作人員及候車乘客分別在10月30日，11月2，3，5，7和10日有較明顯的異常震感。

(3)下臺(tái)階施工過(guò)程中，站臺(tái)工作人員及候車乘客分別在10月30日，11月3，4和8日有較為明顯的異常震感；特別是在11月8日，有很明顯的異常震感。

(4)車站站臺(tái)上質(zhì)點(diǎn)的KBFmax=11.0時(shí)，站臺(tái)上的人員有很明顯異常震感，KBFmax≥8.6時(shí)，有較明顯異常震感，而當(dāng)KBFmax≤7.7時(shí)，無(wú)明顯異常震感。

(5)根據(jù)以上分析，建議適用于地鐵隧道內(nèi)人員的KBFmax取值為8.6。

表7 下臺(tái)階施工時(shí)站臺(tái)中央評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于軌道基床：當(dāng)KBFmax≥9.6時(shí)，司乘人員有較明顯異常震感；而當(dāng)KBFmax≤9.3時(shí)，無(wú)明顯異常震感。對(duì)于地鐵車站站臺(tái)：當(dāng)KBFmax=11.0時(shí)，站臺(tái)上的人員有很明顯異常震感；當(dāng)KBFmax≥8.6時(shí)，有較明顯異常震感；而當(dāng)KBFmax≤7.7時(shí)，無(wú)明顯異常震感。

(2)建議適用于地鐵隧道內(nèi)人員的KBFmax取值為8.6，該值顯然高于DIN 4150-2中對(duì)其他建筑物的規(guī)定，這主要是因?yàn)榈罔F運(yùn)營(yíng)時(shí)本身就不可避免地存在振動(dòng)，在這種環(huán)境下，人員對(duì)爆破引起振動(dòng)的承受力也有所提升。