城市淺埋隧道爆破效應(yīng)及防控措施分析

■鄭斌

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州　310000）

城市淺埋隧道爆破效應(yīng)及防控措施分析

■鄭斌

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310000）

在城市鬧區(qū)進(jìn)行淺埋隧道施工，爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)將對周圍環(huán)境，尤其是市區(qū)內(nèi)房屋以及居民安全帶來較大影響。本文依托福州市湖東東路隧道工程，對爆破施工中可能產(chǎn)生的環(huán)境有害效應(yīng)進(jìn)行分析。基于工程試驗(yàn)和理論分析，并結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范進(jìn)行研究，針對爆破震動、爆破有毒氣體、空氣沖擊波及噪聲、爆破飛石的不同災(zāi)害特性，提出了相應(yīng)的預(yù)防控制措施，為以后類似工程設(shè)計(jì)和施工提供了參考和借鑒。

淺埋隧道鬧市區(qū)爆破有害效應(yīng)爆破震動防控措施

1　引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市交通量逐漸增大，穿越鬧市區(qū)的淺埋隧道工程也日益增多。從技術(shù)和資金等方面考慮，在施工中一般采用爆破施工方法。但在爆破施工的過程中，常造成環(huán)境的次生破壞效應(yīng)。如何合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的爆破控制措施，降低爆破對周圍環(huán)境的損害，是工程中值得深入研究的課題。

爆破次生災(zāi)害中，爆破震動帶來的災(zāi)害效應(yīng)最為嚴(yán)重。結(jié)合以往對爆破震動災(zāi)害效應(yīng)的防治經(jīng)驗(yàn)來看，主要有三種控制方法［1-3］：一是針對爆源采取的控制措施；二是針對受控對象采取的控制措施；三是針對爆破地震波在傳播過程中采取的控制措施。上述三種方法中，實(shí)際工程中采用較多的是對爆源的控制，如控制最大炸藥量、改變爆破參數(shù)，也可以選用低威力低爆速的炸藥［4］。降低炸藥消耗量不僅能降低爆破震動，同時(shí)也是減少有毒氣體產(chǎn)生的有效途徑。因?yàn)楦鶕?jù)以往經(jīng)驗(yàn)，我國工程爆破中炸藥能量的有效利用率僅11%～13%左右［5］，大部分炸藥沒有得到充分利用。除了爆破震動外，爆破過程產(chǎn)生的飛石往往會給爆區(qū)附近的人員、建筑物及設(shè)備等造成嚴(yán)重威脅，對于此類事故，預(yù)防重點(diǎn)應(yīng)放在爆破參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，施工過程的安全控制，人員技術(shù)水平、安全責(zé)任的提高方面［6］。此外，爆破作業(yè)產(chǎn)生的噪聲也是重要的環(huán)境影響因素，噪聲危害大致分為兩類［7］：第一類是施工中重型機(jī)的噪聲；第二類是炸藥爆炸的爆破聲。采用延期爆破、水封爆破、加強(qiáng)覆蓋等方法能有效降低噪聲災(zāi)害。

由于隧道爆破工程周邊環(huán)境復(fù)雜，施工產(chǎn)生的各種爆破災(zāi)害會對附近居民以及建筑物安全產(chǎn)生不同程度的影響。本文首先根據(jù)施工現(xiàn)場及周邊環(huán)境分析了爆破可能造成的次生災(zāi)害，并提出相應(yīng)控制措施，為以后類似工程設(shè)計(jì)及施工提供了參考和借鑒。

2　工程概況

福州市湖東東路道路工程位于福州市晉安區(qū)，金雞山南麓。道路設(shè)計(jì)等級為城市主干道Ⅰ級，設(shè)計(jì)時(shí)速50km/h，雙向四車道規(guī)模，城市二類隧道，建筑限界寬9.25m，高5m。隧道總長1661m，其中明挖段長835.6m，暗挖段長825.4m。該隧道需爆破開挖段落總長約760m，其中明挖段約80m，暗挖段約680m，總計(jì)爆破方量約12萬m3，工期12個(gè)月。

湖東路隧道位于城市鬧區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，房屋密集。隧道埋深淺，施工時(shí)既有明挖爆破，又有暗挖爆破，是座典型城市鬧區(qū)爆破隧道（詳見圖1～2）。其中爆破需重點(diǎn)保護(hù)的地段有：

（1）明挖段（K0+420～K0+500）兩側(cè)（福州市環(huán)保局、真龍大酒店、居民樓）；

（2）K0+700～K1+240段（32中學(xué)、溪口村居民樓、省計(jì)生委、天水園小區(qū)等）。

3　爆破有害效應(yīng)的控制

湖東東路隧道爆破工程，既有明挖淺孔臺階爆破，又有暗挖隧道掘進(jìn)。由于隧道周邊有居民區(qū)、學(xué)校、機(jī)關(guān)、工廠等單位，必須保證周邊人員、建（構(gòu)）筑物的安全，同時(shí)爆破施工不能使周邊人員的工作、生產(chǎn)、生活的正常秩序受到較大影響。因此，該工程爆破設(shè)計(jì)施工必須嚴(yán)格控制爆破的有害效應(yīng)，包括爆破震動、有毒氣體和粉塵、空氣沖擊波及噪音、爆破飛石等，其中，以爆破震動效應(yīng)影響最大。

3.1爆破震動效應(yīng)控制

爆破震動對建（構(gòu)）筑物的破壞，按照破壞途徑可分為震動破壞和非震動破壞兩種［8］。而爆破震動控制就是通過合理有效的爆破設(shè)計(jì)或其它措施對爆破震動控制物理參量進(jìn)行抑制以及對建 （構(gòu)）筑物震動響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行控制，最終達(dá)到保護(hù)建（構(gòu)）筑物的目的［9］。

我國爆破安全規(guī)程采用保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值震動速度作為爆破震動判據(jù)，其作用時(shí)間短（從開始產(chǎn)生到結(jié)束僅為0.6～2.0s），衰減快。震動效應(yīng)與一次單響裝藥量（同段裝藥量）、爆源和需保護(hù)的建筑物之間的距離有直接關(guān)系，本文將采取減少單響裝藥量的方法控制爆破震動災(zāi)害。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，計(jì)算公式如下：Qmax=（V/K）3/α×R3（1）式中：Qmax——單響爆破炸藥量（kg），齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，延時(shí)爆破時(shí)為最大一段藥量；

V——保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)震動安全允許速度（cm/s）。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，爆破時(shí)，磚結(jié)構(gòu)民房、環(huán)保局大樓、瑞和真龍大酒店、新聞大廈、宿舍樓、福州三十二中、溪口村樓房等取V=2.0cm/s；商業(yè)大樓、照天君宮殿、金雞山路等取V=3.0cm/s；福建省計(jì)生委由于有精密儀器取V=0.5cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形，地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，按《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的參數(shù)選定，花崗巖、閃長玢巖石屬中硬巖，取K=150，α=1.5；

R——距離爆破點(diǎn)最近處需要保護(hù)的建筑物的距離。

經(jīng)計(jì)算得：

（1）明挖段（K0+420～K0+500段）

經(jīng)計(jì)算明挖段（K0+420～K0+500段）（見表1），單響最大裝藥量 為3.1kg。

表1　明挖段單響最大裝藥量計(jì)算表

（2）暗挖段（K0+560～K1+240段）

根據(jù)周邊主要保護(hù)建筑物的位置，計(jì)算隧道爆破單響最大藥量，具體結(jié)果詳見表2。由該表可知，該段單響最大裝藥量受允許振速0.5cm/s和2cm/s的建筑物控制。根據(jù)振速0.5cm/s和2cm/s時(shí)，計(jì)算不同距離下的單響最大藥量，具體結(jié)果詳見表3。

表2　最近建筑物影響下不同位置單響最大裝藥量計(jì)算表

表3　不同震速和距離下單響最大裝藥量

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，可得出各樁號隧道單響允許最大藥量，詳見表4。

表4　各樁號段隧道單響最大藥量表

以上數(shù)據(jù)為理論結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的數(shù)值。但由于不同巖石結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)的差別，為了獲得最佳爆破效果，不論是采用淺孔爆破還是深孔爆破，必須先要進(jìn)行1～2炮少量炮孔試爆，視其爆破效果，根據(jù)試爆效果及其對建（構(gòu)）筑物的影響（主要指爆破震動）是否符合規(guī)程要求，合理調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)取值。

3.2爆破有毒氣體與粉塵影響控制

由于該工程地處鬧市，施工人員除按爆破安全規(guī)程要求放炮之外，必須待通風(fēng)時(shí)間超過30min后才可進(jìn)入隧洞內(nèi)作業(yè)；爆破時(shí)可在炮孔中裝填水炮泥，利用炮孔炸藥爆破瞬間產(chǎn)生的微小水滴撲獲爆破煙塵；在隧道洞口安裝霧化器（圖3），在爆破前2～3min打開霧化器裝置，爆破后20min左右關(guān)閉；同時(shí)注意爆前在爆區(qū)上灑水、爆破時(shí)加強(qiáng)覆蓋和爆后灑水，進(jìn)一步降低爆破煙塵的有害影響。

3.3空氣沖擊波及噪聲控制

高密度壓縮炸藥爆炸能產(chǎn)生高壓高溫的熱氣，因?yàn)闅怏w積迅速膨脹，在氣體前端會形成 一層壓縮氣體，即爆炸沖擊波［10］。對其安全距離的計(jì)算尤為重要。

3.3.1控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）隧道爆破空氣沖擊波安全距離計(jì)算

安全距離計(jì)算公式：R=KQ1/3（2）

式中，K——藥包放置方式系數(shù)。祼露K=25；埋藏，對人員取K=15～20，暗挖段取K=18；

Q——毫秒爆破時(shí)取一次爆破藥量。兩臺階法開挖時(shí)，一次最大起爆藥量為7.6kg；預(yù)留核心土法開挖，一次最大起爆藥量為2.4kg；CRD法開挖時(shí)，一次最大起爆藥量為0.6kg。

（2）爆破作業(yè)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)爆破安全規(guī)程13.4點(diǎn)要求，爆破突發(fā)噪聲判據(jù)，采用保護(hù)對象所在地最大聲級。本隧道爆破區(qū)域位于0～2類聲環(huán)境功能區(qū)，進(jìn)行爆破時(shí)，根據(jù)爆破規(guī)程應(yīng)采取降噪措施並進(jìn)行必要的爆破噪聲監(jiān)測。

3.3.2控制措施

通過計(jì)算可知，湖東東路隧道暗挖段爆破空氣沖擊波影響范圍均在隧道內(nèi)，不會影響到隧道外部環(huán)境，但爆破時(shí)，施工人員必須在安全距離外，才能確保安全。

暗挖段隧道爆破，由于沖擊波在隧道壁內(nèi)的反射作用，沖擊波強(qiáng)度大，相應(yīng)爆破噪聲也比較強(qiáng)，傳播距離較遠(yuǎn)。因此，在該復(fù)雜環(huán)境中爆破時(shí)，必須在隧道洞口設(shè)置阻波、降噪排（網(wǎng)）架，洞內(nèi)設(shè)置二重阻柔性波簾幕，阻擋削弱爆破沖擊波及噪聲的影響。

隧道明挖段爆破采用淺孔臺階爆破與機(jī)械開挖相結(jié)合的方式，由于炸藥在孔內(nèi)爆破，爆破單耗較小，只要嚴(yán)格控制裝藥量和確保炮孔填塞長度大于最小抵抗線的1.2倍，一般不會產(chǎn)生較大沖擊波危害，爆破噪聲也較小。為了進(jìn)一步提高安全性，爆破時(shí)可在每個(gè)炮孔口上加壓一個(gè)沙（土）袋，上覆竹耙（炮被），再加壓一層沙（土）袋，以此削弱爆炸沖擊波和爆破噪聲，使其小于90dB。

3.4爆破飛石控制

爆破飛石的最大危害［13］是造成人員傷亡，由于爆破飛石的速度極快，因此其影響范圍也很大。工程上往往通過控制爆破飛石安全距離、設(shè)置阻擋帶、控制單耗藥量等措施來避免飛石災(zāi)害。

爆破飛石距離按下式計(jì)算：

Rs=K·q·D（3）式中：Rs——飛石距離，m；

K——與爆破形式、堵塞質(zhì)量、地形有關(guān)的系數(shù)，K= 0.5～2.0；

q——炸藥單耗，kg/m3；

D——炮孔直徑，D=42mm。

不同開挖方法下，飛石距離計(jì)算結(jié)果見表5：

表5　不同開挖方法飛石距離計(jì)算表

由上述計(jì)算結(jié)果可知，湖東東路隧道爆破無防護(hù)時(shí)爆破飛石影響隧道爆破最遠(yuǎn)距離可達(dá)113m、明挖段淺孔爆破時(shí)飛石最遠(yuǎn)30m。飛石防護(hù)措施如下：

（1）合理設(shè)計(jì)，嚴(yán)格施工。選擇合理單耗藥量是控制飛石的關(guān)鍵。

（2）把握鉆孔質(zhì)量，進(jìn)行認(rèn)真驗(yàn)收，處理好有水孔，加強(qiáng)堵塞，填塞物內(nèi)不得含有碎石等異物；隧道明挖淺孔臺階爆破確保堵塞長度要大于最小抵抗線1.2倍。

（3）檢查并處理第一排炮孔的立面，發(fā)現(xiàn)有軟弱帶，張開裂縫和凹陷處應(yīng)進(jìn)行間隔堵塞。

（4）按設(shè)計(jì)提出的爆破飛散物安全允許距離范圍邊界，設(shè)置警戒，嚴(yán)防無關(guān)人員進(jìn)入爆區(qū)。

（5）在隧道明挖段和隧道內(nèi)分別采取飛石阻擋措施。

湖東東路明挖淺孔松動爆破爆區(qū)為下挖路槽，開挖區(qū)表層為土質(zhì)采用機(jī)械開挖，需要爆破巖石位于路槽內(nèi)，標(biāo)高低于周邊地面2～5m，并已在其周邊和上部澆筑鋼筋混凝土框架支撐梁。明挖段淺孔爆破需采用小抵抗線密集孔布置并保證填塞長度；炮孔中裝填水炮泥（裝水的塑料袋）；在爆體表面覆蓋一層濕的海綿墊，并在海綿墊上加壓砂袋；在混凝土支撐梁上搭設(shè)木棍，在上面鋪一層孔徑為5cm×5cm的鋼絲網(wǎng)，再在鋼絲網(wǎng)上蓋一層竹笆（或炮被：3m×3m寬竹笆簾；將廢舊輪胎膠割成8～10cm寬、2.5m左右的長條，然后編織成2.0～2.5m正方形爆被）。覆蓋材料應(yīng)相互搭接（長度大于15cm），覆蓋區(qū)域超出爆區(qū)邊界50cm，覆蓋時(shí)注意保護(hù)起爆網(wǎng)路。

隧道暗挖段現(xiàn)已用機(jī)械開挖到洞內(nèi)40m處。洞身掘進(jìn)在200m以內(nèi)進(jìn)行隧道爆破時(shí)，在洞口設(shè)置與洞口斷面相適應(yīng)的活動雙層鋼絲網(wǎng)防護(hù)排架，阻擋飛石及沖擊波。

本工程通過上述安全防護(hù)措施，明挖段爆破時(shí)飛石控制在施工圍擋以內(nèi)，爆破警戒時(shí)按距圍擋外30m警戒范圍（即以金雞山療養(yǎng)院圍墻為界）進(jìn)行警戒；隧道暗挖段爆破時(shí)飛石控制在洞口內(nèi)，爆破警戒范圍為隧道洞口正前方100m、側(cè)面30m；隧洞爆破開挖時(shí)，起爆站均設(shè)在洞口外側(cè)面20m處安全地點(diǎn)。在警戒區(qū)邊界設(shè)置明顯標(biāo)志并派出崗哨，爆破時(shí)，在警戒范圍內(nèi)進(jìn)行清場，禁止爆破區(qū)范圍內(nèi)車輛、人員等進(jìn)出。

4　結(jié)束語

本文嘗試結(jié)合湖東東路隧道工程，依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)工程規(guī)范，對城市淺埋隧道爆破次生災(zāi)害進(jìn)行分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）爆破點(diǎn)周圍環(huán)境復(fù)雜，爆破前需做好前期調(diào)查工作并與各有關(guān)單位協(xié)商，實(shí)施定時(shí)、準(zhǔn)點(diǎn)爆破。

（2）明挖段爆破施工中，單響最大裝藥量為3.1kg；而暗挖斷不同里程的爆破施工最大裝藥單響量的范圍為0.6kg～3.1kg，且采取兩臺階法施工的K0+570～K0+640里程段的最大裝藥單響量可以達(dá)到7.6kg。

（3）爆破后注意通風(fēng)，同時(shí)采用水封爆破和噴霧灑水的方法最大限度降低粉塵及毒氣災(zāi)害。嚴(yán)格要求施工人員在安全距離外，注意用覆土法降低爆破噪聲。利用鋼絲網(wǎng)等阻擋措施防護(hù)飛石災(zāi)害，并在合適位置設(shè)置警戒。

（4）嚴(yán)密監(jiān)測地面重要建筑物、危房、存有精密儀器的機(jī)關(guān)單位的震動速度，并根據(jù)監(jiān)測情況隨時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和加固措施。

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