城市越嶺長(zhǎng)隧道爆破開(kāi)挖振動(dòng)影響研究*

魏立恒，倪修能，郭洪雨，孫 飛，葛藝超，夏兆平，王國(guó)波

(1.上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310000； 3 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，溫州 325000)

伴隨城市交通需求日益增高,城市交通建設(shè)過(guò)程中不可避免的遇到建設(shè)城市隧道，城市隧道及地下交通的開(kāi)挖方法主要有機(jī)械開(kāi)挖法如TBM和盾構(gòu)等，然而，部分隧道由于其巖層、成本和工期等各方面的限制，需要選擇成本和工藝較為簡(jiǎn)單，效率亦不低的鉆孔爆破法。該方法由于其爆炸的高風(fēng)險(xiǎn)、高振動(dòng)等問(wèn)題，最初應(yīng)用于礦業(yè)和跨城鐵路等工程上，隨著鉆孔爆破技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市內(nèi)交通隧道開(kāi)挖亦采用該方法。該方法提高了開(kāi)挖掘進(jìn)速度，節(jié)約成本，但在建筑密集的城市區(qū)域開(kāi)展隧道鉆爆開(kāi)挖，產(chǎn)生的爆破等對(duì)附近既有建筑的影響則需要重點(diǎn)關(guān)注[1]。

爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[2-7]，取得了顯著的成果，我國(guó)曾三次組織修編《爆破安全規(guī)程》，為爆破實(shí)際工程提供了可靠的技術(shù)保證。然而隧道受夾持作用以及周邊密集建筑物復(fù)雜環(huán)境的影響[8-13]，給隧道爆破開(kāi)挖帶來(lái)很多新的挑戰(zhàn)。對(duì)隧道爆破開(kāi)挖主要集中在對(duì)周?chē)鷰r土的影響以及振動(dòng)控制方面，諸多學(xué)者進(jìn)行了深入廣泛的研究[14-17]，而臨近建筑的振動(dòng)響應(yīng)以及控制的研究主要集中在城市地鐵隧道，主要針對(duì)軟土中的隧道開(kāi)挖[18-20]。而對(duì)于隧道周邊建筑物的振動(dòng)以及相應(yīng)的減振控制措施的研究則較少。主要原因有兩個(gè)方面：(1)一般的爆破開(kāi)挖隧道主要集中在遠(yuǎn)離城市或者居住聚集的地區(qū)，周邊建筑物較少或者較遠(yuǎn)，因此，相關(guān)的工程案例較少；(2)對(duì)于周邊建筑較為密集且距離較近的隧道，施工方法往往采用非爆破的方法開(kāi)挖，如盾構(gòu)法施工，TBM法開(kāi)挖等。對(duì)于城市區(qū)域周邊建筑布置復(fù)雜密集且距離近，又必須要采用爆破開(kāi)挖的隧道掘進(jìn)工程則需要重點(diǎn)關(guān)注爆破開(kāi)挖過(guò)程中周邊建筑物的振動(dòng)影響，并判斷是否需要采取進(jìn)一步的減振措施。本文依托浙江省富陽(yáng)市越嶺城市隧道鉆孔爆破工程，分析爆破對(duì)周邊密集建筑物的振動(dòng)影響，并判斷爆破引起建筑物振動(dòng)安全；根據(jù)經(jīng)典的薩道夫斯基公式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析進(jìn)口和出口相同圍巖等級(jí)振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，確定合理參數(shù)值，計(jì)算不同爆破當(dāng)量下振動(dòng)速度隨著距離的衰退演化曲線，提出爆破開(kāi)挖前采用機(jī)械開(kāi)挖的方式進(jìn)行減振的措施，并根據(jù)建立的預(yù)測(cè)曲線，給出最小機(jī)械開(kāi)挖距離。

1 工程概況

該公路隧道是富陽(yáng)市“二環(huán)二縱二橫一輔二通道”總體路網(wǎng)框架的重要一環(huán)，為一級(jí)公路越嶺隧道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，抗震設(shè)防為B類(lèi)隧道，設(shè)防烈度為Ⅶ度；左右洞呈分離布置(圖1)，左線全長(zhǎng)2320 m，右線全長(zhǎng)2335 m，屬于長(zhǎng)大隧道。進(jìn)口洞門(mén)采用削竹式洞門(mén)，出口洞門(mén)采用端墻式洞。

圖1 隧道雙洞布置Fig. 1 Double tunnel layout

進(jìn)口段為雙向6車(chē)道，單洞為3車(chē)道，3車(chē)道隧道行車(chē)道寬度為11 m(3.5 m+2×3.75 m)，單洞建筑界限總寬13.75 m。出口段為雙向8車(chē)道，單洞為4車(chē)道，行車(chē)道寬度為14.5 m(3.5 m+2×3.75 m+3.5 m)，單洞建筑界限總寬17.75 m。

隧道穿越低山壟崗區(qū),地表第四系覆蓋層較厚。進(jìn)出口地形為低山斜坡地形，上覆坡洪積含圓礫粉質(zhì)粘土，隧道圍巖的劃分長(zhǎng)度見(jiàn)圖2和表1，其中左右線Ⅴ級(jí)圍巖劃分長(zhǎng)度分別為336 m和315 m，分別占總長(zhǎng)的14.48%和13.49%，主要集中在洞口。隧道進(jìn)出口的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2，從表中可知，左右線的進(jìn)出口的Ⅴ級(jí)圍巖，主要的物理力學(xué)參數(shù)相同，但是圍巖的完整性系數(shù)差異較大，進(jìn)口段的完整性系數(shù)要低于出口。

表1 隧道圍巖等級(jí)劃分長(zhǎng)度Table 1 Length of tunnel surrounding rock grading

圖2 隧道圍巖等級(jí)劃分Fig. 2 Classification of tunnel surrounding rock

表2 進(jìn)出口圍巖狀況Table 2 Status of surrounding rock of inlet and outlet section

2 隧道周邊建筑位置

開(kāi)挖隧道進(jìn)出口段的周邊建筑布置呈現(xiàn)密集復(fù)雜且極近的特點(diǎn)(圖3)，周邊建筑具體距離隧道間距見(jiàn)表3。可知隧道進(jìn)口段周邊建筑類(lèi)型復(fù)雜，包括公墓、廠房等，最近的公墓距離隧道洞口僅25 m，而出口段建筑物主要為住宅區(qū)民房，最近距離30 m。如此近的距離以及復(fù)雜的建筑類(lèi)型和布置，對(duì)于爆破是施工振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響需要重點(diǎn)關(guān)注。因此，在進(jìn)出口段爆破開(kāi)挖時(shí)，對(duì)周邊建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，一方面監(jiān)測(cè)振動(dòng)影響，及時(shí)避免振動(dòng)速度過(guò)大對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響，另一方面，通過(guò)對(duì)振動(dòng)速度以及主振頻率的分析，確定最優(yōu)的機(jī)械開(kāi)挖距離，為后續(xù)相關(guān)工程提供參考。

表3 隧道與附近建筑物的方位距離關(guān)系Table 3 The distance between the tunnel and nearby buildings

圖3 進(jìn)口段和出口段開(kāi)挖前后空間位置關(guān)系Fig. 3 Spatial position relationship before and after excavation of inlet and outlet section

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

本次對(duì)出口段和進(jìn)口段的周邊建筑物采集爆破源附近民房建筑振動(dòng)情況。對(duì)于進(jìn)口段選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖4(a)，選取距離隧道洞口最近(約30 m，距離首次爆破點(diǎn)距離150 m左右)3幢建筑物作為測(cè)點(diǎn)1；選取距離隧道洞口約320m的2幢建筑物作為測(cè)點(diǎn)2。隨著爆破掘進(jìn)，爆破點(diǎn)與建筑物的距離增加，2個(gè)測(cè)點(diǎn)距離爆點(diǎn)的位移會(huì)發(fā)生變化(表4)。圖4(b)為出口段，選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，測(cè)點(diǎn)1位距離隧道洞口最近(約25 m，距離爆點(diǎn)位置30 m)的3幢建筑物附近地面，測(cè)點(diǎn)2選取距離隧道洞口前方大約210 m的2幢建筑物附近地面，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)1類(lèi)似，為距離隧道洞口最近(約30 m，距離爆點(diǎn)位置30 m)的建筑物地面。測(cè)點(diǎn)4為與隧道洞身平行，距離洞口約180m的2幢建筑物地面。測(cè)點(diǎn)與爆點(diǎn)距離見(jiàn)表4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置Fig. 4 Layout of measuring points

表4 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與爆點(diǎn)的距離(測(cè)試時(shí))Table 4 Distance between vibration measurement point and explosion point(during testing)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖施工進(jìn)度安排，從2020年10月14日到2021年2月28日對(duì)進(jìn)口段附近建筑物進(jìn)行振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)；從2020年8月15日到2020年12月20日對(duì)出口段附近建筑物進(jìn)行振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備采用L20爆破測(cè)振儀、L20-S爆破測(cè)振儀和SW-600A型測(cè)距望遠(yuǎn)鏡。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及安全評(píng)價(jià)

本次隧道爆破開(kāi)挖振動(dòng)對(duì)周邊建筑的影響安全標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》(后稱(chēng)《安全規(guī)程》)中13.2中的規(guī)定[21]：地面建筑物等的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用地表質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率，判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表5 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Safety allowable range of vibration velocity in code

由表5可知，本次保護(hù)對(duì)象主要為一般民用建筑物，安全允許的振動(dòng)速度為：振動(dòng)頻率不超過(guò)10 Hz時(shí)，安全振動(dòng)速度不超過(guò)2.0cm/s；振動(dòng)頻率在10 Hz和50 Hz之間時(shí)，安全振動(dòng)速度不超過(guò)2.5 cm/s；振動(dòng)頻率超過(guò)50 Hz時(shí)，安全振動(dòng)速度不超過(guò)3.0 cm/s。由于該隧道附近建筑物類(lèi)別復(fù)雜，且位置距離隧道口較近，在爆破設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于振動(dòng)速度的控制要求為：一般民用建筑物振動(dòng)控制在2.0 cm/s以?xún)?nèi)，塔基、電桿和公墓控制在3.0 cm/s以?xún)?nèi)。綜合《爆破安全規(guī)程》和設(shè)計(jì)要求，設(shè)定振動(dòng)控制速度為：主振頻率超過(guò)50 Hz時(shí)，則振動(dòng)控制速度為3.0 cm/s，主振頻率低于50 Hz時(shí)，則振動(dòng)控制速度為2.0 cm/s。

采集進(jìn)出口段爆破開(kāi)挖過(guò)程中周邊建筑附近地面的振動(dòng)速度和主振頻率，以三個(gè)分量的最大振動(dòng)速度值作為爆破振動(dòng)速度值，分析主振頻率與振動(dòng)速度的關(guān)系，如圖5，圖中可知，進(jìn)口段振動(dòng)速度在不同主振頻率下，均滿(mǎn)足《爆破安全規(guī)程》的要求亦滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，出口段僅有1次超過(guò)了《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定。總體上，此次進(jìn)出口段的爆破振動(dòng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。爆破當(dāng)量與主振頻率之間的關(guān)系(圖6)，圖中可知，進(jìn)出口段振動(dòng)頻率小于10Hz情形較少，主要分布在50 Hz以上，進(jìn)口段最大主振頻率不超過(guò)200 Hz，出口段不超過(guò)150Hz，總體上，振動(dòng)速度表現(xiàn)為振動(dòng)速度低，主振頻率高的特點(diǎn)，爆破當(dāng)量與振動(dòng)頻率不存在正比或反比關(guān)系。

圖5 進(jìn)出口段爆破振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between blasting vibration frequency and vibration velocity in inlet and outlet section

圖6 進(jìn)出口爆破當(dāng)量與振動(dòng)頻率的關(guān)系Fig. 6 Relation between inlet and outlet blasting equivalent and vibration frequency

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與參數(shù)分析

為了分析爆破單響藥量、振動(dòng)速度及爆點(diǎn)距離之間的關(guān)系，采用《爆破安全規(guī)程》認(rèn)可的薩道夫斯基公式進(jìn)行分析

V=K(Q1/3/R)α

(1)

式中：V為振動(dòng)速度,cm/s；Q為最大一段起爆藥量(單響藥量),kg；R為保護(hù)對(duì)象離爆破中心的距離,m;K和α為地形、地質(zhì)(場(chǎng)地)系數(shù)及衰減系數(shù)，其取值見(jiàn)表6。按照表中的推薦值，K和α初步分別確定在250～350和1.8～2.0范圍內(nèi)。

表6 不同巖性K和α參考取值Table 6 Reference values of K and α for different lithologies

選取三個(gè)爆破當(dāng)量作為分析對(duì)象，分別為：(1)爆破當(dāng)量的平均值；(2)爆破當(dāng)量的平均值與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之和；(3)爆破當(dāng)量的平均值與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之差；具體見(jiàn)表7。K、α分別選擇350和1.9，進(jìn)出口段的爆破振動(dòng)速度實(shí)測(cè)值與不同當(dāng)量下的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，分別見(jiàn)圖7和圖8，圖7為進(jìn)口段，可見(jiàn)選取的K、α能夠基本符合實(shí)際情形，為了確保振動(dòng)速度在安全范圍內(nèi)，大部分實(shí)測(cè)振動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)在薩道夫斯基公式計(jì)算曲線之下，從而確保計(jì)算預(yù)測(cè)值作為振動(dòng)控制的上限?？紤]進(jìn)出口圍巖等級(jí)相同，圖8(a)中選取的K、α值與進(jìn)口段相同，圖中可知，不同當(dāng)量的計(jì)算預(yù)測(cè)曲線雖然能夠保證實(shí)測(cè)值在曲線之下，但是偏離實(shí)測(cè)值較大，按照這個(gè)K、α值計(jì)算，若距離爆點(diǎn)越近，則會(huì)偏離越遠(yuǎn)，誤差越大，需要采用的減振措施更為嚴(yán)格，成本相對(duì)增加。對(duì)比進(jìn)出口的圍巖狀況(表3)可知，雖兩者大部分物理力學(xué)參數(shù)相同，但兩者的完整性系數(shù)差異較大，出口段的圍巖完整性系數(shù)高。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中K，α的取值特點(diǎn)，圍巖越堅(jiān)硬取值越小，考慮到出口段完整性比進(jìn)口段好，其取值應(yīng)小于進(jìn)口段，另一方面，進(jìn)出口段均屬于V級(jí)圍巖，取值應(yīng)在《爆破安全規(guī)程》中軟巖石的取值范圍內(nèi)，因此，出口段的K、α取值分別在250～350和1.8～1.9之間進(jìn)行取值，通過(guò)遍歷法并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，確定了出口段的兩個(gè)參數(shù)的取值，分別取250和1.85，見(jiàn)圖8(b)，圖中可知，雖修正后的差異并不大，但與實(shí)測(cè)值更加接近，因此，在進(jìn)行K、α取值過(guò)程中，除了考慮圍巖等級(jí)的因素，還需要考慮圍巖完整性系數(shù)，相同圍巖等級(jí)下，完整性系數(shù)越高，則K、α越小。

圖7 進(jìn)口段振動(dòng)速度實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值Fig. 7 Measured value and calculated value of vibration velocity in inlet section

圖8 出口段實(shí)測(cè)振動(dòng)速度與計(jì)算值Fig. 8 Measured vibration velocity and calculated value of outlet section

表7 現(xiàn)場(chǎng)爆破當(dāng)量計(jì)算取值Table 7 Calculation value of on-site blasting equivalent

根據(jù)確定的進(jìn)出口的K、α值，依據(jù)薩道夫斯基公式，對(duì)進(jìn)出口距離爆點(diǎn)不同位置的振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖9，起始距離為進(jìn)出口距離隧道洞口位置最近的建筑物分別為25 m和30 m(表4)，爆破當(dāng)量分別要涵蓋本項(xiàng)目爆破當(dāng)量實(shí)際最值和平均值，進(jìn)出口段分別取10 kg、100 kg、200 kg和20 kg、125 kg、250 kg，由圖9可知，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的2.0 cm/s的控制振動(dòng)速度，若采用最大爆破當(dāng)量，爆點(diǎn)距離建筑物最少要分別超過(guò)90 m和85 m，若采用最小爆破當(dāng)量亦會(huì)使得振動(dòng)速度超過(guò)設(shè)計(jì)要求，而爆破當(dāng)量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致進(jìn)尺小，成本增加。因此，建議本項(xiàng)目的洞口位置一定范圍內(nèi)不采用爆破開(kāi)挖，采用機(jī)械開(kāi)挖，機(jī)械開(kāi)挖的長(zhǎng)度要確保初始爆破距離超過(guò)90 m和85 m。進(jìn)口段機(jī)械開(kāi)挖距離建議超過(guò)30 m，出口段建議超過(guò)20 m。

圖9 不同距離下進(jìn)出口段計(jì)算振動(dòng)速度Fig. 9 Calculation of vibration velocity in inlet and outlet section at different distances

5 結(jié)論與建議

根據(jù)大盤(pán)山城市越嶺長(zhǎng)隧道進(jìn)出口段爆破開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊建筑振動(dòng)影響的實(shí)際監(jiān)測(cè)和分析得出如下結(jié)論：

(1)隧道爆破開(kāi)挖地震波衰減系數(shù)K、α取值要考慮圍巖的完整性，即完整性越好取值越低；

(2)建議本工程進(jìn)口段K、α值分別為350和1.9，出口段250和1.85；

(3)隧道爆破開(kāi)挖距離洞口的起始位置，分別為距離洞口90 m和85 m；

(4)對(duì)于這種臨近建筑物類(lèi)型復(fù)雜，且距離極近的山嶺隧道開(kāi)挖，建議采用非爆破的方法開(kāi)挖一段距離后再進(jìn)行爆破開(kāi)挖。