吳 震，王國(guó)舉，梁其鵬

(四川省鐵路建設(shè)有限公司，四川成都610041)

近年來(lái)隨著基建的發(fā)展，隧道數(shù)量也越來(lái)越多，隨之而來(lái)的爆破沖擊波問(wèn)題更加值得研究與思考[1]。目前國(guó)內(nèi)在爆破沖擊波傳播理論以及沖擊波對(duì)圍巖作用的研究中做了大量工作。王磊等[2]依托攀枝花至大理高速公路寶鼎2號(hào)隧道工程，利用LS-DYNA建立數(shù)值分析模型研究隧道內(nèi)爆破時(shí)沖擊波在邊界面隧道內(nèi)的傳播規(guī)律，并根據(jù)不同的區(qū)段提供了相應(yīng)的防護(hù)措施?？椎律萚3]以南京地鐵隧道項(xiàng)目為依托，通過(guò)流固耦合計(jì)算對(duì)地鐵內(nèi)的大爆炸破裂工程進(jìn)行了仿真，并得出了地鐵隧道內(nèi)縱向超壓的衰減規(guī)律。程選生等[4]首先構(gòu)建了對(duì)隧道內(nèi)土體的熱動(dòng)力分析與有限元模型建立，并使用Ansys實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬，得到了在爆炸沖擊波作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)最先在頂部和肩部破壞的結(jié)論。董承全等[5]利用振動(dòng)速度傳感器測(cè)量爆破地震波速度，對(duì)爆破所產(chǎn)生的地震波對(duì)隧道安全的危害展開(kāi)了深入研究。本文主要對(duì)爆破沖擊波形成與傳播機(jī)制進(jìn)行介紹，并對(duì)爆破作業(yè)的危害作出總結(jié)與分析。同時(shí)提出幾種防護(hù)方法保證隧道爆破作業(yè)的安全進(jìn)行。

1 隧道施工爆破沖擊波形成與傳播機(jī)制

爆炸生成物周?chē)膲毫兔芏认啾容^空氣而言較小，導(dǎo)致爆炸產(chǎn)物體積變大。同時(shí)周?chē)目諝鈺?huì)受到壓縮，產(chǎn)生一個(gè)向爆源處運(yùn)動(dòng)的稀疏波，而在空氣中也會(huì)形成一個(gè)沖擊波，稀疏波運(yùn)動(dòng)方向與爆炸產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向相反，而沖擊波與爆炸產(chǎn)物同向運(yùn)動(dòng)。

爆炸物質(zhì)因慣性作用而會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容積不斷擴(kuò)大而壓強(qiáng)則不斷降低，直至其體積超過(guò)某一最大值形成負(fù)壓區(qū)，而由于爆炸區(qū)域內(nèi)氣體被壓縮，慣性作用會(huì)使得爆炸產(chǎn)生的壓力又超過(guò)了空氣原始?jí)毫Γ绱嗽谂蛎浥c壓縮間來(lái)回振蕩，沖擊波的能量逐漸減小。此外，沖擊波在隧道、巷道內(nèi)傳播會(huì)受到隧道壁摩擦力作用，同樣會(huì)消耗能量。最終，當(dāng)沖擊波能量減小到一定程度時(shí)便會(huì)減弱為聲波(圖1)。

圖1 沖擊波的形成與壓力分布

2 爆炸沖擊波危害及預(yù)防

2.1 沖擊波破壞準(zhǔn)則

2.1.1 超壓準(zhǔn)則

超壓準(zhǔn)則的適用范圍為式(1)。

ωT+>40

(1)

式中：ω為目標(biāo)角頻率(1/s)；T+為正相持續(xù)時(shí)間(s)。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)爆破沖擊波超壓作出研究，總結(jié)研究后發(fā)現(xiàn)，沖擊波通過(guò)直接或者間接作用于人體而影響人體的健康與安全。

表1～表3給出了沖擊波超壓對(duì)人和建筑物傷害的關(guān)系。

表1 沖擊波超壓對(duì)人員傷害的關(guān)系

表2 沖擊波超壓與建筑破壞程度的關(guān)系

表3 沖擊波超壓與隧道內(nèi)設(shè)施破壞程度的關(guān)系

2.1.2 沖量準(zhǔn)則

沖量準(zhǔn)則的定義為式(2)。

is=∫T+0[Ps(t)]dt(2)

式中：is為沖量(Pa·s)，Ps為超壓(Pa)。

這些標(biāo)準(zhǔn)雖然比較全面，但也存在著忽略超壓達(dá)不到一定值時(shí)對(duì)目標(biāo)的破壞作用的缺點(diǎn)，無(wú)論超壓和沖量持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，目標(biāo)都不會(huì)被破壞。沖量準(zhǔn)則的適用范圍為式(3)。

ωT+<0.4

(3)

ω、T+與式(1)相同。

不同的沖量強(qiáng)度對(duì)建筑物的損傷程度也有所不同，以下提供了隧道內(nèi)爆破沖擊波沖量對(duì)建筑物損傷程度有關(guān)的資料，見(jiàn)表4。

2.1.3 超壓-沖量準(zhǔn)則

該規(guī)則指出，傷害效應(yīng)主要由超壓Ps和沖量is共同決定，見(jiàn)式(4)。

(Ps-Pcr)×(is-icr)=C

(4)

式中：Pcr為臨界超壓值；icr為臨界沖量值；C為常數(shù)。

表4 空氣沖擊波超圧沖量與建筑物破壞程度關(guān)系

2.2 沖擊波超壓預(yù)測(cè)應(yīng)用

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，可以按照對(duì)人體損傷的程度的大小將沖擊波超壓的標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)。超壓值小于2 kPa時(shí)，沖擊波對(duì)人體無(wú)損傷；對(duì)于掩體中的爆破作業(yè)人員安全允許標(biāo)準(zhǔn)為10 kPa；當(dāng)超壓值達(dá)到20 kPa時(shí)，沖擊波會(huì)對(duì)人體器官產(chǎn)生巨大傷害，甚至對(duì)施工人員及周邊人員的生命安全產(chǎn)生威脅。

根據(jù)上述分類(lèi)，可將沖擊波影響范圍劃分區(qū)域，如圖2所示。

圖2 隧道內(nèi)沖擊波傳播分區(qū)

由式(4)可以計(jì)算劃分區(qū)域的大小，表5為不同裝藥量情況下的爆破作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 幾種裝藥量情況下作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 沖擊波安全防護(hù)

由圖2所劃分的隧道內(nèi)沖擊波傳播分區(qū)總結(jié)出隧道開(kāi)挖中的避炮原則：

(1)無(wú)關(guān)人員及爆破施工人員均不能進(jìn)入該警戒范圍。

(2)爆破施工人員只能在警戒范圍外施工。

(3)非爆破作業(yè)人員必須在疏散區(qū)域外，在疏散區(qū)域較大時(shí)，可以通過(guò)交叉通道進(jìn)入相鄰隧道。一般來(lái)說(shuō)，在距離掌面1 000 m的范圍內(nèi)，必須有一條水平通道可以通過(guò)。

除了上述避炮原則外，控制沖擊波強(qiáng)度以及安全允許距離也是決定施工安全的關(guān)鍵。

另外，施工過(guò)程中可以考慮在爆源附近建造安全防護(hù)障礙物，通過(guò)消耗沖擊波能量來(lái)達(dá)到削弱強(qiáng)度的目的。我們可以從洞內(nèi)和洞口2個(gè)位置分別考慮削弱沖擊波強(qiáng)度：

(1)在洞內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，沖擊波從洞內(nèi)向洞外傳導(dǎo)，期間由于與洞壁四周存在摩阻力其能量會(huì)逐漸減弱，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)擋板以增強(qiáng)此阻力。

(2)沖擊波傳播到洞口處時(shí)扔可能對(duì)洞外人員及建筑物造成破壞，故在洞口處還可設(shè)置一處防護(hù)障礙物。例如在洞口外一定距離放置一處有足夠高度及寬度的擋板，使沖擊波能量進(jìn)一步被削弱以滿足安全要求。

3 總結(jié)

通過(guò)上述分析，施工方可通過(guò)疏導(dǎo)以及構(gòu)筑障礙物的方法控制空氣沖擊波的形成與傳播，以期達(dá)到相關(guān)規(guī)定中安全允許距離的要求。

(1)在爆點(diǎn)附近安放警戒牌，避免無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。

(2)在施工前進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，確保爆破作業(yè)的實(shí)際影響符合設(shè)計(jì)要求。

(3)在沖擊波傳播過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行削弱。

(4)不在有利于空氣沖擊波傳播的條件下進(jìn)行爆破作業(yè)。

隧道施工中爆炸沖擊波傳播的途徑多、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，需要根據(jù)具體的施工條件來(lái)設(shè)計(jì)爆破方案，來(lái)確保人員、建筑物、設(shè)施等的安全。