新建隧道下穿既有道路爆破施工影响范围

王 睿，袁岽洋，党发宁，卢泽霖，杨战博，杨 欢，邓祥辉

1)西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048；2)西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021；3)中交第一公路工程局有限公司，北京 100085

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

新建隧道下穿既有道路爆破施工影响范围

王 睿1,2，袁岽洋2，党发宁1，卢泽霖2，杨战博3，杨 欢3，邓祥辉2

1)西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048；2)西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021；3)中交第一公路工程局有限公司，北京 100085

以宝汉高速爆破施工为例，通过现场监测关键质点爆破振动速度，研究爆破振动对临近既有道路的影响范围. 研究结果表明，爆破振动波的主频率在10～50 Hz内，不会使周围临近既有道路与其产生共振. 从现场测试结果可知，由于垂直振速大于径向振速和切向振速，且垂直振动对建筑物破坏尤为显著，故在类似工况下爆破振动监测应该以监测垂直振速为主. 爆破振动波对既有道路的影响范围为30 m，与理论值相符.当浅埋大断面软弱围岩隧道下穿既有道路施工爆破的安全允许质点振动速度小于2.0 cm/s时，可确保既有道路结构和交通安全.研究可为此类隧道工程的施工提供借鉴.

隧道工程；爆破施工；爆破振动；振动速度；振动频率；既有道路

近年来，随着中国基础设施建设的不断加快，隧道与地下工程的建设进入了大规模发展时期. 新建隧道或地下工程常常需要从已有建筑物附近穿越．从技术和资金等方面考虑，新奥法仍然是目前我国隧道施工的主流方法. 因此，新建隧道工程的爆破开挖施工势必影响到临近地层和地表建筑结构，如果爆破参数设置不合要求，爆破振动对周围环境会造成各种不良的影响，如地面剧烈震动，诱发人工地震，地表建筑物变形，甚至开裂等. 为了保证施工安全，以及爆破施工现场附近民众的人身安全，减少不必要的意外损失，确定爆破振动影响范围十分必要.

迄今，许多学者在隧道爆破对临近建筑物的影响方面进行了研究[1-6]. 娄建武[7]通过长时间采集和分析爆破振动数据、观测结构裂缝现象等，提出了普通民房结构的允许振动速度为2 cm/s. 王利等[8]通过对某海底隧道下穿既有建筑物的爆破振动监测，分析了建筑物爆破振动的规律和振速随楼层的变化规律. 翟才雅等[9]以青岛地铁3号线3个工点的隧道工程爆破项目为依托，将数值模拟结果和实测结果对比分析出爆破最大振速、主频的分布规律以及内部质点速度的分布规律. 樊浩博等[10]依托实际工程，采用数值模拟和现场测试相结合的方法，对地表振动速度衰减规律进行了研究，指出了爆破振动的显著影响区域. 傅洪贤等[11]采用现场实测的方法，监测掌子面正上方以及侧面围岩的爆破振动速度，总结了掌子面正上方、侧面围岩的爆破振动规律. 陈中学等[12]监测了城万快速公路通道某隧道出口临近建筑物爆破振动速度，指出隧道临近建筑的垂直振速大于切向振速和径向振速，应以测量其垂直振速为主. 张志毅等[13]对近年来爆破振动波的衰减和传播规律、减振控制方法以及实时远程爆破振动测试技术进行了总结，预测了基于单孔爆破振动基波的叠加组合相应的模型，讨论了爆破振动安全评价标准. 乔雄等[14]针对目前对不同爆破参数、周边建筑的距离与爆破开挖之间关系的研究成果不多的现状，以宁夏某水工隧道工程为依托，采用现场实验的方法，对地表关键位置质点振动的频率与振动速度进行测试和分析.由此可见，目前研究主要集中在爆破振动对周边建筑物的影响，而对于新建隧道下穿既有道路时爆破振动影响范围的判定研究尚属空白，本研究以宝汉高速某隧道下穿既有道路段爆破施工为例，探讨爆破振动对既有道路的影响范围.

1 工程概况

宝汉高速某隧道位于陕西省留坝县武关驿镇武关河村南侧约80 m处，G316西侧. 隧道按左右线分离式设计，左线隧道进口桩号ZK159+355，出口桩号ZK159+775，长420 m，属短隧道；右线隧道进口桩号YK159+335，出口桩号YK159+844，长509 m，属中隧道. 隧道采用的是三心圆曲墙式断面，建筑限界净宽为14 m，净高为5 m.

1.1 支护参数

隧道右线出口YK159+781.09～YK159+818.25区段下穿316国道，呈45°斜交.YK159+801 处埋深仅4.05 m，属于Ⅴ级土质超浅埋段，施工难度大风险高. 故新建隧道下穿国道段采用交叉中隔墙(center cross diagram，CRD)法进行施工，洞顶双层Φ159 cm×10 mm 管棚超前加固；洞身开挖初期支护为全断面喷射C25混凝土，厚28 cm；布设双层Φ8 cm钢筋网，网格大小为20 cm×20 cm；全断面设I22b型钢架，间距为50 cm/榀；边墙采用Φ22 cm砂浆锚杆，锚杆长 4 m，间距 1 m×1 m 梅花形布置；二次支护为厚60 cm的C30钢筋混凝土结构，其内设格栅钢架加强，格栅钢架采用4根Φ22 cm主筋，Φ12 cm箍筋间距为20 cm，钢格栅间距50 cm，并与初期支护钢拱架间隔设置. 临时中隔壁及临时仰拱采用喷锚防护，喷射混凝土厚度为22 cm，设I18型钢拱架，间距为50 cm. 中隔壁采用超前小导管支护，自拱顶向下设11根间距为40 cm，每隔3.3 m布设一环，外插角12°，中隔壁沿墙壁设间距为1 m的早强砂浆锚杆.

1.2 爆破设计

该隧道下穿既有道路段开挖采用光面爆破，进尺取1.0 m，爆破材料的选择如表1.

设计采用分段爆破施工(图1)，共分为4段. 其中，第①部分单段最大起爆药质量为8.75 kg，装药总质量为17.8 kg；第②部分单段最大起爆药量为9.25 kg，装药总质量为15.75 kg；第③部分单段最大起爆药质量为5 kg，装药总质量为12.8 kg；第④部分单段最大起爆药质量为6 kg，装药总质量为12 kg. 具体爆破参数如表2，实际炮眼布置如图2.

表1 爆破材料

图1 支护设计图Fig.1 Supporting design

位置分布炮眼名称孔数炮眼深度/m单孔装药质量/kg封堵长度/m装药总质量/kg第①部分掏槽眼41.20.700.5017.80辅助眼151.00.250.55周边眼351.00.250.55底板眼101.00.250.55第②部分辅助眼261.00.250.5515.75周边眼371.00.250.55第③部分掏槽眼41.20.700.5012.80辅助眼121.00.250.55周边眼201.00.250.55底板眼81.00.250.55第④部分辅助眼241.00.250.5512.00周边眼241.00.250.55

图2 炮眼布置图Fig. 2 The layout of embrasures

2 爆破振动现场测试

为确保新建隧道下穿既有道路段施工中隧道与G316结构及交通安全，对路面进行爆破振动现场测试，具体操作及分析如下.

2.1 测点布置

根据工程经验和理论分析，在CRD法施工过程中，第①和第③部分距离地表最近，故在隧道爆破过程中对上部既有道路影响较大[15-17]．因此，现场测试仅需针对第①和第③部分施工布置爆破振动监测断面. 由于新建隧道与既有道路斜交，且G316两侧分别为陡壁和山谷，测线采用垂直于隧道走向布置具有一定的局限性，故本次监测测线沿G316走向布置[18-20]. 其中，测线1沿G316汉中方向布置，监测第①部分施工，共布设7个测点，距隧道轴线距离分别为0、10、20、30、40、60和80 m；测线2沿G316留坝方向布置，监测第③部分施工，共布设7个测点，距隧道轴线距离分别为0、10、20、30、40、60和80 m，测线布置如图3.

2.2 测试方法

1)测点定位.为了准确测定测点与爆破面的位置关系，使用全球定位系统(global positioning system，GPS)对测点的坐标进行定位，并在国道路面上使用道钉进行标记.

2)爆破振动监测.爆破测振系统由TCS-B3型传感器、低噪声屏蔽电缆、TC-4850爆破振动记录仪和计算机组成，如图4. 通过现场试波，得到隧道爆破最大振速为8 cm/s，每次爆破周期在1 s左

右. 为了保证有效采集到信号，避免干扰信号致使仪器误触发，将触发电平值设为0.4 cm/s；为了保证监测波形的完整性，将爆破振动仪周期设置为2 s；由于每次爆破触发仪器记数之前的波形均不超过0.1 s，故延时设置为-100 ms. 同时，为了保证采集波形不失真，本次现场测试选用的采样频率为32 kHz.

测试前，配制水灰比为1.0∶3.5的石膏浆，将传感器固定在测点上，并使传感器x轴平行于爆破面，y轴指向爆破面方向，z轴垂直于水平面布设.

图4 爆破测振系统Fig.4 (Color online) The measurement system of blasting vibration

2.3 测试结果与分析

在第①部分爆破时，测得结果如表3. 由表3可知，位于隧道轴线正上方处的测点，z方向爆破振动速度最大为8.250cm/s，振动波形如图5.

表3 测线1上测点爆破振动监测结果

在第③部分爆破时，测得结果如表4. 由表4可知，测线2中隧道轴线正上方处的测点，z方向爆破振动速度最大为6.717cm/s，振动波形如图6.

由于布设仪器范围比较远，在测线1和2中距离爆破面80m的仪器均没有采集到数据，即质点振动速度在80m处小于0.400cm/s，没有触发爆破振动仪进行记数.

根据上述两次的监测结果可知：

1)根据表3和表4可知，在测线1和2上振动速度最大值均出现在隧道轴线正上方测点的z方向，分别为8.250和6.717cm/s.测线1在0、10、20、30、40和60m处，z方向振速明显大于x方向和y方向，测线2在0、10、20、30和40m处，z方向的振速也比x方向和y方向大，表明本次隧道爆破过程中，既有道路路面的垂直振速大于径向振速和切向振速.根据工程实际经验表明，在爆破振动时，垂直方向的纵波更容易造成路面的开裂，故在此类似工况下隧道爆破振动监测中应以监测其垂直振速为主.

图5 测线1通道z方向的爆破振动波形图Fig.5 Blasting vibration wave along z direction

图6 测线2通道z方向的爆破振动波形图Fig.6 Blasting vibration wave along z direction

距爆源距离/m振速最大值(cm·s-1)xyz主频/Hzxyz时间/msxyz05.7494.6716.71729.46644.81817.7582.9963.0482.297105.0744.2366.24525.64532.45719.3562.8242.9454.054202.2682.3492.67828.45735.54624.6843.0463.1264.264301.1691.3111.48727.46833.42129.6344.4675.5725.218400.5930.6370.80119.58122.15339.4515.7825.1786.523600.1930.4390.40329.85128.16944.3266.3907.2257.32880<0.400<0.400<0.400——————

2)由实测结果可知，隧道爆破产生的地震波主频率最小值为10.855Hz，最大值为44.818Hz，其主频率在10～50Hz的范围内变化. 根据已有研究成果[21]，一般建筑物的固有频率都在10Hz以下，故既有道路不会与爆破振动波产生共振.

3)监测结果显示，距隧道拱顶轴线距离越远，各点的爆破振动速度越小，其中距离爆破掌子面80m处，最大振速小于0.4cm/s，对既有道路安全性基本上无影响. 根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)[22]中爆破振动安全允许标准可知，当爆破振动主频率在10～50Hz时，一般民用建筑物的安全允许质点振动速度为2.0～2.5cm/s. 本工程中考虑到G316的重要性，且该隧道下穿既有道路段围岩条件差、埋深小、跨度大，为确保新建隧道和既有道路的安全，质点峰值振动最大速度取下限值2.0cm/s. 以此标准，对照此次爆破检测结果可知，本次爆破振动波对既有道路的影响范围小于30m. 在影响范围内应增加路面沉降观测，若变形速率和累计变形量均未超过安全警戒值，可说明道路安全.

2.4 理论分析

根据萨道夫斯基公式，可求得爆破振动的影响范围[23-25]. 萨道夫斯基计算公式为

其中，R为爆破振动安全允许距离；Q为炸药质量，齐发爆破时为炸药总质量，延时爆破时为单段炸药最大质量；V为保护对象所在地安全允许质点振动速度；K和α为与爆破点至计算保护对象间的地形条件有关的系数和衰减指数，可按规范选取，或通过现场试验确定.

本工程中采用CRD法开挖时，第①和第③部分为上半部分，距离地表较近，受爆破振动影响较大，故只讨论第①和第③部分爆破时的安全允许距离.

施工段围岩级别为V级，且为软岩较破碎故取规范下限K=350，α=2.0， 质点振动速度根据前文实测值取2.0m/s，第①部分单段最大起爆药质量为8.75kg，第③部分单段最大起爆药质量为5.00kg. 由式(1)可得第①部分爆破振动影响范围为27.21m，第③部分爆破振动影响范围为22.61m. 与实测结果较为一致，说明安全距离取30m是安全可靠的.

3 结 论

根据宝汉高速某隧道下穿G316，制定了现场爆破振动试验方案. 通过现场测试结果，提出了爆破施工对既有道路的影响范围以及地表道路质点振动安全允许速度. 研究认为：

1)隧道施工的爆破振动波主频率在10～50Hz时不会使周围既有道路与其产生共振. 且垂直振速大于径向振速和切向振速，而垂直振动对建筑物破坏尤为显著，故在类似工况下爆破振动监测应该以监测垂直振速为主.

2)新建隧道在下穿既有道路的爆破施工中须综合考虑隧道埋深，断面大小，围岩类别及周边环境等因素以确定质点振动速度的安全允许值. 根据现场试验结果，工程重要性以及工程地质情况，提出在本下穿隧道施工中地表道路质点振动安全允许速度为2.0cm/s，可有效确保既有道路结构和交通安全. 同时，综合实测结果和理论分析值可以得出爆破施工对既有道路的影响范围为30m.

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【中文责编：坪 梓；英文责编：之 聿】

2016-10-03；Accepted：2017-01-05

Professor Dang Faning．E-mail: dangfn@163.com

Influence scope of blasting vibration for construction of new tunnel undercrossing existing roads

Wang Rui1,2, Yuan Dongyang2, Dang Faning1, Lu Zelin2, Yang Zhanbo3, Yang Huan3, and Deng Xianghui2

1) School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi Province, P.R.China2) School of Civil and Architecture Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, Shaanxi Province, P.R.China3) First Highway Engineering Bureau Co., Ltd., Beijing 100085, P.R.China

By taking the blasting construction of the Baohan highway project as an example, this paper focuses on the blasting vibration influence on the existing roads nearby by monitoring the blasting vibration velocity. The results show that existing roads nearby will not resonate with the blasting when the dominant frequency of blasting vibration is between 10-50 Hz during monitoring of tunnel blasting construction. Based on the in-situ monitoring results, the vertical vibration velocity should be principally monitored because it is higher than the radial and tangential vibration velocities and it is significantly destructive to the buildings. To ensure the safety of structures and transportation of existing roads, the blasting vibration velocities of key points are supposed to be less than 2.0 cm/s for existing roads of the shallow-buried tunnel underpass with large cross-section and soft surrounding rock. Furthermore, the monitoring data show that the influence scope of blasting vibration wave to existing roads is about 30 m, which is consistent with the theoretical calculation. These results provide references to the general tunnel construction.

highway tunnel; blasting construction; blasting vibration; vibration velocity; vibration frequency; existing roads

：Wang Rui, Yuan Dongyang, Dang Faning,et al．Influence scope of blasting vibration for construction of new tunnel undercrossing existing roads[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(3): 238-244.(in Chinese)

国家自然科学基金资助项目(51679199)；陕西省科技统筹创新工程重点实验室资助项目(2014SZS15-Z01)；西安工业大学校长基金资助项目(XAGDXJJ16003)

王 睿(1981—)，男，西安工业大学讲师、博士研究生．研究方向：岩土与隧道工程．E-mail:wangrui@xatu.edu.cn

U 451

A

10.3724/SP.J.1249.2017.03238

Foundation：National Natural Science Fundation of China (51679199); Key Laboratory Project of Shaanxi Science & Technology Co-ordination & Innovation Project (2014SZS15-Z01); Principal Foundation Program of Xi’an Technological University (XAGDXJJ16003)

引 文：王 睿，袁岽洋，党发宁，等．新建隧道下穿既有道路爆破施工影响范围[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(3)：238-244.