城市水工隧洞爆破開挖對周邊環(huán)境影響的控制技術(shù)

談彬彬

（中鐵二局集團（西安）工程有限公司，陜西 西安 710000）

隨著國內(nèi)城市化進程的推進，城市功能化布局日益豐富，人們對生活環(huán)境的要求日益提高，將歷史遺留的采石坑水塘改建為兼具雨洪調(diào)蓄和生態(tài)景觀為主要功能的城市生態(tài)水系公園成為了城市建設(shè)過程中治理采石坑安全隱患、治理生態(tài)環(huán)境、開發(fā)城市特色人文景觀的重要任務。本文通過對廣州南沙鳳凰湖項目4#—5#湖連通隧洞爆破開挖施工過程中的探索，研究了城市水工隧洞爆破開挖對周邊環(huán)境的影響，提出了爆破開挖施工對周邊環(huán)境影響的控制措施，為今后相關(guān)類似項目施工提供了依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南沙區(qū)鳳凰湖水系連通及生態(tài)整治工程（3#湖、4#湖）地處廣州市南沙區(qū)黃閣鎮(zhèn)大山乸東南側(cè)，位于南沙區(qū)城市客廳，緊鄰豐澤西路，4#湖位于疊翠峰小區(qū)對面，3#湖位于萬科府前花園北側(cè)。該工程利用采石場舊址，將兩個采石坑建設(shè)成為一個集休閑觀光、調(diào)節(jié)生態(tài)為一體的濱水生態(tài)公園。

1.2 隧道概況

4#—5#湖連通隧洞全長1 7 2 m，開挖面積55.75 m2，按照SL 378—2007《水工建筑物地下開挖施工規(guī)范》進行劃分，屬中斷面隧洞。本隧洞進出口高程16.50 m，進口處現(xiàn)狀為陡峭巖質(zhì)邊坡，地面高程為16～41 m，出口布設(shè)在一寬約2 m 的馬道處，高程為25～25.50 m，中部最高程為80.28 m，最大埋深56 m；水平間距4～7 m 分布有寬1～2 m 的馬道，初步統(tǒng)計進口側(cè)有4 級馬道，出口側(cè)有6 級馬道。隧洞進、出口邊坡為高陡邊坡，坡角以42°～65°為主，高度邊坡總高度為64～68 m，目前雖已經(jīng)進行梯級種樹復綠，但大多數(shù)開挖出露基巖未采取任何防護措施，直接臨空，發(fā)現(xiàn)有巖體小崩塌、滑落現(xiàn)象。

設(shè)計K0+000—K0+011 長11 m 為IV 類圍巖，K0+011—K0+160 長160 m 為III 類圍巖，K0+160—K0+172 長12 m 為IV 類圍巖。

1.3 施工現(xiàn)場周邊環(huán)境

擬進行隧道爆破開挖施工區(qū)域位于廣州市南沙區(qū)進港大道和豐澤西路之間廢棄的舊石場中，根據(jù)現(xiàn)場勘察及業(yè)主提供資料，東側(cè)約430 m 為疊翠峰樓盤、東南側(cè)480 m 為萬科府前花園、南側(cè)280 m 為坦尾村民房，周邊無高壓線纜通過，如圖1—圖5 所示。

圖1 地理位置示意圖

圖2 4#—5#湖連通隧洞位置示意圖

圖3 4#—5#湖連通隧洞南側(cè)現(xiàn)場環(huán)境圖

圖4 4#—5#湖連通隧洞東側(cè)現(xiàn)場環(huán)境圖

圖5 4#—5#湖連通隧洞北側(cè)現(xiàn)場環(huán)境圖

2 爆破開挖施工參數(shù)設(shè)計

2.1 爆破開挖施工總體設(shè)計原則

4#—5#湖連通隧洞Ⅳ類圍巖段采用臺階法開挖，Ⅲ類圍巖采用全斷面開挖，采用單向掘進。

2.2 Ⅳ類圍巖段臺階法施工

2.2.1 上臺階開挖

炮眼直徑：d=42 mm。

炮眼深度：L=1.6 m。

單位炸藥消耗量：根據(jù)以往同級地質(zhì)施工經(jīng)驗，本設(shè)計取q=0.85 kg/m3。

輔助炮眼數(shù)目[1]：計算公式為N=q×S/τ×γ，其中S為開挖斷面積，取31.2 m2；τ為裝藥系數(shù)，為0.5；γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量，取0.76 kg。計算得出N=72 個。

每循環(huán)炸藥總量：計算公式為Q=qv=qSLη，其中η為炮眼利用率，一般為0.8～0.95，本設(shè)計取0.85。計算得出Q=qSLη=0.85×31.2×1.6×0.85=36.1 kg。

2.2.2 下臺階開挖

炮眼直徑：d=42 mm。

炮眼深度：L=2.0 m。

單位炸藥消耗量：根據(jù)以往同級地質(zhì)施工經(jīng)驗，本設(shè)計取q=0.6 kg/m3。

炮眼數(shù)目：根據(jù)公式N=q×S/τ×γ，S取24 m2，τ取0.5，γ取0.76 kg，計算得出N=38 個。

每循環(huán)炸藥總量：根據(jù)公式Q=qv=qSLη，η取0.8，計算得出Q=qSLη=0.6×24×2.0×0.8=23.0 kg。

2.2.3 光面爆破參數(shù)

最小抵抗線：按經(jīng)驗公式Wmin=（10～20）d=420～840 mm，本設(shè)計取W拱部min=65 сm，W邊墻min=75 сm。

孔距E：按經(jīng)驗公式E=（0.6～0.8）Wmin確定，E拱部=39～52 сm，E邊墻=45～60 сm。本設(shè)計取E拱部=40 сm，E邊墻=55 сm。

單孔裝藥量：根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值線裝藥密度q=0.12～0.2 kg/m；上臺階L=1.6 m，下臺階L=2.0 m；上臺階Q=qL=[（0.12～0.2）×1.6]kg，下臺階Q=qL=[（0.12～0.2）×2.0]kg。計算得出上臺階Q=0.19～0.32 kg，本設(shè)計取Q=0.32 kg；下臺階Q=0.24～0.4 kg，本設(shè)計取Q=0.4 kg。

2.2.4 輔助眼的間距

根據(jù)總斷面積扣除光爆層面積及掏槽區(qū)面積后所剩余面積來布置輔助眼的原則確定。布置時按大致均勻、局部適當調(diào)整的原則布置。

2.2.5 IV 類圍巖爆破開挖參數(shù)

IV 類圍巖爆破參數(shù)如表1 所示，炮眼布置參數(shù)如表2 所示。

表1 IV 類圍巖光爆參數(shù)表

表2 IV 類圍巖炮眼布置參數(shù)表

表2 （續(xù)）

2.2.6 IV 類圍巖炮眼布置及爆破參數(shù)圖

IV 類圍巖炮眼布置及爆破參數(shù)如圖6、圖7 所示。

圖6 IV 類圍巖上臺階炮眼布置圖（單位：mm）

圖7 IV 類圍巖下臺階炮眼布置圖（單位：mm）

2.3 III 類圍巖段全斷面施工

2.3.1 全斷面開挖

炮眼直徑：d=42 mm。

炮眼深度：L=3.0 m。

單位炸藥消耗量：根據(jù)以往同級地質(zhì)施工經(jīng)驗，本設(shè)計取q=0.88 kg/m3。

炮眼數(shù)目：根據(jù)N=q×S/τ×γ，S取52.75 m2，τ取0.5，γ取0.76，計算得出N=122 個。

每循環(huán)炸藥總量：根據(jù)公式Q=qv=qSLη，η取0.85，計算得出Q=qSLη=0.88×52.75×3.0×0.85=118.4 kg。

2.3.2 光面爆破參數(shù)

最小抵抗線：按經(jīng)驗公式Wmin=（10～20）d=420～840 mm，本設(shè)計取W拱部min=70 сm，W邊墻min=80 сm。

孔距E：按經(jīng)驗公式E=（0.6～0.8）Wmin確定，E拱部=42～56 сm，E邊墻=48～64 сm。本設(shè)計取E拱部=45 сm，E邊墻=50 сm。

單孔裝藥量：根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值線裝藥密度q=0.2～0.3 kg/m，L=3.0 m；Q=qL=[（0.2～0.3）×3.0]kg=0.6～0.9 kg，本設(shè)計取Q=0.9 kg。

2.3.3 輔助眼的間距

根據(jù)總斷面積扣除光爆層面積及掏槽區(qū)面積后所剩余面積來布置輔助眼的原則確定。布置時按大致均勻、局部適當調(diào)整的原則布置。

2.3.4 III 類圍巖開挖爆破參數(shù)

爆破參數(shù)如表3 所示，炮眼布置參數(shù)如表4 所示。

表3 III 類圍巖光爆參數(shù)表

表4 III 類圍巖炮眼布置參數(shù)表

2.3.5 III 類圍巖爆破參數(shù)圖

III 類圍巖炮眼布置及爆破參數(shù)如圖8、圖9 所示。

圖8 III 類圍巖炮眼布置圖（單位：mm）

圖9 III 類圍巖掏槽炮孔布置圖（單位：mm）

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

由于該隧道施工區(qū)域距離豐澤西路及居民區(qū)較近，為控制爆破的質(zhì)點振動速度，采用非電雷管、導爆管、導爆索起爆網(wǎng)絡(luò)，孔內(nèi)微差法起爆，炸藥底部插入非電雷管反向爆破，非電雷管由導爆管接出，結(jié)為一束，最后接到起爆器上起爆。隧道開挖爆破起爆網(wǎng)絡(luò)如圖10 所示。

圖10 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.5 起爆施工工藝流程

隧道爆破開挖施工工藝流程如圖11 所示。

圖11 施工工藝流程圖

3 城市水工隧洞爆破開挖施工對周邊環(huán)境影響的控制技術(shù)措施

試爆振動監(jiān)測結(jié)論如圖12 所示。

圖12 試爆振動監(jiān)測結(jié)論

通過試爆，振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為0.085 сm/s、爆破時噪聲檢測為95 dB（根據(jù)如圖12 所示的試爆監(jiān)測報告結(jié)論，振動最大值發(fā)生于2020-07-15T12：18，位于3 號監(jiān)測點處；噪聲最大值發(fā)生在2020-07-17T12：25，位于1 號監(jiān)測點處，振動在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但施工噪聲超標）。產(chǎn)生的爆炸聲波及振動對周邊居民區(qū)住戶造成了較大影響，具體體現(xiàn)在爆炸聲過大、爆炸聲波及振動導致南側(cè)坦尾村民房振動以及東側(cè)疊翠峰樓盤房屋玻璃振動，因而引起了周邊住戶居民投訴、阻工等情況發(fā)生。通過現(xiàn)場積極探索，項目部采取了以下技術(shù)措施，有效控制了隧道爆破產(chǎn)生的爆炸聲波及振動[2-3]。

3.1 增強了炮眼填塞質(zhì)量

由于在試爆時炮眼填塞使用的是現(xiàn)場現(xiàn)有的欠固結(jié)淤泥質(zhì)土，采用其填塞炮眼較為疏松，未能有效阻止炸藥在爆炸過程中產(chǎn)生的爆炸聲波。在試爆后，項目購買了專用炮泥填塞炮眼，并用木質(zhì)炮棍將填塞物搗實，如圖13—圖15 所示。

圖13 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖14 輔助眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖15 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

3.2 在隧道洞口增加擋石屏及隔音屏

在試爆時，隧洞洞口有飛石飛出且爆炸聲波較大，因此在隧道洞口增加了一道擋石屏及隔音屏，如圖16所示，以減小對周邊環(huán)境的影響[4]。

圖16 擋石屏、隔音屏現(xiàn)場布置圖

擋石墻采用I10 工字鋼焊接龍骨，其表面敷設(shè)竹籬笆以及棕墊，如圖17 所示，在起爆前用鏟車將擋石墻移動至洞口密貼，同步在其后配置石袋配重，以起到防止飛石以及第一步吸收聲波的目的。在距離洞口20 m 位置處采用I10 工字鋼立柱，角鋼橫梁，其表面敷設(shè)成品吸音棉材料作為固定隔音屏，如圖18 所示，以達到隧洞爆破過程中第二次吸收爆炸聲波的目的。

圖17 擋石屏現(xiàn)場安裝圖

圖18 隔音屏現(xiàn)場安裝圖

3.3 在起爆前采用揚聲器通知周圍居民

雖然隧道爆破產(chǎn)生的爆破聲波及振動均可采取有效措施降低至規(guī)范標準以下，但突如起來的爆破還是會對施工區(qū)域周圍居民及住戶的正常生活產(chǎn)生不良影響，如驚嚇、使居民緊張等。因此在準備爆破前，項目在周邊的3 個居住區(qū)均配備了揚聲器，在爆破前同時采取高呼以及倒計時30 s 的方式，提醒周邊居民做好準備，以減少突然爆破對周邊居民生活的影響。

4 周邊環(huán)境影響情況

為確定隧道爆破對爆破區(qū)周邊環(huán)境的影響情況，項目邀請了專業(yè)爆破振動監(jiān)測機構(gòu)對項目隧道爆破進行振動監(jiān)測。通過監(jiān)測出的振動數(shù)據(jù)來判定爆破時在建構(gòu)筑物密集區(qū)產(chǎn)生的振動，以此來指導采取各項技術(shù)措施減小爆破對周邊環(huán)境的影響[5-6]。

4.1 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)

該項目采用的是L20-N 爆破振動智能監(jiān)測儀，配套三維速度傳感器等組成的爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)，如圖19、圖20 所示。

圖19 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)圖

圖20 L20-N 爆破振動監(jiān)測儀照片

4.2 監(jiān)測點選取

根據(jù)國家的有關(guān)規(guī)定，在爆破作業(yè)中應采集地面質(zhì)點振動速度作為衡量地震波強度的標準。本項目選取了以下3 個爆破振動監(jiān)測點：1 號監(jiān)測點——爆區(qū)東側(cè)疊翠峰小區(qū)門口處，2 號監(jiān)測點——爆區(qū)北側(cè)蕉門村，3 號監(jiān)測點——爆區(qū)南側(cè)萬科府前一號小區(qū)內(nèi)，如圖21 所示。

圖21 爆破振動監(jiān)測點布置

4.3 測點布置與埋設(shè)

每個監(jiān)測點布置一臺振動監(jiān)測記錄儀以及傳感器用于監(jiān)測該點的垂直、水平和徑向地面質(zhì)點的振動速度。

4.4 振動監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)振動監(jiān)測結(jié)果顯示，采取了以上措施后，在周邊居民區(qū)處測得的最大爆破噪聲為55 dB（根據(jù)如圖22 所示的正式爆破振動監(jiān)測報告結(jié)論，噪聲最大值發(fā)生在2020-10-25T12：28，位于1 號監(jiān)測點處，滿足規(guī)范要求II 類標準60 dB 以下），振動數(shù)據(jù)由原來的最大0.085 сm/s 降低至現(xiàn)在0.025 6 сm/s，雖均在規(guī)范允許的小于2.0 сm/s 安全范圍內(nèi)（如表5 所示），但從整體上減輕了對周邊建筑環(huán)境的影響，從而避免周圍居民住戶由于房屋結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生恐慌而引起的投訴。

表5 （續(xù)）

圖22 正式爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)論

表5 規(guī)范允許標準值[7]

5 結(jié)束語

本文通過對廣州市南沙區(qū)鳳凰湖項目4#—5#湖連通隧洞爆破開挖施工過程中，由于試爆產(chǎn)生的較大振動及聲波導致投訴及阻工問題，對隧道開挖產(chǎn)生的振動及聲波原因進行了分析，提出了降低隧道爆破開挖產(chǎn)生振動及聲波的措施，通過本文的相關(guān)敘述，可以總結(jié)為：爆破開挖產(chǎn)生振動及噪聲不可避免，但可從起爆源以及傳播途徑上采取相關(guān)技術(shù)措施，以降低城市水工隧洞開挖對周邊環(huán)境的影響。