孫冰峰，張頂立，陳鐵林，傅洪賢

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.大連市城市建設(shè)管理局，遼寧 大連 116021； 3.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

在目前隧道建設(shè)中，考慮到工程地質(zhì)條件和經(jīng)濟效率，鉆爆法仍然是最常用的施工方法[1]。爆破引起的振動會對周圍建(構(gòu))筑物以及圍巖造成影響，很多學(xué)者針對這兩個方面進行了研究[2-5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過采用非電導(dǎo)爆雷管臺階法隧道爆破及分部法隧道爆破等手段，可以滿足《爆破安全規(guī)程》所規(guī)定的各項指標(biāo)并保證各類建(構(gòu))筑物的安全。盡管國際上已把振動列為7大環(huán)境公害之一[6-7]，但受被影響主體主觀因素等的限制，我國對于振動引起的人員舒適性研究尚處于初始階段。

事實證明，振動對人的影響是一個非常復(fù)雜的過程，它不僅與爆破振動特性有關(guān)，而且還與人的心理和生理狀態(tài)以及環(huán)境條件有關(guān)。張志毅等[8]對某大型工程4年左右的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：地面上的有感振動速度閥值為0.7 m·s-1，心理可容忍的振動速度閥值為5 mm·s-1；隨著維權(quán)意識的增強，居民對爆破振動帶來影響的容忍度越來越低。美國礦業(yè)局調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動速度峰值達到10 mm·s-1時，周邊居民的投訴率高達10%[9]。酈東東等[9]對CMICT碼頭土石方爆破工程進行了實測，提出振動速度峰值不超過5 mm·s-1時，爆破振動一般不會引起居民的反感，這與文獻[8—9]的研究結(jié)果不謀而合；宋志剛等[10]研究了云南省某爆破工程爆破時臨近建筑物內(nèi)人員舒適性，結(jié)合我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》，分析了居民在平臥和側(cè)臥狀態(tài)下的振動引起的人員舒適性標(biāo)準(zhǔn)。姚強、燕永峰等[11-12]基于既有文獻分析了我國爆破振動引起的人員舒適性評價方法的現(xiàn)狀，研究了不同振動速度時人體的感知和爆破振動舒適性評價指標(biāo)；CHEN Shihai等[13]研究了強夯導(dǎo)致的人員舒適性的評價和控制標(biāo)準(zhǔn)；Erim A等[14]對人處于坐姿和站姿時身體結(jié)構(gòu)的阻尼比進行了研究，提出了人體各部位所能感應(yīng)到的振動頻率。綜上所述，目前的研究尚以房屋建筑內(nèi)居民的舒適性為主，而對地鐵車站內(nèi)人員舒適性的研究較少。

本文依托下穿大連地鐵1號線會展中心站的大連市南雁四回路輸電線路改造時電力隧道爆破施工工程，根據(jù)工程設(shè)計文件及試驗段試驗結(jié)果確定電力隧道爆破方案和參數(shù)；基于對振動引起人員舒適性評價指標(biāo)的調(diào)研，選取最大加權(quán)振動烈度(KBFmax)作為評價指標(biāo)；在既有地鐵車站內(nèi)不同位置處布設(shè)振動速度監(jiān)測點，監(jiān)測電力隧道爆破時車站內(nèi)的峰值振動速度及相應(yīng)的主振頻率，同時調(diào)研距離本車站最近的司乘人員和站臺人員的震感；依據(jù)計算得到的KBFmax和車站人員的震感，定量分析下穿隧道爆破施工引起的振動對其站內(nèi)人員舒適性的影響，并提出適用于既有地鐵車站內(nèi)人員的KBFmax，對城市軌道交通車站內(nèi)司乘人員和站臺人員的舒適性研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 隧道爆破方案及參數(shù)

1.1 工程概況

本工程位于大連市區(qū)星海灣廣場附近，區(qū)段地層圍巖以中風(fēng)化的震旦系橋頭組板巖為主，并與石英巖互層組成，根據(jù)勘探結(jié)果圍巖等級確定為Ⅳ級，圍巖的堅固性系數(shù)f=5.2。

暗挖電力隧道在里程為K0+501.623—K0+520.149時下穿大連地鐵1號線會展中心站，剖面位置關(guān)系如圖1所示。該段隧道采用馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌，開挖輪廓為4.4 m×6.15 m，臺階法施工，隧道拱頂距地鐵車站底板7 100 mm，距地面25 223 mm。會展中心站為地下明挖雙層矩形框架結(jié)構(gòu)。

圖1 電力隧道下穿地鐵1號線會展中心站剖面位置關(guān)系圖(單位：mm)

1.2 爆破參數(shù)

電力隧道開挖采用臺階法施工，上臺階開挖高度3 000 mm，下臺階開挖高度3 950 mm，下部施工與拱部一次成環(huán)。為減少同段位起爆藥量，減小對圍巖的擾動，上下臺階采取先上后下的爆破順序，同時，為了方便上臺階扒渣，上下臺階錯開長度控制在3 000～5 000 mm，循環(huán)進尺在1～2榀(750～1 500 mm)。

1.2.1 炮孔布設(shè)

為減輕爆破施工對地鐵車站的影響，電力隧道施工采用預(yù)裂爆破施工法。根據(jù)既有規(guī)范及試驗段測試結(jié)果，確定上下臺階的炮孔布置。上臺階：預(yù)裂爆破區(qū)設(shè)預(yù)裂導(dǎo)向孔和預(yù)裂裝藥孔，孔間距為450 mm；設(shè)3排崩落孔，排距為550 mm，孔距為750 mm；掏槽眼和擴槽眼各設(shè)4個，孔距分別為750和1 500 mm，排距均為500 mm；底板眼孔距為550 mm。下臺階：下臺階設(shè)周邊眼和底板眼，并在下臺階掌子面設(shè)3排炮孔，周邊眼間距500 mm和底板眼均為500 mm，掌子面炮孔孔距800 mm，排距750 mm。炮孔布置位置如圖2所示。

1.2.2 單段最大藥量計算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中引用的薩道夫斯基經(jīng)驗公式，計算爆破一段隧道需要的最大炸藥量Q，計算公式為

(1)

式中：R為爆破振動的安全距離，m；V為保護對象質(zhì)點處的安全允許振動速度，cm·s-1；K和α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的常數(shù)項系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場試驗取得，無試驗數(shù)據(jù)的條件下，可參照表1選取。

該電力隧道圍巖等級為Ⅳ級，系軟巖石，參照表1并綜合試驗段測試結(jié)果，計算本工程單段藥量最大值時取K=250，α=1.9；根據(jù)地鐵公司要求，地鐵車站內(nèi)質(zhì)點振動速度最大值限定為2.0 cm·s-1，即V=2.0 cm·s-1。

1)預(yù)裂爆破區(qū)域單段最大藥量

預(yù)裂導(dǎo)向孔內(nèi)不裝炸藥，它在預(yù)裂爆破中起到釋放圍巖壓力并對雷鋒起到導(dǎo)向作用，減輕爆破過程對周邊圍巖的影響。由于預(yù)裂導(dǎo)向孔的存在，預(yù)裂裝藥孔的爆破振動會有所降低，根據(jù)工程經(jīng)驗降低幅值約為30%，所以K=250×0.7=175，α=1.9，R=7.1 m，V=2.0 cm·s-1；計算得出單段最大炸藥用量為0.31 kg。

2)掏槽區(qū)單段最大藥量

掏槽爆破時，爆破點與地鐵車站底板之間的距離相比于預(yù)裂爆破區(qū)增加了了2.0 m，同時，先行預(yù)裂帶的形成和大型減震孔作用，其振動傳導(dǎo)會有50%衰減，所以K=250×0.5=125，α=1.9，R=9.1 m，V=2.0 cm·s-1；計算得單段最大炸藥用量為1.10 kg。

3)下臺階爆破單段最大藥量

下臺階爆破時，爆破點距地鐵車站底板的距離增加至11 m，上臺階已經(jīng)形成，其振動傳導(dǎo)會有50%衰減，所以K=250×0.5=125，α=1.8，R=11 m，V=2.0 cm·s-1；計算得單段最大炸藥用量為1.94 kg。

1.2.3 開挖爆破參數(shù)

根據(jù)設(shè)計文件和本工程試驗段調(diào)整后的電力隧道爆破施工時各炮孔深度及炸藥量等參數(shù)見表2，同時將爆破施工時各炮孔的雷管段位及不同炮孔在圖2中的表示方式(圖例)列于表2中。

2 評價指標(biāo)及監(jiān)測方案

2.1 評價指標(biāo)

對于主振頻率在1～1 000 Hz內(nèi)的振動，人都能感受得到，但對于環(huán)境振動而言，我們應(yīng)該更加關(guān)注人體反應(yīng)特別敏感的主振頻率在1～80 Hz內(nèi)的振動[13-14]。

表2 電力隧道開挖爆破參數(shù)

很多專家就爆破振動對人員舒適性的評價指標(biāo)進行了一系列的實測研究，得出了相應(yīng)的研究成果，當(dāng)前較為常用的舒適性評價指標(biāo)有3種：最大加權(quán)振動烈度評價方法[16-18]、爆破振動峰值強度評價方法[15]和振動加速度評價方法[19-21]。其中，最大加權(quán)振動烈度(KBFmax)由德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 4150-2提出，該方法定義了瞬態(tài)爆破引起的周期和非周期振動對人員舒適性影響的評價指標(biāo)。具體評價方法為：通過監(jiān)測得到的峰值振動速度(vPPV)和相應(yīng)的主振頻率(f)計算得到KBFmax，當(dāng)其值小于DIN 4150-2所規(guī)定的限值時，則認(rèn)為環(huán)境振動滿足建筑中人員舒適性要求。KBFmax的計算公式為

(2)

式中：f0為高通濾波器的截止頻率，Hz，一般取5.6 Hz；cF為常數(shù)，取值0.6～0.8。

DIN 4150-2第6.5.1條規(guī)定的KBFmax限值，是針對商業(yè)建筑、住宅以及需保護的建筑內(nèi)的人員而提出的，見表3，沒有針對地鐵車站內(nèi)人員。由于運行列車自重及鋼軌不完全平整等因素，正常情況下城市軌道交通系統(tǒng)中也存在一定的振動[21]，可見適用于普通民用建筑里人員的最大加權(quán)振動烈度限值并不適用于地鐵車站內(nèi)的人員。

2.2 監(jiān)測方案

由式(2)可知，影響KCFmax的參數(shù)只有峰值振動速度和主振頻率。為了分析下穿隧道爆破施工引起的振動對既有地鐵車站內(nèi)司乘人員和站臺停留人員的影響，對地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動速度及其相應(yīng)的主振頻率進行監(jiān)測，因此，在地鐵車站內(nèi)(新建電力隧道的正上方)設(shè)置2個監(jiān)測點，分別位于軌道基床表面和車站站臺中央。

3 地鐵車站內(nèi)人員舒適性分析

電力隧道自2016年10月29日開始下穿地鐵車站施工，12月10日穿過車站，歷時共計28天。每天進行爆破作業(yè)1次，則得到監(jiān)測數(shù)據(jù)28組。文獻[22]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相同情況下，位于迎爆側(cè)質(zhì)點的振動速度大于背爆側(cè)。本文選取電力隧道開始穿越地鐵車站到施工至地鐵車站站臺中央正下方的12組監(jiān)測數(shù)據(jù)，取cF=0.8，采用式(2)計算得到KBFmax。每次爆破完成后，向距離本站最近的列車司乘人員以及站臺上停留人員進行調(diào)研，鑒于列車運行過程中本身存在一定程度的振動，所以調(diào)研時更加關(guān)注震感是否與以往乘車體驗不同，故問詢“有無明顯異常震感”。

3.1 列車司乘人員舒適性分析

將上下臺階施工時軌道基床表面的峰值振動速度、主振頻率，計算得到的最大加權(quán)振動烈度，以及調(diào)研得到的司乘人員感受均列于表4和表5。

表4 上臺階施工時軌道基床的評價參數(shù)及結(jié)果

表5 下臺階施工時軌道基床的評價參數(shù)及結(jié)果

由表4和表5可以得到如下結(jié)論。

(1)軌道基床表面的峰值振動速度小于20 mm·s-1，相應(yīng)的主振頻率分布在30～80 Hz之間，最大峰值振動速度為19.1 mm·s-1，滿足《爆破安全規(guī)程》對安全允許質(zhì)點振動速度的相關(guān)規(guī)定。

(2)上臺階施工過程中，司乘人員在10月30日和11月2日感受到了較為明顯的振動，此時KBFmax分別為10.8和9.6；下臺階施工過程中，司乘人員并無明顯異常震感。

(3)當(dāng)軌道基床上質(zhì)點的KBFmax≥9.6時，司乘人員會有較明顯異常震感；而KBFmax≤9.3時，司乘人員無明顯異常震感。

3.2 站臺停留人員舒適性分析

將上下臺階施工時站臺中央的峰值振動速度、相應(yīng)的主振頻率、計算得到的最大加權(quán)振動烈度，以及調(diào)研得到的站臺上人員感受列于表6和表7。

表6 上臺階施工時站臺中央評價參數(shù)及結(jié)果

由表6和表7可以得到如下結(jié)論。

(1)地鐵車站站臺中央的峰值振動速度也小于20 mm·s-1，相應(yīng)主振頻率分布在50～80 Hz之間，最大峰值振動速度為19.5 mm·s-1，滿足《爆破安全規(guī)程》對安全允許質(zhì)點振動速度的相關(guān)規(guī)定。工后檢測發(fā)現(xiàn)，爆破施工期間，車站站臺沒有新增明顯裂縫，既有裂縫也無明顯擴張現(xiàn)象。

(2)上臺階施工過程中，站臺工作人員及候車乘客分別在10月30日，11月2，3，5，7和10日有較明顯的異常震感。

(3)下臺階施工過程中，站臺工作人員及候車乘客分別在10月30日，11月3，4和8日有較為明顯的異常震感；特別是在11月8日，有很明顯的異常震感。

(4)車站站臺上質(zhì)點的KBFmax=11.0時，站臺上的人員有很明顯異常震感，KBFmax≥8.6時，有較明顯異常震感，而當(dāng)KBFmax≤7.7時，無明顯異常震感。

(5)根據(jù)以上分析，建議適用于地鐵隧道內(nèi)人員的KBFmax取值為8.6。

表7 下臺階施工時站臺中央評價參數(shù)及結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)對于軌道基床：當(dāng)KBFmax≥9.6時，司乘人員有較明顯異常震感；而當(dāng)KBFmax≤9.3時，無明顯異常震感。對于地鐵車站站臺：當(dāng)KBFmax=11.0時，站臺上的人員有很明顯異常震感；當(dāng)KBFmax≥8.6時，有較明顯異常震感；而當(dāng)KBFmax≤7.7時，無明顯異常震感。

(2)建議適用于地鐵隧道內(nèi)人員的KBFmax取值為8.6，該值顯然高于DIN 4150-2中對其他建筑物的規(guī)定，這主要是因為地鐵運營時本身就不可避免地存在振動，在這種環(huán)境下，人員對爆破引起振動的承受力也有所提升。