隧洞掘進爆破振動對地表建筑物的安全影響分析與研究

張 永， 陳 洪 波， 李 明， 袁 赟

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

春堂壩電站位于四川省小金縣美興鎮(zhèn)加油站下游約250 m處，主要水工建筑物包括：大壩、引水隧洞、開敞式調(diào)壓室、埋藏式壓力管道、廠房等。其中，壓力管道下平段(樁號0+135.6～0+364.4)上方地表有省道S303、小金縣新汽車客運站和公路沿線的居民住宅，所處掘進施工作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜。壓力管道與其上部地表被保護建筑物的平面位置關(guān)系見圖1，地表被保護建筑物與隧洞位置關(guān)系橫斷面見圖2，地表民房與現(xiàn)階段掌子面相對位置關(guān)系見表1。

圖1 壓力管道與地表建筑物平面位置關(guān)系示意圖

序號項目名稱距離掌子面水平距離 /m垂直埋深 /m距爆破點直線距離 /m備注11#民房92.562896.7砌塊建筑物22#民房43.9121.9649.1砌塊建筑物33#民房10.8921.9624.51鋼筋混凝土房屋44#民房13.2621.9625.65鋼筋混凝土房屋55#民房29.8221.9637.03鋼筋混凝土房屋6新客運站57.3621.9661.42鋼筋混凝土房屋

圖2 地表被保護建筑物與隧洞位置關(guān)系橫斷面示意圖

通常，建筑物在爆破振動作用下的安全影響主要是通過分析被保護建筑物地基位置處的V值(安全允許質(zhì)點振速)進行評定。因此，該工程采取的措施主要是對隧洞爆破時地表被保護建筑物所在位置地基的V值進行控制以確保爆破時被保護建筑物處于安全狀態(tài)。

基本思路：依據(jù)春堂壩電站壓力管道下平段隧洞工程的地質(zhì)及水文條件并考慮平段隧洞爆破作業(yè)時將面臨的復(fù)雜周邊環(huán)境，為避免隧洞開挖爆破振動對地表建(構(gòu))筑物安全造成影響，通過以下步驟進行了分析及控制：

(1)根據(jù)規(guī)范確定V值，據(jù)其計算并按影響最小原則確定最大一段的裝藥量；

(2)根據(jù)最大一段裝藥量對壓力管道下平段隧洞工程進行爆破設(shè)計，確定出爆破參數(shù)和爆破方案；

(4)將爆破方案付諸實施。

2 最大一段裝藥量的確定

2.1 最大一段裝藥量的計算公式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722第六章“安全允許距離與環(huán)境影響評價”第6.2節(jié)爆破振動安全允許距離公式整理得最大一段裝藥量計算公式：

(1)

式中Q為炸藥量，齊發(fā)爆破時為總藥量，延時爆破時為最大一段藥量，單位為kg；隧洞開挖為延時爆破，Q為最大一段藥量，下同)；R為爆破振動安全允許距離，單位為m；V為保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速，單位為cm/s，其值可由《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條表4查得；K、α為與爆破點至計算保護對象間與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，其值可由《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條之表5查得。

由以上公式可知：地質(zhì)參數(shù)及震速關(guān)系為：K值越大、V值越小、α越小，最大一段裝藥量越小。

2.2 最大一段裝藥量的計算

(1)根據(jù)現(xiàn)場實際情況、針對不同控制因素進行劃分，取最不利情況分別進行最大一段裝藥量的計算，然后取其最小值進行爆破設(shè)計：

①以安全距離劃分：分為現(xiàn)階段爆破安全距離和穿民房段安全距離兩種情況；

②以保護對象安全震速劃分：分為鋼筋混凝土房屋與砌塊建筑物；

③以圍巖地質(zhì)情況劃分：分為中硬巖、軟硬巖。

(1)鈾尾礦庫下游農(nóng)田土壤中與國家土壤背景值相比，超標(biāo)元素為Cd和U，均值分別超標(biāo)6.89倍和3.16倍。與當(dāng)?shù)乇尘爸迪啾?，分別超標(biāo)4.96倍和2.53倍。

(2)最大一段裝藥量的計算。

根據(jù)表1，鋼筋混凝土房屋的最小安全距離為3#民房，則R=24.51 m，查《爆破安全規(guī)程》GB6722表4及表5，K取250，V取3 cm/s，α取1.5，帶入公式計算得：Q=2.1 kg。同理，計算出的不同情況下的最大一段裝藥量見表2。

2.3 最大一段裝藥量的選擇

表2 不同情況下最大一段裝藥量計算成果表

由表2可知，巖性越軟，在相同的外界環(huán)境下允許最大一段的裝藥量越大，即在軟巖情況下，爆破振動比硬巖要小。另外，根據(jù)以上計算成果推算，如能保證鋼筋混凝土3#、4#民房的穩(wěn)定，即能保證砌塊建筑物2#民房的穩(wěn)定。因此，現(xiàn)階段爆破最大一段裝藥量的控制主要以3#民房為保護對象，穿民房段爆破主要以4#民房為保護對象。

為確保本次爆破試驗單響藥量滿足要求，由表2查得兩種情況下最大一段藥量的最小值分別為2.12 kg、1.52 kg，兩者取小值、最終確定的最大一段裝藥量Q=1.52 kg。

3 爆破參數(shù)的確定

爆破參數(shù)按光面爆破進行設(shè)計：

(1)炮孔個數(shù)N。

N=(q×S)/(α×γ)

式中q為炸藥單位消耗量，kg/m3；S為開挖斷面面積，m2；α為炮眼裝藥系數(shù)，%；γ為炮眼單位長度裝藥量，kg/m。

由設(shè)計圖紙可知，開挖斷面S=17.6 m2，炸藥單耗q取1.2 kg/m3，施工采用φ32和φ25藥卷，則α為0.8，γ為0.78，由此可知N=33個。

(2)周邊孔間距E。

根據(jù)經(jīng)驗公式，周邊孔間距E=(8～18)D。式中D為炮孔直徑，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，鉆爆施工采用手風(fēng)鉆造孔，鉆孔直徑為42 mm，則周邊眼間距為0.34～0.76 m。鑒于目前巖石普遍偏軟，故將初次周邊孔間距確定為0.65 m。

(3)光爆層厚度。

光爆層是指周邊炮孔與最外層主爆孔之間的一圈巖石層。光爆層的厚度即為周邊孔 (光爆孔) 的最小抵抗線。周邊眼密集系數(shù)K與周邊眼間距E及最小抵抗線W的關(guān)系為K=E/W，其大小對光爆效果有較大的影響，因此，必須使應(yīng)力波在相鄰兩炮眼間的傳播距離小于應(yīng)力波至臨空面的傳播距離，即E

4 爆破方案的確定

根據(jù)計算，由于爆破振動計算得到的單響裝藥量不得大于1.52 kg，因此，首次爆破試驗進尺鉆孔深度按照60 cm、單次掘進進尺54 cm控制，起爆網(wǎng)絡(luò)采用掏槽1段，崩落孔3段，周邊孔5段，底板孔7段的方式進行起爆。爆破施工前與監(jiān)測單位聯(lián)系，爆破后立即對數(shù)據(jù)進行分析，以確保最優(yōu)爆破參數(shù)。首次爆破試驗時的裝藥參數(shù)見表3。

表3 用于爆破的主要鉆孔及裝藥參數(shù)表

注：方案中掏槽孔設(shè)計為3個中心空孔+2對斜眼掏槽孔的楔形掏槽炮孔布設(shè)方法。爆破設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)：開挖斷面為17.6 m2；鉆孔個數(shù)為33個；鉆孔深度為60 cm；爆破效率為90%；預(yù)期進尺54 cm；爆破方量為9.5 m3；總裝藥量4.9 kg；炸藥單耗0.52 kg/m3。

5 爆破試驗方案中各類炮孔爆破的地表安全允許質(zhì)點振速驗算

5.1 驗 算

由于工程所處地區(qū)的重要性，根據(jù)爆破安全規(guī)程預(yù)先為各民房分別設(shè)定的V值見表4。

表4 隧洞上方被保護建筑物地表基礎(chǔ)考慮

安全允許質(zhì)點振速驗算采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式：

(2)

式中 各參數(shù)含義同式1。

根據(jù)工程設(shè)計單位提供的勘察成果，擬爆破試驗開挖壓力管道下平段中段隧洞圍巖為風(fēng)化、卸荷巖體，裂隙發(fā)育，完整性差，呈碎裂狀、散體狀結(jié)構(gòu)，可綜合評定為V類圍巖。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條之表5選取與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的振動系數(shù)，統(tǒng)一取K=350，α=1.8進行驗算。

按照開挖爆破試驗方案中各類炮孔的設(shè)計藥量，驗算得到隧洞試驗爆破時各被保護民房距隧洞最近地基位置的安全允許質(zhì)點振速峰值(表5)。

表5 隧洞掘進爆破在上方各民房地基引起的V值驗算結(jié)果表

5.2 分 析

根據(jù)經(jīng)驗公式，針對爆破參數(shù)的驗算結(jié)果并對照表4進行分析得知，在按爆破開挖試驗方案對春堂壩電站壓力管道下平段隧洞進行鉆爆施工時，地表各類建筑物地基處的V值均小于表4中的設(shè)定值及《爆破安全規(guī)程》所規(guī)定的V值，不會對地表各建筑物造成破壞。

6 方案的實施

6.1 方案實施前的建議及要求

方案實施前，項目部結(jié)合相關(guān)方意見、同時對爆破實施過程提出了以下要求：

(1)鑒于隧洞掘進爆破過程及工程區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)情況的復(fù)雜性，在爆破試驗過程中聘請了具有專業(yè)檢測資質(zhì)的機構(gòu)對隧洞開挖爆破振動進行了實時監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)對爆破參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整，盡可能地將爆破所引起的地表建筑地基處安全允許質(zhì)點振速降至最低。

(2)隧洞內(nèi)應(yīng)做好開挖前的預(yù)加固和開挖后的支護工作，以保證爆破開挖時隧洞圍巖不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)鑒于隧洞上方多棟地表被保護民房建筑旁存有高度為3～7 m以上的砂卵石層邊坡，為避免重復(fù)的隧洞開挖爆破振動或雨水沖刷導(dǎo)致這些邊坡發(fā)生失穩(wěn)垮塌，進而影響到民房建筑的安全，在隧洞鉆爆施工期內(nèi)，應(yīng)做好邊坡變形的監(jiān)控量測，根據(jù)測試數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的措施對邊坡進行加固。

6.2 方案的實施

該項目于2014年9～11月對壓力管道下平段下穿民房洞段進行了爆破開挖施工，通過嚴(yán)格按照爆破試驗方案擬定的炮孔個數(shù)、周邊孔間距、光爆層厚度、最大一段裝藥量等爆破參數(shù)進行控制施工，在施工方案的指導(dǎo)下，其過程中根據(jù)爆破開挖的實際情況及監(jiān)測，及時對爆破設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整；為避免對人員造成驚嚇，進而導(dǎo)致相關(guān)糾紛，在每次開挖爆破過程中，對于距離較近房屋中的人員進行了臨時疏散，并在爆破前對周圍房屋的居民采取提前通知預(yù)警等系列安全措施，下平段順利穿過民房下部，安全、順利地完成了爆破開挖施工。

隧洞掘進過程中，通過監(jiān)測，4#民房最不利的情況下監(jiān)測到的最大V值為1.67 cm/s，未超過驗算值1.72 cm/s，也未超過考慮實際情況的設(shè)定值2 cm/s，過程中也未對1#～5#房屋及新客運站造成任何影響，達(dá)到了預(yù)期目的。

7 結(jié) 語

由于該項目的順利實施，初步測算，安全影響分析及爆破方案的有效實施為項目業(yè)主在工程移民搬遷方面、損毀賠償以及工期節(jié)約等方面節(jié)約投資近1 000萬元。

由此可見，在該項目，安全影響分析為現(xiàn)場爆破開挖提供了強有力的理論依據(jù)和指導(dǎo)，避免了大量房屋搬遷和賠償糾紛。該項目的安全影響分析研究應(yīng)用是成功的，可以為類似環(huán)境條件下的工程施工提供一定的借鑒和參考。