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(shè)有限責(zé)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(wǎng)的形成對地區(qū)性經(jīng)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(jīng)濟發(fā)展。根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》確定的目標(biāo)任務(wù)，截至2020年，我國已基本實現(xiàn)鐵路現(xiàn)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(jīng)濟發(fā)展之間呈現(xiàn)高位協(xié)調(diào)同步發(fā)展趨勢，體現(xiàn)了高鐵與社會經(jīng)濟之間的正向影響作用。

《交通強國建設(shè)綱要》指出將要建設(shè)城市群一體化交通網(wǎng)，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(wǎng)絡(luò)將得到更廣泛的建設(shè)，既有營運鐵路的鄰近新建線路施工也將相應(yīng)增加，同時綱要指出，要提升本質(zhì)安全水平，加強基礎(chǔ)設(shè)施運行檢測監(jiān)測；完善交通安全生產(chǎn)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(zhì)量文化體系進行了研究，詳細總結(jié)了支撐我國高鐵快速發(fā)展的組織方式、管理模式、質(zhì)量體現(xiàn)和過程控制要素，闡述了高鐵質(zhì)量的文化內(nèi)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(shù)管理工作。

爆破施工法是鐵路建設(shè)過程的主要技術(shù)手段，爆破施工提升鐵路建設(shè)速度的同時，也會對鄰近營運鐵路線路相關(guān)設(shè)備造成一定影響，其中爆破產(chǎn)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(xué)狀態(tài)，并且對并行小凈距隧道的開挖過程進行有限元數(shù)值模擬，提供了該類工程的施工經(jīng)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(jù)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(jīng)驗。在數(shù)值模擬方面，羅馳等［7］提出了一種新型隧道爆破數(shù)值模擬方法，該方法針對爆破荷載的空間分布及爆破應(yīng)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(yīng)力衰減指數(shù)的差異，從而提出改進型隧道爆破模擬方法，使數(shù)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(shù)值模擬研究，表明數(shù)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(shù)值模擬與工程實際相結(jié)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(yīng)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(shè)備運轉(zhuǎn)的安全起到了較好的保障和監(jiān)督作用。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。收集現(xiàn)行實施涉及鐵路專項評估工作的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)法規(guī)，結(jié)合爆破施工有害效應(yīng)，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(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

爆破有害效應(yīng)是指爆破時對爆區(qū)附近保護對象可能產(chǎn)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(jù)實際施工經(jīng)驗及安全評估經(jīng)驗，鄰近營業(yè)線爆破施工對既有鐵路產(chǎn)生的有害效應(yīng)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(yīng)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(xiàn)行鐵路或高速鐵路涉爆管理的相關(guān)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(yīng)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(cè)起向外各1 000 m范圍內(nèi)，以及在鐵路上方中心線兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)，確需從事露天采礦、采石、或者爆破作業(yè)的，應(yīng)當(dāng)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(xié)商一致，依照法律法規(guī)規(guī)定報經(jīng)有關(guān)主管部門批準(zhǔn)，并采取相應(yīng)的安全防護措施。

根據(jù)已有涉及鐵路爆破安全評估經(jīng)驗和鐵路相關(guān)部門的管理要求，實施鄰近營業(yè)線爆破作業(yè)可能產(chǎn)生安全影響的既有鐵路設(shè)施設(shè)備種類有：鐵路路基、橋梁、隧道、涵洞、軌道、接觸網(wǎng)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(gòu)）筑物、設(shè)備設(shè)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(shè)備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土等結(jié)構(gòu)的振動判據(jù)，涉及鐵路爆破評估方法采用保護對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)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(jù)。該規(guī)程中涉及到鐵路設(shè)備設(shè)施保護對象的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(wǎng)支柱以及站房等建（構(gòu)）筑物的爆破振動允許標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 鐵路工程爆破振動允許值 cm/s

該振動標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。但該規(guī)程提出的振動標(biāo)準(zhǔn)，基于技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。

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(shè)備設(shè)施的有害效應(yīng)，需評估單位對爆破施工單位編制的專項爆破施工設(shè)計方案實施審核評估。通過全面詳實的現(xiàn)場勘察調(diào)研爆破工程鄰近鐵路營業(yè)線的既有設(shè)施和建（構(gòu)）筑物的現(xiàn)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(shù)人員的資質(zhì)審核，評審爆破設(shè)計方案，對爆破設(shè)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(guān)審批部門、建設(shè)單位及爆破作業(yè)單位提供可靠、專業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。

2.2 評估基本原則

（1）爆破工程安全評估內(nèi)容應(yīng)包括：根據(jù)鐵路工程和設(shè)備設(shè)施的相關(guān)資料，被保護對象的性質(zhì)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(biāo)的合理性；評價爆破設(shè)計方案的可行性、鉆爆參數(shù)的合理性；論證爆破有害效應(yīng)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(yù)防對策和應(yīng)急預(yù)案是否適當(dāng)。

（2）鄰近營業(yè)線爆破施工前期，對于1 km范圍內(nèi)營業(yè)線對爆破振動敏感的保護物，需提供運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀、病害情況的相關(guān)信息；需要提供爆破區(qū)域周邊的地形、地質(zhì)條件等相關(guān)資料；根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境調(diào)查結(jié)果，查閱既有鐵路的相關(guān)設(shè)計資料，確認鐵路營運里程，路塹、路基、隧道圍巖，地形地質(zhì)等，通信基站，接觸網(wǎng)等設(shè)施設(shè)備的基本概況。

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

（4）爆破安全評估需經(jīng)運營管理部門審核及批準(zhǔn)。爆破施工單位應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定，完善爆破施工方案及鐵路設(shè)施保護應(yīng)急救援工作預(yù)案，并與鐵路營運單位簽訂安全責(zé)任協(xié)議，落實監(jiān)管措施與責(zé)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(shù)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(chǎn)生的爆破振動計算有明確規(guī)定，需采用薩到夫斯基質(zhì)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(zhì)情況密切相關(guān)。振動速度的大小與保護對象的破壞程度相互對應(yīng)，以此設(shè)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(shè)施的目的。

2.4.2 工程類比法

實施爆破工程時，根據(jù)其爆破作業(yè)區(qū)域內(nèi)工程地形、地貌、巖土地質(zhì)、與既有鐵路設(shè)施相對位置關(guān)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(jīng)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(zhǔn)確性影響因素較多，對爆破工程環(huán)境要求較高，只能結(jié)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(shù)值模擬分析法

隨著數(shù)值模擬分析法在爆破和巖土工程中的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)值模擬能夠直觀給出爆炸振動對既有鐵路設(shè)施的影響程度，可具體分析不同鐵路設(shè)施的多種動力響應(yīng)。但由于實際工程所在地的巖土地質(zhì)千差萬別，對材料參數(shù)的準(zhǔn)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(shè)施的有害效應(yīng)影響在安全允許范圍之內(nèi)，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(yīng)監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)行高鐵隧道爆破施工監(jiān)測經(jīng)驗，主要監(jiān)測的有害效應(yīng)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(shù)值范圍劃定，

經(jīng)過鐵路局集團公司施工方案評審后，依據(jù)涉及鐵路專項安全評估報告中所提出的評估結(jié)論確定允許爆破振動范圍，并按規(guī)定設(shè)立爆破振動預(yù)警值，對每次爆破作業(yè)實施全方位監(jiān)控，監(jiān)控數(shù)據(jù)聯(lián)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(jù)長期從事鄰近營運鐵路爆破安全評估的經(jīng)驗，涉及鐵路爆破工程安全評估所涉及的各方責(zé)任主體主要有涉及工程建設(shè)方：建設(shè)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(shè)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(zé)任主體共同協(xié)作，最終目的是確保在爆破施工時鄰近鐵路營業(yè)線的設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和列車行車安全。對爆破施工設(shè)計進行評估審查是保證爆破施工設(shè)計符合安全標(biāo)準(zhǔn)的重要手段；施工單位的施工質(zhì)量是爆破施工對鄰近營業(yè)線影響程度的關(guān)鍵因素。

根據(jù)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(xiàn)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(guān)系示意見圖2。

經(jīng)涉及鐵路專項安全評估后，對爆破設(shè)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(yīng)在天窗點內(nèi)實施，在對既有鳳凰山隧道的結(jié)構(gòu)進行勘察研究基礎(chǔ)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(nèi)。將允許振動控制值設(shè)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(chǎn)生較大振動，設(shè)置較為保守的允許振動值以確保既有鐵路的設(shè)備和運營安全。

圖2 新建鐵路與既有杭深鐵路關(guān)系示意

施工單位嚴格按照評估優(yōu)化后的爆破設(shè)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(shù)據(jù)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(jīng)評估后爆破施工產(chǎn)生的振動對既有鐵路影響完全可控。該項目經(jīng)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(jīng)回訪以及爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)，該區(qū)段在里程DK54+052處上跨三明北聯(lián)絡(luò)線瑯口隧道，新建斑竹壟垂直上跨既有三明北聯(lián)絡(luò)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(wǎng)吊柱設(shè)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(chǔ)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(shù)值模擬法結(jié)合。新建斑竹壟隧道與既有三明北聯(lián)絡(luò)線瑯口隧道位置關(guān)系見圖3。

圖3 斑竹壟隧道洞身上跨三明北聯(lián)絡(luò)線平面關(guān)系

安全評估經(jīng)過爆破振動校核以及隧道上跨爆破的數(shù)值模擬結(jié)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(lián)絡(luò)線瑯口隧道爆破振動控制指標(biāo)為2 cm/s，且爆破作業(yè)應(yīng)在天窗點內(nèi)實施。

經(jīng)回訪，斑竹壟隧道在上跨瑯口隧道交叉處設(shè)計掘進進尺為0.5 m，振動實測數(shù)據(jù)大部分均在爆破振動控制指標(biāo)之內(nèi)，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(lián)絡(luò)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(nèi)。為達到最大單段藥量控制在0.15 kg之內(nèi)，該上跨處關(guān)鍵區(qū)域爆破網(wǎng)路采用電子數(shù)碼雷管組網(wǎng)起爆，確保了既有瑯口隧道的設(shè)備及運營安全。

表3 既有瑯口隧道振動監(jiān)測值

5 總結(jié)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(shè)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(jié)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(shè)施設(shè)備的振動影響的分析和總結(jié)，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(jié)合隧道具體病害現(xiàn)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(nèi)工況爆破施工時，宜在天窗點內(nèi)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。