魏立恒，倪修能，郭洪雨，孫 飛，葛藝超，夏兆平，王國波

(1.上海寶冶集團有限公司，上海 201900；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310000； 3 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，溫州 325000)

伴隨城市交通需求日益增高,城市交通建設(shè)過程中不可避免的遇到建設(shè)城市隧道，城市隧道及地下交通的開挖方法主要有機械開挖法如TBM和盾構(gòu)等，然而，部分隧道由于其巖層、成本和工期等各方面的限制，需要選擇成本和工藝較為簡單，效率亦不低的鉆孔爆破法。該方法由于其爆炸的高風(fēng)險、高振動等問題，最初應(yīng)用于礦業(yè)和跨城鐵路等工程上，隨著鉆孔爆破技術(shù)的發(fā)展，越來越多的城市內(nèi)交通隧道開挖亦采用該方法。該方法提高了開挖掘進速度，節(jié)約成本，但在建筑密集的城市區(qū)域開展隧道鉆爆開挖，產(chǎn)生的爆破等對附近既有建筑的影響則需要重點關(guān)注[1]。

爆破振動對周邊建筑物的影響，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究[2-7]，取得了顯著的成果，我國曾三次組織修編《爆破安全規(guī)程》，為爆破實際工程提供了可靠的技術(shù)保證。然而隧道受夾持作用以及周邊密集建筑物復(fù)雜環(huán)境的影響[8-13]，給隧道爆破開挖帶來很多新的挑戰(zhàn)。對隧道爆破開挖主要集中在對周圍巖土的影響以及振動控制方面，諸多學(xué)者進行了深入廣泛的研究[14-17]，而臨近建筑的振動響應(yīng)以及控制的研究主要集中在城市地鐵隧道，主要針對軟土中的隧道開挖[18-20]。而對于隧道周邊建筑物的振動以及相應(yīng)的減振控制措施的研究則較少。主要原因有兩個方面：(1)一般的爆破開挖隧道主要集中在遠離城市或者居住聚集的地區(qū)，周邊建筑物較少或者較遠，因此，相關(guān)的工程案例較少；(2)對于周邊建筑較為密集且距離較近的隧道，施工方法往往采用非爆破的方法開挖，如盾構(gòu)法施工，TBM法開挖等。對于城市區(qū)域周邊建筑布置復(fù)雜密集且距離近，又必須要采用爆破開挖的隧道掘進工程則需要重點關(guān)注爆破開挖過程中周邊建筑物的振動影響，并判斷是否需要采取進一步的減振措施。本文依托浙江省富陽市越嶺城市隧道鉆孔爆破工程，分析爆破對周邊密集建筑物的振動影響，并判斷爆破引起建筑物振動安全；根據(jù)經(jīng)典的薩道夫斯基公式，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測振動數(shù)據(jù)，分析進口和出口相同圍巖等級振動速度的衰減規(guī)律，確定合理參數(shù)值，計算不同爆破當(dāng)量下振動速度隨著距離的衰退演化曲線，提出爆破開挖前采用機械開挖的方式進行減振的措施，并根據(jù)建立的預(yù)測曲線，給出最小機械開挖距離。

1 工程概況

該公路隧道是富陽市“二環(huán)二縱二橫一輔二通道”總體路網(wǎng)框架的重要一環(huán)，為一級公路越嶺隧道，設(shè)計速度80 km/h，抗震設(shè)防為B類隧道，設(shè)防烈度為Ⅶ度；左右洞呈分離布置(圖1)，左線全長2320 m，右線全長2335 m，屬于長大隧道。進口洞門采用削竹式洞門，出口洞門采用端墻式洞。

圖1 隧道雙洞布置Fig. 1 Double tunnel layout

進口段為雙向6車道，單洞為3車道，3車道隧道行車道寬度為11 m(3.5 m+2×3.75 m)，單洞建筑界限總寬13.75 m。出口段為雙向8車道，單洞為4車道，行車道寬度為14.5 m(3.5 m+2×3.75 m+3.5 m)，單洞建筑界限總寬17.75 m。

隧道穿越低山壟崗區(qū),地表第四系覆蓋層較厚。進出口地形為低山斜坡地形，上覆坡洪積含圓礫粉質(zhì)粘土，隧道圍巖的劃分長度見圖2和表1，其中左右線Ⅴ級圍巖劃分長度分別為336 m和315 m，分別占總長的14.48%和13.49%，主要集中在洞口。隧道進出口的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)見表2，從表中可知，左右線的進出口的Ⅴ級圍巖，主要的物理力學(xué)參數(shù)相同，但是圍巖的完整性系數(shù)差異較大，進口段的完整性系數(shù)要低于出口。

表1 隧道圍巖等級劃分長度Table 1 Length of tunnel surrounding rock grading

圖2 隧道圍巖等級劃分Fig. 2 Classification of tunnel surrounding rock

表2 進出口圍巖狀況Table 2 Status of surrounding rock of inlet and outlet section

2 隧道周邊建筑位置

開挖隧道進出口段的周邊建筑布置呈現(xiàn)密集復(fù)雜且極近的特點(圖3)，周邊建筑具體距離隧道間距見表3?？芍淼肋M口段周邊建筑類型復(fù)雜，包括公墓、廠房等，最近的公墓距離隧道洞口僅25 m，而出口段建筑物主要為住宅區(qū)民房，最近距離30 m。如此近的距離以及復(fù)雜的建筑類型和布置，對于爆破是施工振動對周邊建筑物的影響需要重點關(guān)注。因此，在進出口段爆破開挖時，對周邊建筑物進行振動監(jiān)測，一方面監(jiān)測振動影響，及時避免振動速度過大對建筑結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響，另一方面，通過對振動速度以及主振頻率的分析，確定最優(yōu)的機械開挖距離，為后續(xù)相關(guān)工程提供參考。

表3 隧道與附近建筑物的方位距離關(guān)系Table 3 The distance between the tunnel and nearby buildings

圖3 進口段和出口段開挖前后空間位置關(guān)系Fig. 3 Spatial position relationship before and after excavation of inlet and outlet section

3 現(xiàn)場監(jiān)測方案及評價標(biāo)準(zhǔn)

3.1 監(jiān)測方案

本次對出口段和進口段的周邊建筑物采集爆破源附近民房建筑振動情況。對于進口段選取2個測點，圖4(a)，選取距離隧道洞口最近(約30 m，距離首次爆破點距離150 m左右)3幢建筑物作為測點1；選取距離隧道洞口約320m的2幢建筑物作為測點2。隨著爆破掘進，爆破點與建筑物的距離增加，2個測點距離爆點的位移會發(fā)生變化(表4)。圖4(b)為出口段，選取4個測點作為監(jiān)測對象，測點1位距離隧道洞口最近(約25 m，距離爆點位置30 m)的3幢建筑物附近地面，測點2選取距離隧道洞口前方大約210 m的2幢建筑物附近地面，測點3與測點1類似，為距離隧道洞口最近(約30 m，距離爆點位置30 m)的建筑物地面。測點4為與隧道洞身平行，距離洞口約180m的2幢建筑物地面。測點與爆點距離見表4。

圖4 測點布置Fig. 4 Layout of measuring points

表4 振動測點與爆點的距離(測試時)Table 4 Distance between vibration measurement point and explosion point(during testing)

根據(jù)現(xiàn)場爆破開挖施工進度安排，從2020年10月14日到2021年2月28日對進口段附近建筑物進行振動跟蹤監(jiān)測；從2020年8月15日到2020年12月20日對出口段附近建筑物進行振動跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備采用L20爆破測振儀、L20-S爆破測振儀和SW-600A型測距望遠鏡。

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)及安全評價

本次隧道爆破開挖振動對周邊建筑的影響安全標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》(后稱《安全規(guī)程》)中13.2中的規(guī)定[21]：地面建筑物等的爆破振動判據(jù)，采用地表質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率，判斷標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Safety allowable range of vibration velocity in code

由表5可知，本次保護對象主要為一般民用建筑物，安全允許的振動速度為：振動頻率不超過10 Hz時，安全振動速度不超過2.0cm/s；振動頻率在10 Hz和50 Hz之間時，安全振動速度不超過2.5 cm/s；振動頻率超過50 Hz時，安全振動速度不超過3.0 cm/s。由于該隧道附近建筑物類別復(fù)雜，且位置距離隧道口較近，在爆破設(shè)計過程中對于振動速度的控制要求為：一般民用建筑物振動控制在2.0 cm/s以內(nèi)，塔基、電桿和公墓控制在3.0 cm/s以內(nèi)。綜合《爆破安全規(guī)程》和設(shè)計要求，設(shè)定振動控制速度為：主振頻率超過50 Hz時，則振動控制速度為3.0 cm/s，主振頻率低于50 Hz時，則振動控制速度為2.0 cm/s。

采集進出口段爆破開挖過程中周邊建筑附近地面的振動速度和主振頻率，以三個分量的最大振動速度值作為爆破振動速度值，分析主振頻率與振動速度的關(guān)系，如圖5，圖中可知，進口段振動速度在不同主振頻率下，均滿足《爆破安全規(guī)程》的要求亦滿足設(shè)計要求，出口段僅有1次超過了《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定?？傮w上，此次進出口段的爆破振動滿足設(shè)計要求。爆破當(dāng)量與主振頻率之間的關(guān)系(圖6)，圖中可知，進出口段振動頻率小于10Hz情形較少，主要分布在50 Hz以上，進口段最大主振頻率不超過200 Hz，出口段不超過150Hz，總體上，振動速度表現(xiàn)為振動速度低，主振頻率高的特點，爆破當(dāng)量與振動頻率不存在正比或反比關(guān)系。

圖5 進出口段爆破振動頻率和振動速度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between blasting vibration frequency and vibration velocity in inlet and outlet section

圖6 進出口爆破當(dāng)量與振動頻率的關(guān)系Fig. 6 Relation between inlet and outlet blasting equivalent and vibration frequency

4 監(jiān)測結(jié)果與參數(shù)分析

為了分析爆破單響藥量、振動速度及爆點距離之間的關(guān)系，采用《爆破安全規(guī)程》認(rèn)可的薩道夫斯基公式進行分析

V=K(Q1/3/R)α

(1)

式中：V為振動速度,cm/s；Q為最大一段起爆藥量(單響藥量),kg；R為保護對象離爆破中心的距離,m;K和α為地形、地質(zhì)(場地)系數(shù)及衰減系數(shù)，其取值見表6。按照表中的推薦值，K和α初步分別確定在250～350和1.8～2.0范圍內(nèi)。

表6 不同巖性K和α參考取值Table 6 Reference values of K and α for different lithologies

選取三個爆破當(dāng)量作為分析對象，分別為：(1)爆破當(dāng)量的平均值；(2)爆破當(dāng)量的平均值與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之和；(3)爆破當(dāng)量的平均值與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之差；具體見表7。K、α分別選擇350和1.9，進出口段的爆破振動速度實測值與不同當(dāng)量下的計算值進行對比，分別見圖7和圖8，圖7為進口段，可見選取的K、α能夠基本符合實際情形，為了確保振動速度在安全范圍內(nèi)，大部分實測振動速度應(yīng)當(dāng)在薩道夫斯基公式計算曲線之下，從而確保計算預(yù)測值作為振動控制的上限?？紤]進出口圍巖等級相同，圖8(a)中選取的K、α值與進口段相同，圖中可知，不同當(dāng)量的計算預(yù)測曲線雖然能夠保證實測值在曲線之下，但是偏離實測值較大，按照這個K、α值計算，若距離爆點越近，則會偏離越遠，誤差越大，需要采用的減振措施更為嚴(yán)格，成本相對增加。對比進出口的圍巖狀況(表3)可知，雖兩者大部分物理力學(xué)參數(shù)相同，但兩者的完整性系數(shù)差異較大，出口段的圍巖完整性系數(shù)高。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中K，α的取值特點，圍巖越堅硬取值越小，考慮到出口段完整性比進口段好，其取值應(yīng)小于進口段，另一方面，進出口段均屬于V級圍巖，取值應(yīng)在《爆破安全規(guī)程》中軟巖石的取值范圍內(nèi)，因此，出口段的K、α取值分別在250～350和1.8～1.9之間進行取值，通過遍歷法并與實測值進行對比，確定了出口段的兩個參數(shù)的取值，分別取250和1.85，見圖8(b)，圖中可知，雖修正后的差異并不大，但與實測值更加接近，因此，在進行K、α取值過程中，除了考慮圍巖等級的因素，還需要考慮圍巖完整性系數(shù)，相同圍巖等級下，完整性系數(shù)越高，則K、α越小。

圖7 進口段振動速度實測值與公式計算值Fig. 7 Measured value and calculated value of vibration velocity in inlet section

圖8 出口段實測振動速度與計算值Fig. 8 Measured vibration velocity and calculated value of outlet section

表7 現(xiàn)場爆破當(dāng)量計算取值Table 7 Calculation value of on-site blasting equivalent

根據(jù)確定的進出口的K、α值，依據(jù)薩道夫斯基公式，對進出口距離爆點不同位置的振動速度進行計算，見圖9，起始距離為進出口距離隧道洞口位置最近的建筑物分別為25 m和30 m(表4)，爆破當(dāng)量分別要涵蓋本項目爆破當(dāng)量實際最值和平均值，進出口段分別取10 kg、100 kg、200 kg和20 kg、125 kg、250 kg，由圖9可知，根據(jù)設(shè)計要求的2.0 cm/s的控制振動速度，若采用最大爆破當(dāng)量，爆點距離建筑物最少要分別超過90 m和85 m，若采用最小爆破當(dāng)量亦會使得振動速度超過設(shè)計要求，而爆破當(dāng)量過小會導(dǎo)致進尺小，成本增加。因此，建議本項目的洞口位置一定范圍內(nèi)不采用爆破開挖，采用機械開挖，機械開挖的長度要確保初始爆破距離超過90 m和85 m。進口段機械開挖距離建議超過30 m，出口段建議超過20 m。

圖9 不同距離下進出口段計算振動速度Fig. 9 Calculation of vibration velocity in inlet and outlet section at different distances

5 結(jié)論與建議

根據(jù)大盤山城市越嶺長隧道進出口段爆破開挖過程中對周邊建筑振動影響的實際監(jiān)測和分析得出如下結(jié)論：

(1)隧道爆破開挖地震波衰減系數(shù)K、α取值要考慮圍巖的完整性，即完整性越好取值越低；

(2)建議本工程進口段K、α值分別為350和1.9，出口段250和1.85；

(3)隧道爆破開挖距離洞口的起始位置，分別為距離洞口90 m和85 m；

(4)對于這種臨近建筑物類型復(fù)雜，且距離極近的山嶺隧道開挖，建議采用非爆破的方法開挖一段距離后再進行爆破開挖。