隧道爆破施工對鄰近村民房屋影響的分析

張 曉 華

(1.太原理工大學，山西 太原 030000;2.山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

1 概述

1.1 工作目的

通過分析某高速公路隧道爆破施工對周邊環(huán)境地質(zhì)、地形的影響因素，并且對爆破震動進行了相關測試，從而確定隧道施工對鄰近村民房屋造成的影響范圍與程度。

1.2 測試區(qū)域地質(zhì)、地形情況

測試區(qū)域屬構造剝蝕中山地貌，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，地面標高變化在975 m～1 090 m之間，地表被樹枝狀的山溝切割的支離破碎，地表土質(zhì)較松軟，帶濕陷性，地表水主要為大氣降水，沖溝多為“V”字形，地表水排泄通暢，溝谷內(nèi)平常無地表徑流，僅在雨季可形成短暫水流，地下水埋藏較深。

隧道工程左線長1 365 m，右線長1 413 m，為分離式雙洞雙車道山嶺巖土高速公路隧道，計算行車速度為80 km/h。隧道圍巖主要由二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖、泥巖、頁巖和石炭系上統(tǒng)山西組砂巖、泥巖、頁巖組成，強～微風化，上覆地層為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土、第四系中更新統(tǒng)離石黃土和第三系上統(tǒng)保德組亞粘土，隧道最大埋深為103 m。隧道洞身范圍以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主，圍巖級別低，自穩(wěn)能力差，隧道起點段1 km位于煤礦采空區(qū)，洞口可見劣煤出露。受檢村民房屋位于隧道上方，房屋類型以窯洞結構為主，分為石窯、磚窯和土窯結構，石窯基礎形式為片石條形基礎，無地圈梁，墻體由片石與土砌筑，拱弦采用石砌圓拱頂，拱弦高1.2 m左右，拱厚300 mm～500 mm，外墻厚500 mm～1 500 mm，內(nèi)墻厚400 mm～1 000 mm，墻高2.0 m左右，房屋總高3.9 m ～4.7 m，洞身凈高 3.0 m 左右，凈寬 3.5 m 左右，進深7.0 m～9.0 m;磚窯基礎形式為磚條形基礎，無地圈梁，墻體由磚與白灰砂漿砌筑，拱弦采用磚砌圓拱頂，拱弦高1.2 m左右，拱厚180 mm，內(nèi)、外墻厚370 mm，墻高2.0 m 左右，房屋總高4.0 m ～4.5 m，洞身凈高3.0 m 左右，凈寬3.5 m 左右，進深7.0 m ～9.0 m;土窯由山體開挖而成，由洞內(nèi)原狀土承重，洞內(nèi)外局部掛砌片石，洞身凈高2.0 m ～3.0 m，凈寬1.5 m ～3.5 m，進深3.0 m ～8.0 m，窯洞房屋的承重體系均為橫墻承重結構，上部結構均未采用任何抗震設防措施。此外，還有少量磚混結構和磚木結構。

2 影響房屋受損的因素

2.1 地質(zhì)地形狀況的影響

村落所處地形起伏較大，沖溝較多，地表土質(zhì)較松軟，帶有濕陷性，大多數(shù)受檢房屋地基基礎坐落于斜坡場地上，局部為素土填充，地基土不均勻、較松軟，土層結構差，易產(chǎn)生地基濕陷不均勻沉降和邊坡滑移現(xiàn)象。

2.2 村民房屋自身結構存在的問題

村民房屋自身主要存在三方面問題:1)材料問題，檢測所涉及的窯洞結構、磚木結構、磚混結構和砌體簡易結構幾種類型的房屋，其上部結構使用承重材料均差，窯洞的上部結構以洞內(nèi)原狀土承重，局部土層呈松散狀，土層內(nèi)襯粘土磚或片石砌筑，無填充材料鑲縫;磚木、磚混結構砌筑用磚、砂漿及混凝土現(xiàn)齡期強度均較低，木屋架抗折、抗彎能力較弱。2)建造問題，村民房屋均為自建房，無正規(guī)設計圖紙等資料，房屋地基處理方法簡單，上部結構體系、整體性連接、局部易損易倒部位的構造指標，遠達不到房屋所在地區(qū)的抗震設防烈度要求，造成了房屋抵御外力的能力很差。3)維修問題，房屋年久失修，室外無排水措施，生活用水及雨水易灌入建筑地基基礎內(nèi)，屋面存在漏雨，部分構件風化嚴重，大多數(shù)的窯洞房屋室內(nèi)抹灰層出現(xiàn)發(fā)霉、空鼓、脫落和裂縫現(xiàn)象，造成了房屋承載力減弱或失效。

2.3 隧道施工爆破對房屋的影響

巖石爆破產(chǎn)生的瞬時爆炸力，主要以振動波形式沿土層及空氣中向四周輻射，對房屋產(chǎn)生的沖擊作用力，主要表現(xiàn)為兩個方面:1)地基基礎受攪，地下振動波波速較空氣中傳播速度快，距離遠，影響范圍也較空氣中大，當?shù)卮迕穹课菰陂L期使用過程中，地基沉降基本已趨于穩(wěn)定，在新的波動侵攪下，原有地基平衡被打破，應力在小范圍內(nèi)又一次進行了重分布，從而造成房屋上部結構原有裂縫進一步增大、增寬或出現(xiàn)新的開裂情況。2)上部結構形變，空氣中的振動波的傳播方式主要為壓縮氣體，對周圍物體做功后產(chǎn)生破壞效應，從而導致受攪居民房屋門窗出現(xiàn)變形、局部墻體抹灰層出現(xiàn)裂縫和脫落的現(xiàn)象。

3 隧道掘進爆破對地面房屋影響范圍的確定

3.1 工程爆破的地震效應

在巖土中爆破時，隧道工程的爆破源同時也是地震源，炸藥爆破能量的2%～6%將轉變?yōu)榈卣鸩ǎ谝欢ǚ秶鷥?nèi)進行傳播，隨時間而變化的應力系形成了爆破震動效應。由人工爆破產(chǎn)生的地面震動，因爆破炸藥量和觀測距離的不同，地面振動特征存在較大差異，人工爆破所產(chǎn)生的波形，具有振幅衰減快、持續(xù)時間短、振動頻帶寬等特性。在距爆源一定距離內(nèi)，爆炸能量對介質(zhì)的作用為非彈性作用，在這一距離以外，出現(xiàn)彈性效應，這種彈性擾動在巖體介質(zhì)中，以地震波的形式由爆炸區(qū)向外傳播，行進的波動擾動引起了巖層介質(zhì)質(zhì)點的振動，地震波傳到地面后引起地面運動，在距離一定的情況下，炸藥量越大，地面震動也越大，振動頻率也越低，振動持續(xù)時間也越長。隨著傳播距離的增大，質(zhì)點的振動強度將逐漸衰減，在質(zhì)點振動強度超過一定限度時，會造成這一范圍內(nèi)地表建筑物的開裂和破壞，尤其是重復爆破作用的擾動，會導致房屋中已有裂縫累積性擴展。

3.2 隧道施工爆破情況

該隧道開挖支護采用上下臺階法施工，光面爆破，齊發(fā)雷管起爆，爆破器材采用非電毫秒雷管，炸藥采用2號巖石硝銨炸藥，規(guī)格為φ32 mm藥卷，開挖采用多功能作業(yè)臺架人工打眼，斜眼掏槽，炮孔直徑為42 mm，炮孔堵塞用硬泥混合砂子，起爆系統(tǒng)采用導爆管傳爆，以集束為主混合聯(lián)接引爆網(wǎng)絡，單次爆破最大裝藥量為 68.4 kg。

3.3 爆破震動的安全允許距離的確定

1)計算過程。由于現(xiàn)場檢測時，隧道爆破已完成，震動安全允許距離的確定依據(jù)GB 6722-2003中華人民共和國國家標準爆破安全規(guī)程中6.2條第3款提供的計算公式進行計算，計算公式如下:R=(K/V)1/a·Q1/3。其中，R為爆破震動安全允許距離，m;Q為炸藥量，kg，按單次爆破最大裝藥量為68.4 kg計算;V為建筑物所在地質(zhì)點的安全允許峰值振動速度，對窯洞、磚木、砌體簡易結構類型取0.5 cm/s，對磚混結構類型取2.0 cm/s;K，a分別為爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，經(jīng)采用武漢中巖科技有限公司生產(chǎn)的SR-VM2004振動監(jiān)測儀對現(xiàn)場進行爆破測試后，得出K=190，a=1.75。

2)計算結果。根據(jù)以上計算公式及現(xiàn)場實測參數(shù)值，經(jīng)計算得出爆破震動安全允許距離:對窯洞、磚木結構類型為121.9 m;對磚混結構類型為55.2 m。

4 房屋與隧道最短距離的測定

4.1 測定方法及過程

由于在一定程度上，受損房屋的影響程度與距離成正比關系，距離越大，房屋的受損程度越小，為確定村民房屋與爆源的最近距離，采用了廣州國測數(shù)碼技術有限公司生產(chǎn)的中海達牌GNSS-V8型雙星RTK系統(tǒng)，對每戶村民房屋坐標進行了實地測量，由實測村民房屋的坐標點位，結合隧道曲線方程，確定兩者間的最短距離，由于實際工作中的隧道曲線方程是由離散的樁點坐標組成的，兩者間的最短距離的計算，實際上演化為院落坐標與隧道最近樁點的計算。隧道樁點坐標為靠近村民房屋的邊線的上頂點坐標;隧道最近點坐標為村民房屋所測點位所對應隧道邊線最近點樁號坐標，即兩點連線與隧道邊線的切線垂直。根據(jù)該村受檢房屋所處兩條隧道的方位的不同，可將村民房屋分為三類區(qū)域:第一類區(qū)域位于隧道右線的右側，隧道樁點坐標選于右線的右邊線的上頂點處;第二類區(qū)域位于左線隧道的左側，隧道樁點坐標選于左線的左邊線的上頂點處;第三類區(qū)域位于兩條隧道的中間位置，住戶房屋靠近右線的，隧道樁點坐標選于右線的左邊線的上頂點處，住戶房屋靠近左線的，隧道樁點坐標選于左線的右邊線的上頂點處。

4.2 測定結果

經(jīng)實測、計算、分析，匯總村民房屋與隧道水平、垂直及直線距離后得出:對窯洞、磚木結構類型的房屋，位于本次爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的房屋有44座;對磚混現(xiàn)澆結構類型的房屋，位于本次爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的房屋有15座。

5 房屋安全性等級的評定

依據(jù)GB 50292-1999民用建筑可靠性鑒定標準及JGJ 125-99危險房屋鑒定標準中相關規(guī)定，對爆破震動安全允許范圍以內(nèi)的59座房屋進行了受損情況的安全性鑒定評級，其中房屋受損最嚴重的為D級，此類房屋受影響程度較大，屋面和承重墻體變形及開裂情況較嚴重;房屋受損較嚴重的為C級，此類房屋受震影響程度略大，承重墻體變形及開裂情況略為嚴重;房屋受損不嚴重的為B級，受損情況主要為室內(nèi)抹灰層脫落、門窗變形、墻體原有裂縫略微增大等現(xiàn)象，此類房屋受震影響程度較小;房屋未受到損傷的為A級。

6 結語

高速公路的建設一般屬于國家重點工程，但路線往往要穿越居民區(qū)，施工擾民成為了一個不可避免的問題，希望該篇論文可為處理此類問題上提供一些參考。

［1］GB 6722-2003，中華人民共和國國家標準爆破安全規(guī)程［S］.

［2］GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標準［S］.

［3］JGJ 125-99，危險房屋鑒定標準［S］.