岳 弘

(中冶長(zhǎng)天市政建筑工程公司， 湖南長(zhǎng)沙 410007)

?

隧道洞口爆破安全允許距離的計(jì)算分析

岳 弘

(中冶長(zhǎng)天市政建筑工程公司， 湖南長(zhǎng)沙 410007)

某鐵路客運(yùn)專線隧道工程施工采用鉆爆開(kāi)挖的方式開(kāi)挖，隧道進(jìn)口段周邊分布有少量村莊建筑物，爆破開(kāi)挖時(shí)可能會(huì)對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生影響，因此對(duì)爆破影響范圍進(jìn)行論證分析。通過(guò)對(duì)安全允許距離的計(jì)算，得出最合理的警戒線布置方式和距離，從而既能保證工程相關(guān)人員的安全，又能避免因?yàn)榫渚嚯x過(guò)大而對(duì)施工造成影響。

爆破開(kāi)挖； 安全允許距離； 安全允許振速； 計(jì)算分析

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的隧道工程投入建設(shè)。在隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[1-3]。目前大部分鐵路隧道處于人口密度相對(duì)較小的地區(qū)，但是工程周邊社會(huì)環(huán)境同樣較為復(fù)雜，在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窈头课萁ㄖ约笆┕ぷ鳂I(yè)人員和設(shè)備等造成一定的影響，因此，必須將一定范圍內(nèi)的人員撤離，并對(duì)無(wú)法撤走的機(jī)械設(shè)備及建筑物等采取保護(hù)措施，這個(gè)安全范圍就稱為爆破安全距離[4-5]。

在各類隧道的爆破中，都需要進(jìn)行爆破安全范圍的設(shè)計(jì)，其中包括爆破震動(dòng)的安全距離。爆破震動(dòng)的安全距離是指爆破后不致引起被保護(hù)對(duì)象破壞的爆心距被保護(hù)對(duì)象的最小距離。當(dāng)被保護(hù)對(duì)象在爆破安全距離的范圍內(nèi)，就必須采取措施對(duì)其加強(qiáng)保護(hù)，否則有可能使其遭到毀壞[6]。

GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”)對(duì)爆破安全允許距離及對(duì)環(huán)境影響的控制進(jìn)行了規(guī)定?！兑?guī)程》要求，爆破地點(diǎn)與人員和其他保護(hù)對(duì)象之間的安全允許距離，應(yīng)按各種爆破有害效應(yīng)分別核定，并取最大值。

某鐵路客運(yùn)專線隧道工程施工采用鉆爆開(kāi)挖的方式，隧道進(jìn)口段周邊分布有少量村莊建筑物，爆破開(kāi)挖時(shí)可能會(huì)對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生影響，因此，有必要對(duì)爆破影響范圍進(jìn)行論證分析。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

隧道區(qū)以低山和丘陵為主，地形起伏大，相對(duì)高差50～150 m，自然坡度30°～50°，山勢(shì)險(xiǎn)峻，多出懸崖峭壁，沖溝多呈V形，縱向溝谷與山脈走向近于平行，形如梳妝，坡面植被發(fā)育。

隧道區(qū)位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中，主要構(gòu)造體系為龍泉山褶皺帶，以龍泉山箱狀大背斜為骨干，包括一系列走向北20°～30°東的褶皺、沖斷層等壓性、壓扭性結(jié)構(gòu)面。龍泉山大背斜軸部寬闊平坦，兩翼陡然下降，延伸不遠(yuǎn)復(fù)又變平。隧址區(qū)發(fā)育褶皺2條：臥龍寺向斜、龍泉山大背斜(三大彎背斜)；斷層2條：龍泉驛斷層、尖尖山斷層。隧址區(qū)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，主要以構(gòu)造裂隙為主，淺部基巖多為風(fēng)化卸荷裂隙。

1.2 不良地質(zhì)與特殊巖土情況

(1)巖石風(fēng)化剝落：隧道進(jìn)口為巖質(zhì)邊坡，在外應(yīng)力的作用下，泥巖呈碎屑剝落，局部形成淺層坍塌，嚴(yán)重影響邊坡和基坑的穩(wěn)定。

(2)膨脹土：主要為膨脹土，硬塑、含鐵錳結(jié)核、黏性強(qiáng)，厚2～5 m，分布與隧道進(jìn)口地挖溝槽內(nèi)。

據(jù)土工試驗(yàn)資料，膨脹土自由膨脹率為40 %～72 %，液限為38 %～50.6 %，蒙脫石含量為13.29 %～39.55 %，屬于弱～中等膨脹土，具有遇水軟化、膨脹、強(qiáng)度降低、失水收縮、開(kāi)裂、干硬等特征，對(duì)隧道進(jìn)口有一定影響。

(3)壓碎巖：隧道區(qū)位于斷層帶，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，影響范圍較大，在隧道進(jìn)口形成壓碎泥巖，壓碎巖破碎，完整性差，對(duì)隧道進(jìn)出口影響較大，隧道施工易突水、突泥、坍方、掉頂。

1.3 圍巖類別判斷

圍巖分級(jí)是指根據(jù)巖體完整程度和巖石強(qiáng)度等指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)類別，即將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一類，將全部的圍巖劃分為若干類。在圍巖分類的基礎(chǔ)上再依照每一類圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本次論證分析對(duì)象為隧道進(jìn)口洞門(mén)爆破對(duì)周邊的影響，由隧道圍巖分級(jí)表可知，隧道進(jìn)口段范圍內(nèi)圍巖為Ⅴ級(jí)。

2 隧道概況和施工方法選取

2.1 隧道洞口概況

隧道洞口橫斷面尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 隧道洞口橫斷面尺寸(單位:cm)

保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度可根據(jù)表1以及實(shí)際爆破方式確定。

表1 計(jì)算采用的安全允許振速

根據(jù)調(diào)查，隧道口保護(hù)對(duì)象均為民用建筑物，主要包括3類，分別為土窯洞、土坯房、毛石房屋。一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋，并無(wú)其他類型的建筑物，安全允許振速的確定還得考慮爆破時(shí)的主振頻率。由于炮孔布置方式中，炮眼長(zhǎng)度一般為3 m或3.5 m左右，均小于5 m，所以該隧道的爆破方式為淺孔爆破。

2.2 開(kāi)挖爆破施工方法

本次探究洞口附近圍巖的鉆爆開(kāi)挖的安全距離計(jì)算分析，即選取進(jìn)口端0～375 m的鉆爆開(kāi)挖作為研究對(duì)象。

由于隧道進(jìn)口附近存在具有遇水軟化、膨脹、強(qiáng)度降低、失水收縮、開(kāi)裂、干硬等特征的膨脹土以及易發(fā)生隧道突水、突泥、坍方、掉頂?shù)葹?zāi)害的破碎帶，因此隧道進(jìn)口0～200 m采用以機(jī)械開(kāi)挖為主，必要時(shí)輔以弱爆破的三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工(圖2)。

圖2 三臺(tái)階七步開(kāi)挖布置

隨著隧道的深入，地質(zhì)條件得以改善，因此從200～375 m采用技術(shù)更加簡(jiǎn)便、施工成本更加低廉的二臺(tái)階三步開(kāi)挖法施工，上臺(tái)階采用爆破法開(kāi)挖(圖3)。

圖3 二臺(tái)階三步開(kāi)挖布置(單位:cm)

此外，由于隧道洞口處地質(zhì)條件相對(duì)較差，地應(yīng)力比較大，因此還需設(shè)置仰拱，仰拱的開(kāi)挖同樣采用爆破法開(kāi)挖。在進(jìn)口右側(cè)30 m設(shè)有平導(dǎo)，平導(dǎo)同樣采用爆破法開(kāi)挖。其爆破開(kāi)挖的炮眼數(shù)、炮眼長(zhǎng)度、線裝藥、炸藥用量等見(jiàn)表2。

表2 爆破開(kāi)挖計(jì)算詳情

由表2分析可知，在不考慮延期爆破的情況下，隧道正洞進(jìn)口0～200 m范圍內(nèi)V級(jí)圍巖爆破時(shí)炸藥量最大，為35.7 kg；200～375 m范圍內(nèi)V級(jí)圍巖爆破時(shí)炸藥量最大為330 kg；仰拱開(kāi)挖最大炸藥量為98 kg；平導(dǎo)開(kāi)挖最大炸藥量為66 kg。

3 隧道洞口安全距離計(jì)算與分析

根據(jù)GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定：爆破、爆破器材銷毀以及爆破器材庫(kù)意外爆炸時(shí)，爆炸源與人員和其他保護(hù)對(duì)象之間的安全允許距離，應(yīng)按爆破各種有害效應(yīng)分別核定，并取最大值。根據(jù)本工程實(shí)際情況，本次研究主要就隧洞爆破時(shí)產(chǎn)生的地震波對(duì)周邊建筑物的安全允許距離進(jìn)行了分析論證。

由表2可見(jiàn)，二臺(tái)階三步開(kāi)挖法是從隧道進(jìn)口后200 m開(kāi)始采用，因此當(dāng)按照330 kg炸藥量計(jì)算時(shí)，需要從計(jì)算出的安全允許距離中減去從施工點(diǎn)到隧道進(jìn)口處的距離，也就是減去相應(yīng)的200 m。

3.1 地形、地質(zhì)條件系數(shù)和衰減系數(shù)選取

計(jì)算安全允許距離時(shí)考慮的隧道進(jìn)口處為山脈與平原的過(guò)渡帶。隧道入口周邊坡度較小，已基本屬于平原地帶。丘陵與平原的接合處為一個(gè)小型的沖積扇，第四系粉質(zhì)黏土覆蓋層較厚，居民建筑物分布于隧道口周邊。

《規(guī)程》對(duì)爆破參數(shù)K、α取值范圍有明確的規(guī)定。在對(duì)K、α進(jìn)行取值時(shí)，主要依據(jù)于對(duì)爆破點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)間的地質(zhì)條件做出判斷，在給定的取值范圍內(nèi)選取其合適的數(shù)值，或依據(jù)該類地質(zhì)條件已有的測(cè)試數(shù)據(jù)，直接引用。本次主要采用通過(guò)硬度、裂隙發(fā)育程度、巖性等來(lái)選取K、α。

根據(jù)隧道進(jìn)口段地形、地質(zhì)條件以及相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的主要巖性為軟巖石，與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)K、α地形、地質(zhì)條件系數(shù)K與衰減指數(shù)α的大小，按照?qǐng)D4來(lái)選取。

圖4 地形地質(zhì)條件系數(shù)K與衰減指數(shù)α關(guān)系

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著地形、地質(zhì)條件系數(shù)K的增加，衰減指數(shù)α也增加，并且二者關(guān)系近似于線性相關(guān)。因此，考慮計(jì)算區(qū)巖性為軟巖石，當(dāng)K取平均值300時(shí)，α也應(yīng)該取平均值1.9。

3.2 爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算

根據(jù)GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定，爆破安全允許距離，應(yīng)按爆破各種有害效應(yīng)核定，并取最大值。爆破振動(dòng)安全允許距離，可按式下式計(jì)算：

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離(m)；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量(kg)；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度(cm/s)；K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。根據(jù)上節(jié)所述，本次選取K、α值分別為300、1.9。

隧道洞口附近主要為土坯房、毛石房屋，同時(shí)含有部分的一般磚房建筑物和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋。其中，土坯房、毛石房屋的振動(dòng)安全允許速度為1 m/s；一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物的振動(dòng)安全允許速度為3 m/s；大型砌塊建筑物和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋振動(dòng)安全允許速度為5 m/s。各類建筑物的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

圖3 土坯房、毛石房屋安全允許距離(V=1.0 cm/s)

表4 一般磚房建筑物安全允許距離(V=3.0 cm/s)

表5 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房安全允許距離(V=5.0 cm/s)

從表3～表5可見(jiàn)，安全允許距離和炸藥量正相關(guān)、與振動(dòng)安全允許速度負(fù)相關(guān)。

3.3 洞口爆破安全距離分析

表3～表5為不同建筑物類型計(jì)算時(shí)的安全允許距離。據(jù)此可以分析確定炸藥量多少、安全允許振速的大小、巖石軟硬程度與爆破振動(dòng)安全允許距離的關(guān)系。采用單個(gè)變量改變的方法，分別確定出關(guān)系圖(圖5、圖6)。

圖5 炸藥量與安全允許距離的關(guān)系

圖6 安全允許振速與安全允許距離的關(guān)系

根據(jù)圖5可知，當(dāng)其他變量一定時(shí)，隨著炸藥量的增加，安全允許距離也增加，也就是說(shuō)，炸藥量越大，影響的范圍越大。由圖6可知，當(dāng)其他變量一定時(shí)，隨著安全允許振速的增加，安全允許距離減小。

計(jì)算得出的最大安全允許距離為139.08 m，此時(shí)Q=330 kg，K=300，α=1.9，V=1.0 m/s；最小安全允許距離為28.41 m，此時(shí)Q=35.7 kg，K=300，α=1.9，V=5.0 m/s。但是，當(dāng)炸藥量為330 kg時(shí)，計(jì)算出的距離應(yīng)該減去200 m，此時(shí)的安全允許距離還在隧道里面，因此，應(yīng)該取炸藥量為98 kg計(jì)算出的最大安全允許距離。所以，爆破振動(dòng)最大安全允許距離R=92.79 m，V=1.0 m/s。

當(dāng)考慮不同建筑物類型的最大安全允許距離時(shí)，可以得出，當(dāng)炸藥量為98 kg時(shí)，土窯洞、土坯房、毛石房屋的最大安全允許距離為92.79 m；一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物的最大安全允許距離為52.04 m；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的最大安全允許距離為32.78 m。

4 結(jié)論

(1)隧道進(jìn)口附近存在具有遇水軟化、膨脹、強(qiáng)度降低、失水收縮、開(kāi)裂、干硬等特征的膨脹土以及易發(fā)生隧道突水、突泥、坍方、掉頂?shù)葹?zāi)害的破碎帶，因此隧道進(jìn)口0～200 m采用以機(jī)械開(kāi)挖為主，必要時(shí)輔以弱爆破的三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工；隨著隧道的深入，地質(zhì)條件得以改善，因此從200～375 m采用技術(shù)更加簡(jiǎn)便，施工成本更加低廉的二臺(tái)階三步開(kāi)挖法施工。

(2)當(dāng)其他變量一定時(shí)，隨著炸藥量的增加，安全允許距離也增加，也就是說(shuō)，炸藥量越大，影響的范圍越大；當(dāng)其他變量一定時(shí)，隨著安全允許振速的增加，安全允許距離減小。

(3)計(jì)算得出本工程最大安全允許距離為139.08 m，此時(shí)Q=330 kg，V=1.0 m/s。但是，由于二臺(tái)階三步開(kāi)挖法距離洞口200 m，計(jì)算出的距離應(yīng)該減去200 m，此時(shí)的安全允許距離還在隧道里面，因此，應(yīng)該取炸藥量為98 kg計(jì)算出的最大安全允許距離。土窯洞、土坯房、毛石房屋的最大安全允許距離為92.79 m；一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物的最大安全允許距離為52.04 m；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的最大安全允許距離為32.78 m。

[1] 趙豐, 薛亞?wèn)|, 李碩標(biāo)， 等. 新建鐵路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距離研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(7): 1365-1371.

[2] 葉培旭，楊新安，凌保林，等. 近距離交叉隧洞爆破對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響[J]． 巖土力學(xué)，2011，32(2) :537-541.

[3] Jong-Ho Shin, Hoon-Gi Moon, Sung-Eun Chae. Effect of blast-induced vibration on existing tunnels in soft rocks[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2011,26: 51-61.

[4] 劉小春, 谷新建, 李方. 城市控制爆破工程的爆破事故和爆破公害研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2002,12(6): 44-47.

[5] 吳子泉, 王成虎, 孫振波, 等. 采礦爆破地震安全距離與設(shè)計(jì)參數(shù)的應(yīng)用研究[J]. 礦冶工程, 2003, 23(6) :7-10.

[6] 潘小馬. 臨近隧道施工對(duì)既有隧道的影響[D].成都:西南交通大學(xué), 2002.

岳弘(1986～),男，本科，工程師，從事工程項(xiàng)目管理工作。

U455.41; U458.1

B

[定稿日期]2016-12-24