隧洞掘进爆破振动对地表建筑物的安全影响分析与研究

2018-10-22张永，陈洪波，李明，袁赟

四川水力发电 2018年5期

张永，陈洪波，李明，袁赟

(中国水利水电第十工程局有限公司一分局，四川都江堰 611830)

1 工程概述

春堂坝电站位于四川省小金县美兴镇加油站下游约250 m处，主要水工建筑物包括：大坝、引水隧洞、开敞式调压室、埋藏式压力管道、厂房等。其中，压力管道下平段(桩号0+135.6～0+364.4)上方地表有省道S303、小金县新汽车客运站和公路沿线的居民住宅，所处掘进施工作业环境较为复杂。压力管道与其上部地表被保护建筑物的平面位置关系见图1，地表被保护建筑物与隧洞位置关系横断面见图2，地表民房与现阶段掌子面相对位置关系见表1。

图1 压力管道与地表建筑物平面位置关系示意图

序号项目名称距离掌子面水平距离 /m垂直埋深 /m距爆破点直线距离 /m备注11#民房92.562896.7砌块建筑物22#民房43.9121.9649.1砌块建筑物33#民房10.8921.9624.51钢筋混凝土房屋44#民房13.2621.9625.65钢筋混凝土房屋55#民房29.8221.9637.03钢筋混凝土房屋6新客运站57.3621.9661.42钢筋混凝土房屋

图2 地表被保护建筑物与隧洞位置关系横断面示意图

通常，建筑物在爆破振动作用下的安全影响主要是通过分析被保护建筑物地基位置处的V值(安全允许质点振速)进行评定。因此，该工程采取的措施主要是对隧洞爆破时地表被保护建筑物所在位置地基的V值进行控制以确保爆破时被保护建筑物处于安全状态。

基本思路：依据春堂坝电站压力管道下平段隧洞工程的地质及水文条件并考虑平段隧洞爆破作业时将面临的复杂周边环境，为避免隧洞开挖爆破振动对地表建(构)筑物安全造成影响，通过以下步骤进行了分析及控制：

(1)根据规范确定V值，据其计算并按影响最小原则确定最大一段的装药量；

(2)根据最大一段装药量对压力管道下平段隧洞工程进行爆破设计，确定出爆破参数和爆破方案；

(4)将爆破方案付诸实施。

2 最大一段装药量的确定

2.1 最大一段装药量的计算公式

根据《爆破安全规程》GB6722第六章“安全允许距离与环境影响评价”第6.2节爆破振动安全允许距离公式整理得最大一段装药量计算公式：

(1)

式中Q为炸药量，齐发爆破时为总药量，延时爆破时为最大一段药量，单位为kg；隧洞开挖为延时爆破，Q为最大一段药量，下同)；R为爆破振动安全允许距离，单位为m；V为保护对象所在地安全允许质点振速，单位为cm/s，其值可由《爆破安全规程》GB6722中6.2.3条表4查得；K、α为与爆破点至计算保护对象间与地形、地质条件有关的系数和衰减指数，其值可由《爆破安全规程》GB6722中6.2.3条之表5查得。

由以上公式可知：地质参数及震速关系为：K值越大、V值越小、α越小，最大一段装药量越小。

2.2 最大一段装药量的计算

(1)根据现场实际情况、针对不同控制因素进行划分，取最不利情况分别进行最大一段装药量的计算，然后取其最小值进行爆破设计：

①以安全距离划分：分为现阶段爆破安全距离和穿民房段安全距离两种情况；

②以保护对象安全震速划分：分为钢筋混凝土房屋与砌块建筑物；

③以围岩地质情况划分：分为中硬岩、软硬岩。

(1)铀尾矿库下游农田土壤中与国家土壤背景值相比，超标元素为Cd和U，均值分别超标6.89倍和3.16倍。与当地背景值相比，分别超标4.96倍和2.53倍。

(2)最大一段装药量的计算。

根据表1，钢筋混凝土房屋的最小安全距离为3#民房，则R=24.51 m，查《爆破安全规程》GB6722表4及表5，K取250，V取3 cm/s，α取1.5，带入公式计算得：Q=2.1 kg。同理，计算出的不同情况下的最大一段装药量见表2。

2.3 最大一段装药量的选择

表2 不同情况下最大一段装药量计算成果表

由表2可知，岩性越软，在相同的外界环境下允许最大一段的装药量越大，即在软岩情况下，爆破振动比硬岩要小。另外，根据以上计算成果推算，如能保证钢筋混凝土3#、4#民房的稳定，即能保证砌块建筑物2#民房的稳定。因此，现阶段爆破最大一段装药量的控制主要以3#民房为保护对象，穿民房段爆破主要以4#民房为保护对象。

为确保本次爆破试验单响药量满足要求，由表2查得两种情况下最大一段药量的最小值分别为2.12 kg、1.52 kg，两者取小值、最终确定的最大一段装药量Q=1.52 kg。

3 爆破参数的确定

爆破参数按光面爆破进行设计：

(1)炮孔个数N。

N=(q×S)/(α×γ)

式中q为炸药单位消耗量，kg/m3；S为开挖断面面积，m2；α为炮眼装药系数，%；γ为炮眼单位长度装药量，kg/m。

由设计图纸可知，开挖断面S=17.6 m2，炸药单耗q取1.2 kg/m3，施工采用φ32和φ25药卷，则α为0.8，γ为0.78，由此可知N=33个。

(2)周边孔间距E。

根据经验公式，周边孔间距E=(8～18)D。式中D为炮孔直径，根据现场实际情况，钻爆施工采用手风钻造孔，钻孔直径为42 mm，则周边眼间距为0.34～0.76 m。鉴于目前岩石普遍偏软，故将初次周边孔间距确定为0.65 m。

(3)光爆层厚度。

光爆层是指周边炮孔与最外层主爆孔之间的一圈岩石层。光爆层的厚度即为周边孔 (光爆孔) 的最小抵抗线。周边眼密集系数K与周边眼间距E及最小抵抗线W的关系为K=E/W，其大小对光爆效果有较大的影响，因此，必须使应力波在相邻两炮眼间的传播距离小于应力波至临空面的传播距离，即E

4 爆破方案的确定

根据计算，由于爆破振动计算得到的单响装药量不得大于1.52 kg，因此，首次爆破试验进尺钻孔深度按照60 cm、单次掘进进尺54 cm控制，起爆网络采用掏槽1段，崩落孔3段，周边孔5段，底板孔7段的方式进行起爆。爆破施工前与监测单位联系，爆破后立即对数据进行分析，以确保最优爆破参数。首次爆破试验时的装药参数见表3。

表3 用于爆破的主要钻孔及装药参数表

注：方案中掏槽孔设计为3个中心空孔+2对斜眼掏槽孔的楔形掏槽炮孔布设方法。爆破设计的主要技术参数：开挖断面为17.6 m2；钻孔个数为33个；钻孔深度为60 cm；爆破效率为90%；预期进尺54 cm；爆破方量为9.5 m3；总装药量4.9 kg；炸药单耗0.52 kg/m3。

5 爆破试验方案中各类炮孔爆破的地表安全允许质点振速验算

5.1 验算

由于工程所处地区的重要性，根据爆破安全规程预先为各民房分别设定的V值见表4。

表4 隧洞上方被保护建筑物地表基础考虑

安全允许质点振速验算采用萨道夫斯基经验公式：

(2)

式中各参数含义同式1。

根据工程设计单位提供的勘察成果，拟爆破试验开挖压力管道下平段中段隧洞围岩为风化、卸荷岩体，裂隙发育，完整性差，呈碎裂状、散体状结构，可综合评定为V类围岩。根据《爆破安全规程》GB6722中6.2.3条之表5选取与地形、地质条件有关的振动系数，统一取K=350，α=1.8进行验算。

按照开挖爆破试验方案中各类炮孔的设计药量，验算得到隧洞试验爆破时各被保护民房距隧洞最近地基位置的安全允许质点振速峰值(表5)。

表5 隧洞掘进爆破在上方各民房地基引起的V值验算结果表

5.2 分析

根据经验公式，针对爆破参数的验算结果并对照表4进行分析得知，在按爆破开挖试验方案对春堂坝电站压力管道下平段隧洞进行钻爆施工时，地表各类建筑物地基处的V值均小于表4中的设定值及《爆破安全规程》所规定的V值，不会对地表各建筑物造成破坏。

6 方案的实施

6.1 方案实施前的建议及要求

方案实施前，项目部结合相关方意见、同时对爆破实施过程提出了以下要求：

(1)鉴于隧洞掘进爆破过程及工程区域内水文地质情况的复杂性，在爆破试验过程中聘请了具有专业检测资质的机构对隧洞开挖爆破振动进行了实时监控，并通过数据对爆破参数进行了优化调整，尽可能地将爆破所引起的地表建筑地基处安全允许质点振速降至最低。

(2)隧洞内应做好开挖前的预加固和开挖后的支护工作，以保证爆破开挖时隧洞围岩不会发生失稳现象。

(3)鉴于隧洞上方多栋地表被保护民房建筑旁存有高度为3～7 m以上的砂卵石层边坡，为避免重复的隧洞开挖爆破振动或雨水冲刷导致这些边坡发生失稳垮塌，进而影响到民房建筑的安全，在隧洞钻爆施工期内，应做好边坡变形的监控量测，根据测试数据采取相应的措施对边坡进行加固。

6.2 方案的实施

该项目于2014年9～11月对压力管道下平段下穿民房洞段进行了爆破开挖施工，通过严格按照爆破试验方案拟定的炮孔个数、周边孔间距、光爆层厚度、最大一段装药量等爆破参数进行控制施工，在施工方案的指导下，其过程中根据爆破开挖的实际情况及监测，及时对爆破设计参数进行了优化调整；为避免对人员造成惊吓，进而导致相关纠纷，在每次开挖爆破过程中，对于距离较近房屋中的人员进行了临时疏散，并在爆破前对周围房屋的居民采取提前通知预警等系列安全措施，下平段顺利穿过民房下部，安全、顺利地完成了爆破开挖施工。

隧洞掘进过程中，通过监测，4#民房最不利的情况下监测到的最大V值为1.67 cm/s，未超过验算值1.72 cm/s，也未超过考虑实际情况的设定值2 cm/s，过程中也未对1#～5#房屋及新客运站造成任何影响，达到了预期目的。