高速鐵路隧道爆破施工環(huán)境影響控制技術(shù)研究

劉建成

(濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 引 言

隨著人們對居住環(huán)境的要求越來越高，鐵路建設特別是隧道施工也正不斷優(yōu)化施工工藝及技術(shù)，力求達到減少對周邊環(huán)境影響的目的。目前鐵路隧道施工仍以鉆爆法施工為主，爆破產(chǎn)生的沖擊波、震動波及噪聲會影響周邊居民的日常生活，也是鉆爆法施工不可避免的缺陷。本項目以濟萊高速鐵路建設為依托，通過爆破作業(yè)分級管控，采取措施消減爆破作業(yè)產(chǎn)生的震動及噪聲，減少對周邊環(huán)境的影響，為隧道順利貫通提供了保障。

1 工程概況

濟萊高鐵為全國首條時速達350 km的市內(nèi)高鐵，位于山東省中部，線路西起濟南市濟南東站，向東經(jīng)章丘區(qū)，而后向南經(jīng)萊蕪區(qū)，終于鋼城站。本線西端連接濟濱、濟青高速鐵路，南端遠期延伸至魯南高鐵，是山東省城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分。濟萊高鐵全線新建正線長度114.957 km，其中隧道24座長43.184 km，橋隧比例達79.43%。

濟萊高鐵地形地貌復雜，線路山高、溝多、水深，施工場地條件復雜，穿越港溝斷裂帶、文祖斷裂帶、雙泉山斷裂帶等17條較大型斷裂帶，穿越沉積巖和火成巖不整合接觸帶，滑坡、落石、巖溶、泥石流、山洪、采空區(qū)等不良地質(zhì)多發(fā)，隧道巖石以石灰?guī)r與花崗巖為主，隧道穿越多個風景保護區(qū)及文化遺址，對爆破控制要求高。濟萊高鐵建設項目部同各參建單位共同研究，采取了一系列的爆破危害防范措施，針對不同的風險級別采取多種措施相組合的方式，有效減少了爆破作業(yè)影響，保障了濟萊高鐵各隧道按節(jié)點順利貫通。

2 爆破前準備工作

高速鐵路無砟軌道單洞雙線隧道斷面直徑大，每延米開挖方量達155 m3，開挖方量大導致炸藥使用量增大，爆破作業(yè)對周邊的影響相應增大。爆破作業(yè)對周邊環(huán)境的影響主要集中在進洞階段，震動速度的衰減與爆心距、爆腔大小、巖體縱波速度及品質(zhì)因子有關(guān)[1]，隨著開挖進尺的增大，影響逐漸減少。根據(jù)前期對周邊環(huán)境的調(diào)查，對評估監(jiān)測資料進行分析，針對不同的風險等級采取不同的技術(shù)措施，通過控制爆破沖擊波、震動波、噪聲強度，達到保護環(huán)境、減少對周邊居民影響的目標。

2.1 資料收集及鑒定評估

爆破作業(yè)施工前應搜集建(構(gòu))筑物(民房、鐵塔、道路等)相關(guān)工程資料，對建(構(gòu))筑物進行調(diào)查，并詳細記錄(包括攝像、拍照)結(jié)構(gòu)形式及建設年代，設置觀測標識、標記等。

爆破作業(yè)前聯(lián)合地方各區(qū)、街道采取適當?shù)姆课菡{(diào)查程序，對周邊建(構(gòu))筑物、管線等設施進行細致、有公信力的排查、鑒定，由具備相關(guān)資質(zhì)的部門出具評估報告并進行公正，留存書面及影像資料，避免后期產(chǎn)生糾紛。對受影響房屋制定動態(tài)監(jiān)測方案，在爆破實施過程中進行實時跟蹤布點監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時停止作業(yè)，妥善處置周邊設施。

2.2 爆破作業(yè)分級管控

根據(jù)現(xiàn)場各隧道爆破工點的實際情況對各爆破工點進行風險評價，進行風險分級管控，根據(jù)對周邊環(huán)境的影響程度，爆破作業(yè)工點共分A、B、C、D四級管理。A級為可能出現(xiàn)較大規(guī)模群體性事件或?qū)χ苓吔?構(gòu))筑物及環(huán)境造成較大影響；B級為可能引發(fā)矛盾沖突，對周邊建(構(gòu))筑物及環(huán)境造成影響；C級為通過有效工作可防范與化解矛盾，對周邊建(構(gòu))筑物及環(huán)境造成輕微影響；D級為施工風險較低，不會對周邊建(構(gòu))筑物及環(huán)境造成影響。針對不同的風險等級采取不同的措施進行處理。以濟萊高鐵宅科隧道為例，經(jīng)評估距離最近房屋為105 m，周邊房屋較多，爆破影響較重，風險等級評定為B級，爆破作業(yè)分級評定見表1。

表1 爆破作業(yè)分級評定表

2.3 確定爆破影響控制目標

濟萊高鐵24座隧道共49個開挖面，其中距離周邊居住區(qū)及建(構(gòu))筑物較近的開挖面有29個，占比達59.2%，房屋多以磚混結(jié)構(gòu)為主，少量的毛石房屋，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》對不同建筑物爆破允許質(zhì)點震速的要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮相關(guān)的安全系數(shù)，通過專家論證，最終確定距離爆破點最近的建(構(gòu))筑物最大爆破質(zhì)點震速。以宅科隧道為例，結(jié)合爆破作業(yè)點與周邊房屋及建(構(gòu))筑物的距離，以及建筑物的結(jié)構(gòu)形式，最終確定最大爆破質(zhì)點震速不大于0.5 cm/s。

2.4 爆破作業(yè)公示

嚴格控制爆破作業(yè)時間段，避免在夜間及其他敏感時間段進行爆破作業(yè)。每次爆破作業(yè)時提前1 d進行公示，為村民講解爆破作業(yè)前不同的警示含義，讓每一戶群眾知情知曉。爆破當天提前1 h通知附近各村居委會或產(chǎn)權(quán)單位，讓可能受影響的村民暫離房屋，以保證人員安全。

3 爆破影響控制措施

目前國內(nèi)外對爆破影響控制技術(shù)已經(jīng)開展了許多研究，濟萊高鐵施工通過現(xiàn)場試驗效果主要通過控制單段起爆藥量、采用電子雷管起爆、采用光面爆破技術(shù)、選擇合理的掏槽方式、減少進洞段開挖進尺、采取炮簾與阻波墻減震降噪、爆破震動及噪聲監(jiān)測、優(yōu)化開挖工法等措施進行影響控制，施工前制定專項爆破方案，施工中嚴格落實各項措施，成立專項工作小組，確保各項措施落實到位。

3.1 控制單段起爆藥量

目前國內(nèi)外比較公認的預測爆破震動強度的經(jīng)驗公式是薩道夫斯基的經(jīng)驗公式[2]：

V=k(Q(1/3)/R)α

式中：V為地面質(zhì)點峰值震動速度；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量；R為觀測點到爆源的距離；K、α為與爆破點至計算點間的地形、地址條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

由上述公式可以看出，爆破震動速度與單段起爆藥量成正比，在距離一定的情況下控制單段起爆藥量是最有效的降震措施。爆破震動峰值強度主要與炸藥量、爆心距及介質(zhì)條件有關(guān)，而在這些條件中人為控制最有效的因素是炸藥量[3]。大量實踐證明，爆破震動峰值強度的大小，主要取決于最大分段藥量，但是爆破藥量減少同時會影響開挖進度，減緩施工進度，所以單段最大起爆藥量可以根據(jù)與最近建筑物的距離及評估確定的允許質(zhì)點震速反推獲得。以宅科隧道為例，離爆破點最近的建筑物距離為105 m，取爆破質(zhì)點震速0.5 cm/s，取K=200，α=1.8，ν=0.5 cm/s時，R=105m，計算允許最大單響藥量Q為47.4 kg，爆破開挖單段起爆藥量控制在此范圍以內(nèi)。

3.2 采用電子雷管起爆

電點雷管，具有高安全、高精度、在線可編程、寬延期的優(yōu)點，通過電腦程序精確控制雷管的起爆時間、延期時間和合理的微差爆破時間，實現(xiàn)精確錯相，減少爆炸應力波的疊加。相對于普通雷管爆破，數(shù)碼雷管引起的爆破震動降低30%～60%[4]，降低了振速，改善了爆破塊度，降低了對圍巖的擾動。同時利用電子雷管可以多段位精準控制的特點，在總藥量一定的條件下，通過多分段，可以有效減少單段起爆藥量，降低單位時間內(nèi)爆炸能量的釋放，通過現(xiàn)場試驗，降震、降噪效果明顯。

3.3 采用光面爆破技術(shù)

光面爆破是隧道施工中常用的一種控制爆破技術(shù)，通過在開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與抵抗線相匹配的光爆孔，采用不耦合裝藥或填裝低威力炸藥，周邊眼在主爆區(qū)起爆之后同時起爆，最后形成平滑的輪廓線，光面爆破炮孔布置及電子雷管分段如圖1所示。光面爆破不僅可以減少開挖面的超挖、欠挖，到達控制成本的目標，又能減小爆破對保留巖體的破壞，保持巖體的完整性和自穩(wěn)能力，同時光面爆破采用不耦合裝藥并增大不耦合系數(shù)，減小炸藥爆炸時直接作用在炮孔壁上沖擊波峰值壓力，可以有效減小爆破震動峰值。同時嚴格控制爆破參數(shù)，合理選取炮眼間距及起爆時間間隔，防止地表地震波疊加[5]。施工過程中加強炮眼堵塞質(zhì)量，逐孔檢查封堵效果，確保炮孔封堵長度及密封性。施工中可以結(jié)合水袋進行水壓爆破，使爆破后巖碴塊度均勻，減少能量的擴散，同時可以有效控制空氣沖擊波、飛石、噪聲、快速降塵作用，改善洞內(nèi)施工環(huán)境。

圖1 光面爆破炮孔布置及電子雷管分段示意圖

3.4 選擇合理的掏槽方式

隧道爆破的關(guān)鍵在于掏槽孔爆破后能否為其他炮孔的爆破創(chuàng)造出足夠的第二自由面，為此掏槽孔的藥量通常都大于其他炮孔的裝藥量[6]。工程實踐證明，爆破作業(yè)過程中掏槽眼爆破產(chǎn)生的震動最大，這是由于掏槽眼爆破時沒有足夠的爆破臨空面，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量大部分直接作用在巖石上，做功破碎巖石，因此，選擇合理的掏槽形式可以控制爆破震動[7]。

楔形掏槽是最常見的掏槽方式，雖然爆破效果和技術(shù)經(jīng)濟指標較好，但因爆破夾制作用太大，引起強烈的爆破震動[8]。與傳統(tǒng)的掏槽方式相比復式楔形掏槽可以改善掏槽爆破震動大的問題，隧道掏槽爆破之所以產(chǎn)生最大震動強度，是因為掏槽爆破只有一個臨空面，要用炸藥爆破做功，破碎和拋擲掏槽部位的巖石，為隨后爆破的炮眼提供第二臨空面。復式掏槽可以在掏槽部位設置一個先導孔，爆破初期就可以提供第二臨空面，并可以進行多段爆破，進一步減小巖石的夾制作用，從而可以進一步改善爆破震動強度。

3.5 減少進洞段的開挖進尺

隧道進洞段是噪聲、震動控制最不力的階段，沒有洞身初支結(jié)構(gòu)的限制，周邊環(huán)境空曠，爆破產(chǎn)生的震動與噪聲可以進行遠距離傳播。周邊居民在對爆破施工不了解的前提下容易引發(fā)恐慌和不安定因素，是爆破環(huán)境影響的關(guān)鍵時期。所以要嚴格控制爆破進尺，減少一次爆破藥量，必要時采用機械鑿除的方法進行進洞。各隧道進洞段IV、V級圍巖采用短進尺、弱爆破的方式，降低單孔裝藥量和一次起爆藥量，經(jīng)專家論證最大開挖步距不超過1.2 m或兩榀鋼架，確保安全順利進洞施工。

3.6 設置減震降噪屏障

為減少爆破沖擊波及噪聲對周邊環(huán)境的影響，在隧道內(nèi)及隧道口設置多道屏障。第一是在隧道內(nèi)設置多重炮簾，可以減少洞內(nèi)沖擊波的擴散，同時可以消減噪聲的強度。第二是在洞口設置隔音屏障，隔音屏障采用吸音材料制成，對殘余爆破噪聲進行吸收和消減。第三是在洞口或周邊設置阻波堤、隔振溝、橡膠擋墻，通過改變震動的傳播途徑，達到減震的目的。

3.7 優(yōu)化開挖工法及作業(yè)時間

對通過上述措施仍不能滿足要求的工點，采取掘進機、靜態(tài)爆破、懸臂機微擾動機械法開挖等手段進行開挖，同時優(yōu)化開挖工序，減少夜間施工時間，可以有效控制施工對周邊環(huán)境的擾動影響，待進洞達到一定長度后進行評定，根據(jù)評估結(jié)果再恢復爆破開挖。

4 效果評價

4.1 開展變形評估及震動監(jiān)測

嚴格落實爆破震動檢測工作，動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)，確保爆破施工安全，結(jié)合沿線爆破作業(yè)點實際情況，配備中國科學院成都中科測控公司TC—4850N型測振儀，在所有爆破作業(yè)實施過程中投入使用，使用前進行標定，各檢測探頭按既定點位固定牢靠，由監(jiān)理單位組織對鄰近房屋進行震動監(jiān)測，邀請街道、村委進行現(xiàn)場見證，由評估單位根據(jù)監(jiān)測資料進行評估，留存持牌驗收影像資料，形成各方簽字的有效支撐資料備案，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和權(quán)威性，現(xiàn)場震動監(jiān)測典型曲線如圖2所示。

圖2 爆破震動監(jiān)測典型曲線

4.2 爆破措施采用及效果評價

通過前期爆破風險評定確定的風險等級選用合理的爆破作業(yè)控制措施，不同等級的爆破作業(yè)控制措施通過多種手段進行組合的方式見表2。在保證安全的前提下，控制措施成本，避免過多的資源浪費。過程中根據(jù)爆破影響程度及監(jiān)測結(jié)果進行動態(tài)評定，采取相應的控制措施，達到方法有效、成本可控的管理目標。

表2 爆破作業(yè)控制措施選用表

濟萊高鐵全線24座隧道均已優(yōu)質(zhì)高效地如期貫通，震動監(jiān)測結(jié)果顯示均在制定的限值以內(nèi)，未發(fā)生大規(guī)模的群眾事件，對周邊環(huán)境影響得到有效降低，爆破震動控制達到了逾期的效果。