闫鸿浩，赵晓磊，李晓杰，王小红
（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024）
[摘要]城市浅埋隧道采用钻爆法掘进，往往涉及下穿居民区。根据理论计算及现场调整参数，上台阶爆破采用先行预裂带和增设掏槽隔振空眼等手段，经过现场爆破振动测试，采用先行预裂带等手段可以使爆破振动速度降低到国家标准的50%以下。为保护居民与业主及施工单位的权益，综合考虑现场地质地貌及前人的结论，进行爆破振动测试时采用垂直于掘进方向布点，并通过最小二乘法反演得到萨道夫斯基公式中的K，“值，再根据所得参数及萨道夫斯基公式计算出影响距离，得出该地质条件下的振动影响距离为38m。
[关键词]隧道工程；地铁；爆破；振动；先行预裂带
[中图分类号] U452.2；U455.6 [文章编号]1002-8498( 2016) 01-0082-06
0 引言
近年来，越来越多的城市为减轻地面交通的压力，开始规划或建设城市地铁。地铁线路大多需穿越城市繁华区域，相对于明挖法会阻断交通、涉及居民区拆迁等可能存在扰民的特点而言，浅埋暗挖法具有灵活多变，不影响交通，拆迁占地少等优点，目前已被各大城市地铁工程广泛应用。考虑到盾构法的成本问题以及对地质发生变化时的不适应性，钻爆法仍将是岩石隧道掘进的主要方法。
在隧道爆破振动试验的有关研究中，给出了掌子面后方因“空洞效应”的存在导致衰减规律不符合萨道夫斯基公式，掌子面前方振动规律符合。试验表明凹形地貌对爆破振动有衰减效应而凸形地貌对振动有放大效应。在沪蓉西高速公路ZK107+157-ZK107 +268段路堑边坡爆破振动测试中给出了建筑物的安全距离判据。但对城市浅埋隧道的爆破振动区域划分的有关文献较少。
城市地铁以浅埋隧道为主，施工周期长，在涉及穿越居民区爆破开挖时产生的振动难免会对周围民宅产生影响，很容易对一些老百姓产生爆破“扰民”或“民扰”爆破的情况，对居民的身心健康与施工的顺利进行会造成不可估量的影响。
一般来说，浅埋地下工程爆破减振常用方法有以下几种：①选择合理的掏槽方式；②选择合适的炸药品种；③选择合适的起爆时差；④选择合理的开挖方式；⑤选择合理的循环进尺；⑥适当的装药结构和爆破方式；⑦选择合适的炸药单耗。采用了加打隔振空眼和根据实际情况调整掏槽方式，获得良好的爆破效果。限制最大单段药量、缩小进尺、随时调整爆破参数、采用超前小导坑等复合手段，成功地控制了爆破振速通过危房段。
在2011-2013年大连地铁隧道爆破施工期间，居民反映爆破振动对其房屋造成较严重影响。为充分考虑居民权益，同时维护业主及施工单位权益，划分隧道爆破的影响区域非常必要。
1 工程概况
大连市地铁一期工程212标段由中铁十一局承担，包括机辛区间，线路分左、右双线，线间距12.5~15m。机辛区间设计里程为右线里程CK26+577. 093-CK29+220. 166，右线全长2 643. 073m，左线长2 771. 791m，含长链28. 718m。区间隧道结构最大覆土厚度为23. 27m，最小覆土厚度为10. 91m，变化幅度相差较大。区间于右线DK27+128. 700和DK28 +655. 000处分别设置1座施工竖井，DK28 +105. 300处设置1座通风机房。Ⅲ，Ⅳ级围岩开挖断面面积约31. 5m2。
该施工地貌为山前冲洪积平原，上覆第四系人工堆积层，第四系全新统冲洪积粉质黏土、碎石层，第四系上更新统坡洪积黏土层，下伏震旦系南关岭组泥灰岩，并有燕山期侵入的辉绿岩，岩体较完整，局部节理裂隙较发育。隧道围岩主要为中风化泥灰岩，局部发育岩溶。该地层岩石纵波波速3 500m/s，抗压强度40~60MPa。地下水为基岩裂 隙水，主要赋存于中风化泥灰岩的裂隙以及溶隙中。
经实地考察，居民普遍反映较强烈的住宅均为由毛石砌成的毛石房屋，外墙水泥勾缝，建筑时间长短不一，大部分为平房，窗角、墙角等处有裂纹存在，按《爆破安全规程》GB6722-20031规定应划归为“土窑洞、土坯房，毛石房屋”一类。
2 监测内容
综合前人研究结果，选择在掌子面垂直掘进方向测试有如下几点原因：①能不受掌子面后方空洞效应的干扰；②测试地点在居民住宅附近可真实反映出住宅振动大小；③可避免在凹凸地形产生的衰减、放大效应的干扰。布点尽量垂直于隧道走向，以掌子面为对称面，按照近密远疏原则，共放置12台仪器。爆破测振仪为三通道并行采集，设置采样率为2K，振动时长设定1s，触发选择0.02cm/s。测量爆破时不同距离下的振动速度，用以反演爆破振动衰减系数，并根据测试所得3个方向的分速度及合速度，拟合其公式。爆破振动测试布点如图1所示。为确保距离测量准确，调阅施工进度图及现场测量部有关人员，用GPS卫星定位掌子面位置及测距仪测量，并在测点上做好标记。
3 爆破方案设计
3.1炮孔深度
炮孔深度不仅决定爆破循环进尺与掘进速度，而且影响爆破效果，是爆破地震效应的主要影响因素之一。根据勘探结果，该场地辉绿岩为中等硬度，为防止爆破产生较大的夹制力导致炮孔利用率降低，应采用合适的炮孔深度。选择合适的炮孔深度可以减轻爆破产生的地震效应，保护围岩。因此，上台阶循环进尺暂定为0. 75m，孔深0.8m。
3.2上台阶爆破选择方案
隧道掘进爆破的炸药单耗主要与岩性和开挖断面积有关。但是本工程爆破设计主要考虑爆破振动速度必须满足《爆破安全规程》的要求。利用萨道夫斯基公式计算爆破最大一段装药量。计算时分别考虑3个部位：预裂爆破区域、掏槽区域、辅助孔及次周爆破区域。
由于爆破最大振速决定于最大单段药量。爆源与需要保护的建筑物之间的距离R是已知的（根据现有资料表明拱顶埋深平均15m左右），可以用 萨道夫斯基公式，求算掏槽部延时爆破最大一段装药量。
保护对象所在地质点振动安全允许速度，本设计取1. 0cm/s；K，a为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，本次检算时围岩为IV级，主要为中风化泥灰岩，考虑K取200，a取1.8。
1)经过计算预裂带区域最大一段起爆药量为 0. 49kg（相当于2.5卷炸药，每卷200g）。
2)掏槽爆破时，爆破点距离保护物体增加了1. 6m距离。经过计算掏槽区域最大一段起爆药量为0. 67kg（相当于3卷炸药，每卷200g）。
3)辅助孔及次周爆破区域：当掏槽完成后，紧接后续爆破，根据经验其产生的振动较掏槽小。依照最小15m距离计算，该区域最大一段起爆药量为0. 49kg（相当于2.5卷炸药，每卷200g）。
4)楔形掏槽能为辅助眼爆破创造较好的临空面，可以有效减少辅助眼爆破时的振动强度。但楔形掏槽倾角需对称，倾角不对称时会严重影响炮孔利用率、槽腔深度和槽腔体积。角度小爆破效果好，但钻孔困难，角度大效果差，多次现场试验后将角度定为550。空孔每次打设10m，目的是提供局部临空面，从而在楔形掏槽中减轻岩石的夹制作用，从而达到减振效果。
3.3炮眼参数（见表1）
3.4炮孔布置
按上述参数进行炮孔布置，如图2所示。
3.5起爆网路
为降低最大一段齐发爆破药量，应充分使用奇数段别雷管。为实现逐孔起爆，应将爆破断面分区或分排，并采用孔内外微差的方式进行，起爆网路如图3所示。其显著特征是：区域之间采用MS-2，MS-7，MS-9段非电导爆管雷管过渡。
3.6起爆顺序（见图4）
3.7装药结构
预裂孔采用中部装药，其余采用孔底连续装药，封堵0. 60m。
3.8 振速验算和爆破参数调整
根据最大一段装药量通过萨道夫斯基公式反算爆破振动速度如下：
预裂爆破区域最大一段起爆药量为0. 40kg，民宅处的爆破振动计算：
掏槽爆破时，爆破点距离保护物体又有了1. 6m距离增加，掏槽区域最大一段起爆药量为0. 40kg（相当于2卷炸药，每卷200g），民宅处的爆破振动计算：
辅助孔及次周爆破区域，最大一段起爆药量为0. 40kg（相当于2卷炸药，每卷200g），民宅处的爆破振动计算：
爆破参数调整：爆破参数从最小单段药量开始，保持起爆网路不变，第1次严格按照方案中爆破参数施工，在地面最近建筑物处测爆破振速，根据实测数据调整下一次的爆破参数。另外也需根据实际地质情况进行灵活的调整。根据试验爆破的进尺和岩层断面大小调整炮眼深度和炮眼圈数（排数）；根据爆破岩块的大小、围岩松动范围调整装药量；根据围岩硬度调整炮眼单位面积布置个数。
4 测试结果及分析
爆破监测数据记录如表2所示。
4.1 爆破振动衰减规律
国内外普遍采用萨道夫斯基公式表达：
式(1)中能反映爆破的振动衰减规律的是式中K，a这2个参数可用最小二乘法计算反演其大小，反演的基础是有适量的数据，每套数据包括最大单段药量Q(kg)，距离R(m)，振动速度V(cm/s)。
观察萨道夫斯基公式，可知爆破振动速度受到装药量以及最大一段齐发爆破药量的影响。除此之外，爆破振动速度也与爆源和被测点之间距离有关。
将式(1)两边取自然对数变为线性方程：
对于测试所得的多组V，Q，R数据，代入上式得到（xi,yi）。为确定系数a，b通常采用最小二乘法，即要使
达到最小。根据极值定理，a，b满足下列方程：
根据《爆破安全规程》，K，a值的确定与爆破地点周围的地形、地质构造等因素有一定的关系。
4.2振动分析
1)测试地点为掌子面正上方（56号仪器）的合速度为1. 349 4cm/s（见图6），比设计的控制标准1. 0cm/s略有提高，但比对《爆破安全规程》中的爆破振动允许标准，对于一般砖房，在频率50~100Hz时，安全允许速度为2.7~3. 0cm/s。若参考国标中的土坯房、毛石房的标准(1.1~1. 5cm/s)，也符合标准。测试结果比国家标准降低了50%以上。如需继续控制振动，可增打隔振空孔，减少掏槽药量，但是工期与成本也随之延长和增加。虽超出设计指标(1. 0cm/s)，但仍处于可接受范围内，周边居民反馈良好。
2)分析振动图谱6，总体振动时间长度约为1 200ms。对比起爆网路图，最长的持续历程为1240ms,与测试时长基本相当。振动图谱在-400~- 250ms区间对应的是预裂爆破区域，- 200~- 100ms为掏槽爆破振动区域。
3)从图6也可以看出，预裂爆破区域最大振动合速度0. 85 cm/s，而掏槽区域最大振动合速度1. 349 4cm/s。前者爆点距离地面直线距离15m，后者距离地面直线距离16. 6m，大于前者，在相同的单段药量0. 4kg下，前者的振动速度应大于后者，但由于预裂孔两侧的大孔临空面存在，振动速度得到了显著降低，降低幅度约为37%。这表明大孔临空面确实起到了降低爆破振动效果。
4)采用这种孔外微差起爆网路，并未发现盲炮现象。该网路有一定可靠性，只是对爆破工程技术人员提出了更高要求。
5振动区域划分探索
5.1爆破器材的使用
大连地铁对爆炸物品的领用管理严守安全防线，并为此制订了详细严格的安全规范，确保调用准确数据无误。2011年10月13日-2011年12月18日，共用炸药13 536kg，雷管21 960发，单发雷管承担的平均药量0. 616 3kg。采用直径32mm，长200mm的乳化炸药，单卷炸药0.2kg，约为3卷。隧道爆破掏槽孔的装药量是平均单发雷管承担药量的2倍，即每孔1. 2kg。
5.2受振动影响的区域划分
爆破方案中掏槽孔数为6个，设计上是单孔起爆，为考虑爆破振动的偶发最大影响范围，把单段药量设定为6个掏槽孔齐爆药量，即7. 2kg。
1)根据《爆破安全规程》，对各种爆破对不同类型建（构）筑物和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。，隧道爆破属于浅孔爆破，其振动主频分布在50 N100Hz（见表2），但距爆源越远频率也就越接近房屋固有频率，有时会出现距爆源近未破坏但距爆源远却出现破坏的情况。考虑到上述情况、施工长期性及居民舒适性，根据国家标准，对于“土窑洞、土坯房、毛石房屋”爆破振动速度允许范围选择
1.1~1. 5cm/s。划定影响区域，为更加充分考虑居民权益，选定其下限1.1 cm/s，不选择上限，这样更有利于扩大振动影响区域。
根据已知隧道爆破单段最大药量7. 2kg，以及K，a值，代回萨道夫斯基公式中即可得出R。扣除埋深及隧道宽度，爆破振动影响范围（水平距离隧道边界）R≤38. 0m。
2)根据测试结果、一段时期内爆破器材领用情况以及爆破方案，对于进尺1. 5m的隧道爆破，掏槽孔单孔装药量正常。单段最大药量严格按照爆破设计方案的爆破参数核定，而测试中实际药量均为单孔起爆。将掏槽孔爆破均考虑为齐发而不是实际中的单发，增大齐发药量。该齐发药量理论上引起的振动更大，有利于扩大振动影响区域。测试时，针对试验实际起爆网路，由于单段药量小，在18m处的振动速度<1.1cm/s;38m这一距离是考虑偶发掏槽孔齐爆下距离，比试验高。
当掏槽齐发药量为7. 2kg时，得出R约为44m，扣除埋深及隧道宽度为38m;当掏槽齐发药量为该次测试中的0. 4kg时，R约为17m，扣除埋深及隧道宽度影响范围仅为10m左右（与实际测试相符）。可见，若按照爆破方案来计算，使受振动影响范围大幅缩减，不利于保护居民权益。
通过表2可以看出测试点与爆源直线距离>18m时爆破振动已经<1.1cm/s，但测试点与爆源的水平距离仅为10m左右。将爆源与影响区域间的水平距离扩大至38m，此时直线距离为41m，理论上引起的振动更小，有利于扩大振动影响区域。
6 结语
1)采用先行预裂带结合延时控制爆破的方案，可以很好地控制爆破所产生的振动。
2)充分利用奇数段雷管，分区起爆，区域间采 用MS-2，MS-7，MS-9段非电导爆管雷管过渡。采用这种孔外微差起爆网路，并未发现盲炮现象。说明该网路有一定可靠性，只是对爆破工程技术人员提出了更高要求。
3)在计算所得方案基础上根据实时振动监测灵活调整爆破参数，从最小单段药量开始，保持起爆网路不变。
4)如需继续控制振动，可以在掌子面周边增打隔振空孔并减少掏槽药量，但是工期与成本也随之 增加。
5)考虑到爆破作业的长期性和以人为本的方针，采取更加合理的振动指标。目前该区间已顺利通过，效果良好。
6)由以上分析可以看出该爆破方案和距离划
分方案是可行的。严格上讲，爆破振动影响的定义过于宽泛，当前还未从全国层面上进行界定。本文结合实际情况，由地方爆破评估专家委员会给予界定。把爆破振动区域划分过多，不利于实际划分操作，如居民房屋类型上就低不选高；振动速度范围弱化超标区域概念。这里只是划分影响范围，在范围内影响层度，翻修房屋的费用还需具备房屋鉴定资质的单位进行核算。
7)该划分方式得到了指挥部、施工单位、周边居民普遍认可，使得施工作业可以继续推进。
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