隧道開挖爆破對臨近既有建筑安全影響分析

李巖松，羅 利，楊根明，張立云，羅建勛

(中國五冶集團有限公司，成都 610066)

隨著我國經濟的快速發展，城市化進入了一個新的階段，由于我國城鎮化進程加快，城市人口急速增長，城市基礎設施的能源輸送能力、交通通行能力以及環境承受能力已遠遠不能滿足當前城市需求，急需對城市市政設施進行改建、擴建。城市向外擴張時不可避免的會受到老城區周邊河流、山區的影響，并且老城區周邊存在大量村莊、工廠。在工廠、居民樓周邊修建市政基礎設施，會對施工造成一定的影響，更會對周邊工廠、居民造成巨大的影響。其中市政公路隧道施工多采用鉆爆法施工，爆破振動的影響和開挖引起地表沉降對周邊建筑、居民的影響不可忽視。因此，在隧道開挖施工時，如何在保證隧道施工安全和質量的同時，保證周邊工廠正常生產、居民正常生活是城市隧道施工中一大難題。為保證隧道施工安全，減小施工對周邊生產、生活的影響，科研學者從不同角度對隧道爆破振動如何影響臨近既有建筑進行了研究。

陳慶等[1]以薩道夫斯基公式為基礎，考慮了高差對爆破振速的影響，修正了薩道夫斯基公式；向亮[2]將爆破振動區域劃分為：爆破前沖影響區、爆破左右側向區、爆破空洞影響區，獲得了青島硬巖隧道各區域的地振波振動衰減參數。曹楊等[3]采用減振孔、延時爆破等手段，確保爆破振動速度在穿越老舊建筑物時處于安全范圍以內。孫崔源等[4]發現普通雷管爆破振動大，電子雷管控制精確，最大振速可降低43.78%。王海龍等[5]學者現場實測爆破振速后，采用經驗公式得到相關爆破參數，提出了優化的三段式爆破施工方案。張超[6]采用數值模擬軟件建立了三維爆破振動模型，分析了21種裝藥結構下臨近既有隧道結構的爆破振動變化規律。蘇宇[7]通過分析青島地鐵現場監測數據，結合FLAC3D軟件，研究了爆破施工對地表及臨近建筑的影響。此外還有大量學者[8-18]根據現場實測數據、數值模擬等一系列方法、方式對爆破控制進行研究，力爭將爆破造成的影響降到最低。

以上的爆破控制研究對于隧道爆破振動控制，減小既有建筑振動有著重要意義，但是隧道穿越的圍巖類別差異大，變化多，在不同的圍巖、地質條件下，爆破控制方法和參數也會有所不同，還需要對隧道爆破開挖控制進行更深入、精細研究。綜上所述，應用Matlab計算軟件回歸分析，得到了不同方向上的爆破振動參數，重點對考慮圍巖產狀等地質條件下的隧道開挖爆破對臨近既有建筑的安全進行研究。

1 工程概況

省道205老龍山隧道左線里程ZK41+340～ZK42+545，全長1 205m；隧道右線里程YK41+350～YK42+555，全長1 205m。

隧道橫穿老龍山脈，地形中部高且較平坦，兩端低，北西段為順向坡，地形坡度5°～15°，南東段為逆向坡，地形坡度一般7°～19°，局部見陡崖，軸線最高點標高580.23 m，最低點(出口方向)標高532.87 m，相對高差47.36 m。設計洞底標高477.13～504.61 m，隧道埋深29.4～89.4 m。

隧道圍巖為侏羅系上統七曲寺組(J3q)，巖性以泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖為主(見表1)，夾砂巖，中厚層狀，產狀與隧道軸線近于垂直，傾向南西，傾角 4°，除兩端進出口部分為強風化外，其余部分為中～微風化，屬極軟巖～軟巖，巖體完整，圍巖級別以Ⅴ級為主，中部為Ⅳ級，地面調查未發現有斷裂構造通過。

表1 地層參數

老龍山隧道附近居民構筑物較多，環境相對較為復雜，隧道進口附近58 m處有民房，400 m外有村莊，洞身山頂有居民房，700 m之外是中國工程物理研究院(以下簡稱九院)所在，并且九院內多為高精度儀器設備，對于振動控制有著極高的要求。雖然九院距離爆破點較遠，但是必須引起高度重視，做到萬無一失，嚴格控制爆破振速，爆破振動速度要求不得超過《爆破安全規程》GB 6722-2014所規定的標準[19]。

2 爆破振動監測分析

為了嚴格滿足爆破振速要求，防止九院精密儀器發生損壞，必須嚴格控制爆破參數：采用淺孔毫秒延時光面爆破掘進法，盡量減少裝藥量，控制爆破振動。

在2017年12月13日～2018年1月3日一共進行了4次爆破振動監測，爆破采用單段最大裝藥量23.75 kg，沿隧道軸線及周邊居民構筑物共布置19個測點(見圖1)。

圖1 測點與隧道(爆源)位置關系

爆破振動速度監測系統由三向速度傳感器、爆破振動記錄儀和計算機組成(見圖2)。采用泰測Blast-NET爆破振動記錄儀記錄振動信號，再經自身多功能數據接口與計算機相接，通過專業軟件在計算機上進行波形顯示、數據分析和結果輸出。

圖2 爆破振動速度監測系統

4次爆破監測一共獲得48組監測數據，其中部分監測數據如表2所示，部分現場監測振動波形如圖3所示。

表2 監測數據

圖3 洞口測點處振動波形

由圖3可知，洞口監測點的振動最大值出現在徑向方向，最大值為28.937 cm/s，對應的主頻率為32 Hz。根據《爆破安全規程》GB 6722-2014可知，洞口處振動速度已超過安全允許質點振動速度。爆破時，洞口監測點附近嚴禁逗留，與爆破無關的設備、人員需撤離至安全距離。

由表2可知，淺孔毫秒延時光面爆破掘進法對爆破振動控制作用大，監測點10和監測點11同時對九院地表振動進行監測，在同一次爆破監測中，監測點10和監測點11的爆破振動速度均小于0.005 cm/s，在最大振動頻率為43 Hz時，監測點10和監測點11的爆破振動速度遠小于標準[19]所規定的最小安全允許標準的十分之一。爆破振動速度符合標準。

3 爆破振動特性分析

為了研究爆破對附近構筑物產生的影響，根據所得監測數據對爆破地震波傳播衰減監測結果進行了3次回歸分析：第1次是沿著隧道軸線，以接近于垂直圍巖產狀方向的25組監測數據進行回歸分析(見表3)；第2次是對隧道軸線兩側不垂直于圍巖產狀方向的17組監測數據進行回歸分析(見表3)；第3次回歸分析以采集到的全部48組數據為樣本進行回歸分析。通過回歸分析結果，研究隧道爆破開挖時圍巖產狀等因素對臨近既有建筑的影響。

表3 回歸分析監測點

3.1 爆破振動監測回歸分析

根據標準[19]規定，在計算爆破振動傳播和衰減規律時一般采用薩道夫斯基經驗公式：

(1)

式中：v為質點振動速度，cm/s；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件與有關系數和衰減指數；Q為最大段裝藥量，取Q=23.75 kg；R為爆破點至監測點的距離。

根據線性回歸原理，采用最小二乘法，將上一節所得現場監測結果在Matlab計算軟件中進行回歸分析計算，第1次回歸分析得到K1=58.585 0和α1=1.518 5;第2次回歸分析得到K2=31.952 4和α2= 1.440 7；第3次回歸分析得到K3=58.246 9和α3= 1.551 3。

對于回歸分析分別得出的K、α值，為保證其相關性滿足精度要求，采用相關系數法進行顯著性檢驗[20]。將第1次回歸分析所得結果進行顯著性檢驗得到|F|=0.856 5>C0.001=0.597，相關性顯著；將第2次回歸分析所得結果進行顯著性檢驗得到|F|=0.881 8>C0.001=0.693，相關性顯著；將第3次回歸分析所得結果進行顯著性檢驗得到|F|=0.886 5>C0.001=0.451，相關性顯著。K、α系數滿足精度要求，符合實際情況。

3次回歸分析得到的薩道夫斯基經驗公式分別為

(2)

(3)

(4)

將3次回歸分析所得K、α系數分別與爆破安全規程[19]中相關經驗數據參考值進行對比。發現現場實測結果所計算出的系數取值與文獻中所提供的參考值有偏差，爆破安全規程[19]所提供的參考值可作為初期爆破設計的參考，但是僅依靠經驗參考值控制開挖爆破將會存在較大誤差。現場應因地制宜，通過勘察實際地質條件、現場爆破試驗等方法確定實際爆破參數取值，并根據場地內地質條件的變化及時調整爆破參數。

3.2 地層產狀對地表振動影響分析

根據回歸分析得出的監測數據回歸曲線式2、式3和式4繪制沿隧道軸線、隧道兩側爆破振速與距離關系曲線(見圖4)。

圖4 地層產狀對爆破振速的影響

從圖4可以看出，沿隧道軸線的爆破振速要明顯大于沿隧道軸線兩側不垂直于圍巖產狀方向的爆破振速。距離爆破振動點越近，沿巖層垂直方向的爆破振速比沿隧道軸線兩側不垂直于圍巖產狀方向的爆破振速大，最大提高了45.13%。距離爆破振動點越遠爆破振動速度在不同方向上均逐漸減小，并且不同方向上的爆破振動速度幾乎相等，這可能是由于距離越遠，地質條件越復雜，相應的地層走向在距離較近處較好區分走向、節理裂隙，而距離較遠時，地層接近于均質地層，所以巖層走向等地質條件對爆破振動速度影響沒有距離較近時明顯。

靠近振源時，不考慮地層走向、產狀的薩道夫斯基經驗公式計算的爆破振速結果約為0.55 cm/s與考慮地層產狀為垂直方向的爆破振速計算結果0.61 cm/s較為相近。兩者的爆破振速總體遠高于沿地層產狀平行方向時0.42 cm/s的爆破振速。分析表明，薩道夫斯基經驗公式對沿地層產狀平行時爆破振速的計算結果偏于保守，若對現場地質結構較熟悉時可以依據現場地層產狀對薩道夫斯基經驗公式計算結果進行適當折減。

4 結論

1)監測點10和監測點11同時對九院地表振動進行監測，監測結果基本一致，表明監測數據真實可靠，監測值均小于0.005 cm/s，遠小于最小安全允許標準。

2)距離爆破振動點越近，爆破振動速度與地層產狀關系越密切，距離爆破振動點越遠，地層產狀影響越小。

3)沿地層產狀垂直方向傳播時比沿地層產狀平行方向傳播時爆破振動速度大，最大提高了45.13%。

4)薩道夫斯基經驗公式對于沿地層產狀平行時的計算結果偏于保守，在對現場地質結構較熟悉時可以依據現場地層產狀對薩道夫斯基經驗公式進行適當折減。

5)現場實測K、α系數與《爆破安全規程》GB 6722-2014有一定差距，為了更接近現場實際，K、α系數應盡可能采用現場試驗確定。