鄰近營運鐵路隧道爆破安全評估方法和實例分析

吳劍鋒，蒙云琪，陳沛，楊建鋒

（1.中鐵四院集團工程建設有限責任公司，湖北 武漢430063；2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海200071）

0 引言

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅猛，高速鐵路網的形成對地區(qū)性經濟增長刺激作用凸顯，極大地促進了城際群落間的區(qū)域性經濟發(fā)展。根據《中長期鐵路網規(guī)劃》確定的目標任務，截至2020年，我國已基本實現鐵路現代化，客運專線達到1.5萬km以上［1］。鄭拓［2］研究指出高速鐵路運輸與區(qū)域經濟發(fā)展之間呈現高位協調同步發(fā)展趨勢，體現了高鐵與社會經濟之間的正向影響作用。

《交通強國建設綱要》指出將要建設城市群一體化交通網，推進干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展。鐵路交通網絡將得到更廣泛的建設，既有營運鐵路的鄰近新建線路施工也將相應增加，同時綱要指出，要提升本質安全水平，加強基礎設施運行檢測監(jiān)測；完善交通安全生產體系，加強交通安全綜合治理，切實提高交通安全水平。因此在新建鐵路的過程中保障鄰近既有鐵路的安全營運極為重要。張軍等［3］對高速鐵路工程質量文化體系進行了研究，詳細總結了支撐我國高鐵快速發(fā)展的組織方式、管理模式、質量體現和過程控制要素，闡述了高鐵質量的文化內涵和文化理念。錢立軍等［4］以新建福平鐵路新苔井山隧道施工為例，闡述了鄰近既有線控制爆破施工的技術管理工作。

爆破施工法是鐵路建設過程的主要技術手段，爆破施工提升鐵路建設速度的同時，也會對鄰近營運鐵路線路相關設備造成一定影響，其中爆破產生的振動影響最為突出。劉艷青等［5］通過試驗方式詳細研究了小凈距并行隧道的力學狀態(tài)，并且對并行小凈距隧道的開挖過程進行有限元數值模擬，提供了該類工程的施工經驗。袁紅所等［6］對小凈距鄰近營業(yè)線隧道爆破施工方法進行了詳細研究，根據圍巖情況隧道采用機械開挖和非爆法加控制爆破法進行施工，為類似工程提供了豐富經驗。在數值模擬方面，羅馳等［7］提出了一種新型隧道爆破數值模擬方法，該方法針對爆破荷載的空間分布及爆破應力波的衰減規(guī)律2方面，分別考慮隧道爆破中多炮孔爆破荷載的疊加以及不同爆破區(qū)域應力衰減指數的差異，從而提出改進型隧道爆破模擬方法，使數值模擬盡可能與實際工程情況吻合。郝瑞軍等［8-9］利用Ls-Dyna軟件對小凈距隧道爆破開挖進行了數值模擬研究，表明數值模擬在實際工程中具有一定規(guī)律性，可為工程實踐提供參考。鄭明新等［10］采用有限元數值模擬與工程實際相結合研究不同影響因素下爆破振動對既有高速鐵路隧道襯砌動力響應的影響程度，研究指出影響高鐵隧道襯砌振速的主要因素為單段藥量以及距離。

自2008年以來，隨著鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路影響的安全評估工作的實施和推廣，專項涉及鐵路爆破安全評估對既有鐵路列車營運和設備運轉的安全起到了較好的保障和監(jiān)督作用。當前，爆破對鄰近既有鐵路影響的安全評估工作開展尚無完全統(tǒng)一的執(zhí)行標準和規(guī)范。收集現行實施涉及鐵路專項評估工作的執(zhí)行標準和相關法規(guī)，結合爆破施工有害效應，針對各鐵路營運管理單位的特殊要求，介紹鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路影響的安全評估管理工作方法；針對目前營運鐵路區(qū)塊化管理，分析其對評估管理工作的影響。

1 安全評估依據及標準

爆破有害效應是指爆破時對爆區(qū)附近保護對象可能產生的有害影響，包括爆破引起的振動、個別飛散物、空氣沖擊波、噪聲、水中沖擊波、動水壓力、涌浪、粉塵、有害氣體等。根據實際施工經驗及安全評估經驗，鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路產生的有害效應主要有爆破振動、個別飛散物、粉塵3種類別。減弱或消除爆破有害效應對既有鐵路的影響成為鄰近營業(yè)線安全評估的重要目的。

現行鐵路或高速鐵路涉爆管理的相關法規(guī)已對鄰近營業(yè)線爆破作業(yè)的專項安全評估有了相應規(guī)定，其中《鐵路安全管理條例》第34條、《高速鐵路安全防護管理辦法》第18條明確規(guī)定：在鐵路或高速鐵路路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起向外各1 000 m范圍內，以及在鐵路上方中心線兩側各1 000 m范圍內，確需從事露天采礦、采石、或者爆破作業(yè)的，應當充分考慮高速鐵路安全需求、依法進行安全評估、安全監(jiān)理，與鐵路運輸企業(yè)協商一致，依照法律法規(guī)規(guī)定報經有關主管部門批準，并采取相應的安全防護措施。

根據已有涉及鐵路爆破安全評估經驗和鐵路相關部門的管理要求，實施鄰近營業(yè)線爆破作業(yè)可能產生安全影響的既有鐵路設施設備種類有：鐵路路基、橋梁、隧道、涵洞、軌道、接觸網支柱、通信基站、牽引變電所、通信電塔、站房等。

GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中提供了評估爆破對不同類型建（構）筑物、設備設施和其他保護對象的振動影響，其保護對象主要涉及地面建筑物、電站（廠）中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土等結構的振動判據，涉及鐵路爆破評估方法采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率作為保護對象是否安全的主要判據。該規(guī)程中涉及到鐵路設備設施保護對象的標準值并不明確，隨著鄰近營業(yè)線爆破工程的逐漸增加，為保障既有營運鐵路的行車安全，國家鐵路局于2019年8月發(fā)布實施的TB 10313—2019《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)程》（簡稱《鐵路爆破規(guī)程》）中較詳細地制定了鐵路路基、涵洞、邊坡、橋梁、隧道、接觸網支柱以及站房等建（構）筑物的爆破振動允許標準（見表1）。

表1 鐵路工程爆破振動允許值 cm/s

該振動標準嚴于《爆破安全規(guī)程》所制定的振動允許值，《鐵路爆破規(guī)程》的實施明確了鄰近營業(yè)線爆破工程對既有鐵路影響的振動允許范圍，為涉及鐵路爆破安全評估的規(guī)范化提供了標準和依據。但該規(guī)程提出的振動標準，基于技術原因沒有詳細明確既有鐵路“營運”和既有隧道的病害狀況條件，因此需針對不同線路、不同隧道提出評估控制標準。

2 鄰近鐵路營業(yè)線爆破施工安全評估

2.1 評估目的

為減弱或消除鄰近營業(yè)線鐵路爆破工程對既有鐵路設備設施的有害效應，需評估單位對爆破施工單位編制的專項爆破施工設計方案實施審核評估。通過全面詳實的現場勘察調研爆破工程鄰近鐵路營業(yè)線的既有設施和建（構）筑物的現有狀態(tài)及病害情況，對爆破作業(yè)單位進行爆破作業(yè)和技術人員的資質審核，評審爆破設計方案，對爆破設計方案不妥之處提出優(yōu)化建議。通過該種評估手段強化鄰近鐵路營業(yè)線爆破施工的安全，以達到保護既有鐵路的營運安全，為相關審批部門、建設單位及爆破作業(yè)單位提供可靠、專業(yè)的技術服務工作。

2.2 評估基本原則

（1）爆破工程安全評估內容應包括：根據鐵路工程和設備設施的相關資料，被保護對象的性質和特點、爆區(qū)與保護物的相對位置、距離以及場地條件等，論證爆破振動安全控制指標的合理性；評價爆破設計方案的可行性、鉆爆參數的合理性；論證爆破有害效應的影響范圍是否可控，爆破振動控制方案與施工措施是否合理；爆破振動監(jiān)測方案和安全保障措施是否可行；事故預防對策和應急預案是否適當。

（2）鄰近營業(yè)線爆破施工前期，對于1 km范圍內營業(yè)線對爆破振動敏感的保護物，需提供運轉現狀、病害情況的相關信息；需要提供爆破區(qū)域周邊的地形、地質條件等相關資料；根據現場環(huán)境調查結果，查閱既有鐵路的相關設計資料，確認鐵路營運里程，路塹、路基、隧道圍巖，地形地質等，通信基站，接觸網等設施設備的基本概況。

（3）在爆破工程設計中應驗算爆破施工產生的振動速度峰值，并結合保護物運轉現狀，分析其受爆破振動的影響程度，對爆破施工設計提出優(yōu)化改進建議，補充完善爆破有害效應的控制措施。

（4）爆破安全評估需經運營管理部門審核及批準。爆破施工單位應按照相關規(guī)定，完善爆破施工方案及鐵路設施保護應急救援工作預案，并與鐵路營運單位簽訂安全責任協議，落實監(jiān)管措施與責任。

2.3 評估程序

安全評估程序見圖1。

2.4 評估方法

目前，爆破施工安全評估方法主要有3種：爆破振動速度評估法、工程類比法、數值模擬分析法。

2.4.1 爆破振動速度評估法

圖1 鄰近鐵路營業(yè)線安全評估程序

《爆破安全規(guī)程》對爆破工程產生的爆破振動計算有明確規(guī)定，需采用薩到夫斯基質點峰值振動速度衰減公式計算。保護對象在爆炸地震波作用下的振動速度與其距爆源距離、巖土地質情況密切相關。振動速度的大小與保護對象的破壞程度相互對應，以此設定振動安全臨界值，控制爆破施工規(guī)模，以達到保護既有鐵路設施的目的。

2.4.2 工程類比法

實施爆破工程時，根據其爆破作業(yè)區(qū)域內工程地形、地貌、巖土地質、與既有鐵路設施相對位置關系等影響因素，尋找類似成功的爆破施工項目，參考和借鑒水利水電、隧道工程、公路工程的具體工程實踐和成功經驗，通過兩者對比實施爆破安全評估。由于工程類比法是一種橫向類比方法，其準確性影響因素較多，對爆破工程環(huán)境要求較高，只能結合工程實際，選擇類似的工程案例進行參考，輔助安全評估。

2.4.3 數值模擬分析法

隨著數值模擬分析法在爆破和巖土工程中的應用越來越廣泛，數值模擬能夠直觀給出爆炸振動對既有鐵路設施的影響程度，可具體分析不同鐵路設施的多種動力響應。但由于實際工程所在地的巖土地質千差萬別，對材料參數的準確性要求較高。

3 爆破振動監(jiān)測

為確保鄰近營運鐵路爆破工程對既有鐵路設施的有害效應影響在安全允許范圍之內，除專項爆破安全評估之外，還需在爆破施工時實施爆破有害效應監(jiān)測，根據現行高鐵隧道爆破施工監(jiān)測經驗，主要監(jiān)測的有害效應為爆破振動、路基沉降、隧道收斂、異物侵限等。《鐵路爆破規(guī)程》中明確規(guī)定鄰近營運鐵路爆破工程實施時，需進行爆破振動監(jiān)測工作，各種保護物爆破振動允許范圍由該規(guī)程中所規(guī)定的數值范圍劃定，

經過鐵路局集團公司施工方案評審后，依據涉及鐵路專項安全評估報告中所提出的評估結論確定允許爆破振動范圍，并按規(guī)定設立爆破振動預警值，對每次爆破作業(yè)實施全方位監(jiān)控，監(jiān)控數據聯合各單位實時上傳共享，為鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路影響安全提供有力保障。

4 爆破安全評估實例

根據長期從事鄰近營運鐵路爆破安全評估的經驗，涉及鐵路爆破工程安全評估所涉及的各方責任主體主要有涉及工程建設方：建設單位、施工總承包單位、爆破作業(yè)分包單位、評估單位、監(jiān)理單位；涉及管理部門方：鐵路營運管理單位、鐵路設備管理單位。

在鄰近營業(yè)線爆破安全工程專項評估工作中，各單位責任主體共同協作，最終目的是確保在爆破施工時鄰近鐵路營業(yè)線的設備正常運轉和列車行車安全。對爆破施工設計進行評估審查是保證爆破施工設計符合安全標準的重要手段；施工單位的施工質量是爆破施工對鄰近營業(yè)線影響程度的關鍵因素。

根據對我國高速鐵路干線鄰近營業(yè)線安全評估工作的長期實踐，現已形成了較完善的安全評估工作體系，并取得良好效果。以新建杭紹臺鐵路鳳凰山隧道以及斑竹壟隧道為例，介紹評估工作如下。

4.1 杭紹臺鐵路鳳凰山隧道

新建杭州—紹興—臺州鐵路紹興段鳳凰山隧道以及路基位于紹興市斗門鎮(zhèn)史家灣自然村。新鳳凰山隧道爆破區(qū)域距離既有杭深鐵路最近距離為58 m，爆破施工對既有隧道影響較大。新建鐵路與既有杭深鐵路關系示意見圖2。

經涉及鐵路專項安全評估后，對爆破設計方案進行了優(yōu)化，路基段采用機械開挖，爆破開挖段選取較小單段藥量和起爆規(guī)模，同時新建杭紹臺鳳凰山隧道爆破時間應在天窗點內實施，在對既有鳳凰山隧道的結構進行勘察研究基礎上，在安全評估報告中給出了既有鳳凰山隧道的允許振動控制值為2 cm/s，且要求新建隧道爆破作業(yè)時間在臨近營業(yè)線天窗點內。將允許振動控制值設定為2 cm/s，是考慮到新建鳳凰山隧道與既有鳳凰山隧道距離較近，為避免施工單位因施工偶然誤差造成裝藥過大產生較大振動，設置較為保守的允許振動值以確保既有鐵路的設備和運營安全。

圖2 新建鐵路與既有杭深鐵路關系示意

施工單位嚴格按照評估優(yōu)化后的爆破設計方案施工。實際施工時，最大單段藥量不超過18.0 kg，隨每次爆破施工同時對鳳凰山既有隧道進行振動監(jiān)測，部分振動實測數據見表2。

表2 既有鳳凰山隧道振動監(jiān)測值

表中實測既有鳳凰山隧道爆破振動速度最大值為0.27～0.28 cm/s，表明經評估后爆破施工產生的振動對既有鐵路影響完全可控。該項目經安全評估、鐵路局集團公司評審后，安全保障措施落實到位，經回訪以及爆破振動監(jiān)測數據表明，在施工期間沒有對既有鳳凰山隧道造成不良安全影響。

4.2 南龍鐵路擴能改造工程

南龍鐵路擴能改造工程斑竹壟隧道位于福建省三明市沙縣境內，該區(qū)段在里程DK54+052處上跨三明北聯絡線瑯口隧道，新建斑竹壟垂直上跨既有三明北聯絡線瑯口隧道，最近距離僅6.4 m，新建隧道爆破振動對既有瑯口隧道襯砌及接觸網吊柱設備影響較大，為保證爆破施工對既有線影響的安全可控，進而在既有斑竹壟隧道進行詳細勘察的基礎上進行爆破安全評估，且評估方法采用了爆破振動速度評估法與數值模擬法結合。新建斑竹壟隧道與既有三明北聯絡線瑯口隧道位置關系見圖3。

圖3 斑竹壟隧道洞身上跨三明北聯絡線平面關系

安全評估經過爆破振動校核以及隧道上跨爆破的數值模擬結果表明，既有隧道襯砌的爆破振動均小于2 cm/s，提出既有三明北聯絡線瑯口隧道爆破振動控制指標為2 cm/s，且爆破作業(yè)應在天窗點內實施。

經回訪，斑竹壟隧道在上跨瑯口隧道交叉處設計掘進進尺為0.5 m，振動實測數據大部分均在爆破振動控制指標之內，僅初始試爆時瑯口隧道襯砌振動值小幅超過2 cm/s。部分既有三明北聯絡線瑯口隧道振動監(jiān)測值見表3。除初始單段藥量為0.15 kg時實測值超過控制值之外，在優(yōu)化裝藥量后，后續(xù)瑯口隧道爆破振動值均在控制值范圍之內。為達到最大單段藥量控制在0.15 kg之內，該上跨處關鍵區(qū)域爆破網路采用電子數碼雷管組網起爆，確保了既有瑯口隧道的設備及運營安全。

表3 既有瑯口隧道振動監(jiān)測值

5 總結與建議

通過對鄰近營運鐵路爆破工程安全評估工作的推廣及開展，形成了涉及鐵路安全評估建設管理體系，涉及鐵路爆破安全評估對鄰近營業(yè)線隧道爆破工程安全起到了重要作用。結合長期對京滬鐵路、宜萬鐵路、杭深鐵路、昌景黃鐵路、杭昌鐵路、福平鐵路、龍龍鐵路、貴廣鐵路、金麗溫鐵路、合福高鐵等安全評估工作實踐，通過對鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路線路的影響范圍、既有鐵路設施設備的振動影響的分析和總結，提出如下建議：

（1）在評估中以新建鐵路隧道距離既有營運鐵路隧道50 m為界限，結合隧道具體病害現狀及各鐵路運營管理單位對隧道振動控制值的不同要求，綜合確定隧道爆破振動允許控制值。

（2）為確保列車行車安全，50 m距離內工況爆破施工時，宜在天窗點內施工，爆破振動允許控制值宜選取2～3 cm/s，50 m距離外工況爆破施工時，可在天窗點外施工，爆破振動允許控制值宜選取1 cm/s。