城市水工隧洞爆破开挖对周边环境影响的控制技术

谈彬彬

（中铁二局集团（西安）工程有限公司，陕西 西安 710000）

随着国内城市化进程的推进，城市功能化布局日益丰富，人们对生活环境的要求日益提高，将历史遗留的采石坑水塘改建为兼具雨洪调蓄和生态景观为主要功能的城市生态水系公园成为了城市建设过程中治理采石坑安全隐患、治理生态环境、开发城市特色人文景观的重要任务。本文通过对广州南沙凤凰湖项目4#—5#湖连通隧洞爆破开挖施工过程中的探索，研究了城市水工隧洞爆破开挖对周边环境的影响，提出了爆破开挖施工对周边环境影响的控制措施，为今后相关类似项目施工提供了依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

南沙区凤凰湖水系连通及生态整治工程（3#湖、4#湖）地处广州市南沙区黄阁镇大山乸东南侧，位于南沙区城市客厅，紧邻丰泽西路，4#湖位于叠翠峰小区对面，3#湖位于万科府前花园北侧。该工程利用采石场旧址，将两个采石坑建设成为一个集休闲观光、调节生态为一体的滨水生态公园。

1.2 隧道概况

4#—5#湖连通隧洞全长1 7 2 m，开挖面积55.75 m2，按照SL 378—2007《水工建筑物地下开挖施工规范》进行划分，属中断面隧洞。本隧洞进出口高程16.50 m，进口处现状为陡峭岩质边坡，地面高程为16～41 m，出口布设在一宽约2 m 的马道处，高程为25～25.50 m，中部最高程为80.28 m，最大埋深56 m；水平间距4～7 m 分布有宽1～2 m 的马道，初步统计进口侧有4 级马道，出口侧有6 级马道。隧洞进、出口边坡为高陡边坡，坡角以42°～65°为主，高度边坡总高度为64～68 m，目前虽已经进行梯级种树复绿，但大多数开挖出露基岩未采取任何防护措施，直接临空，发现有岩体小崩塌、滑落现象。

设计K0+000—K0+011 长11 m 为IV 类围岩，K0+011—K0+160 长160 m 为III 类围岩，K0+160—K0+172 长12 m 为IV 类围岩。

1.3 施工现场周边环境

拟进行隧道爆破开挖施工区域位于广州市南沙区进港大道和丰泽西路之间废弃的旧石场中，根据现场勘察及业主提供资料，东侧约430 m 为叠翠峰楼盘、东南侧480 m 为万科府前花园、南侧280 m 为坦尾村民房，周边无高压线缆通过，如图1—图5 所示。

图1 地理位置示意图

图2 4#—5#湖连通隧洞位置示意图

图3 4#—5#湖连通隧洞南侧现场环境图

图4 4#—5#湖连通隧洞东侧现场环境图

图5 4#—5#湖连通隧洞北侧现场环境图

2 爆破开挖施工参数设计

2.1 爆破开挖施工总体设计原则

4#—5#湖连通隧洞Ⅳ类围岩段采用台阶法开挖，Ⅲ类围岩采用全断面开挖，采用单向掘进。

2.2 Ⅳ类围岩段台阶法施工

2.2.1 上台阶开挖

炮眼直径：d=42 mm。

炮眼深度：L=1.6 m。

单位炸药消耗量：根据以往同级地质施工经验，本设计取q=0.85 kg/m3。

辅助炮眼数目[1]：计算公式为N=q×S/τ×γ，其中S为开挖断面积，取31.2 m2；τ为装药系数，为0.5；γ为每米药卷的炸药质量，取0.76 kg。计算得出N=72 个。

每循环炸药总量：计算公式为Q=qv=qSLη，其中η为炮眼利用率，一般为0.8～0.95，本设计取0.85。计算得出Q=qSLη=0.85×31.2×1.6×0.85=36.1 kg。

2.2.2 下台阶开挖

炮眼直径：d=42 mm。

炮眼深度：L=2.0 m。

单位炸药消耗量：根据以往同级地质施工经验，本设计取q=0.6 kg/m3。

炮眼数目：根据公式N=q×S/τ×γ，S取24 m2，τ取0.5，γ取0.76 kg，计算得出N=38 个。

每循环炸药总量：根据公式Q=qv=qSLη，η取0.8，计算得出Q=qSLη=0.6×24×2.0×0.8=23.0 kg。

2.2.3 光面爆破参数

最小抵抗线：按经验公式Wmin=（10～20）d=420～840 mm，本设计取W拱部min=65 сm，W边墙min=75 сm。

孔距E：按经验公式E=（0.6～0.8）Wmin确定，E拱部=39～52 сm，E边墙=45～60 сm。本设计取E拱部=40 сm，E边墙=55 сm。

单孔装药量：根据经验数值线装药密度q=0.12～0.2 kg/m；上台阶L=1.6 m，下台阶L=2.0 m；上台阶Q=qL=[（0.12～0.2）×1.6]kg，下台阶Q=qL=[（0.12～0.2）×2.0]kg。计算得出上台阶Q=0.19～0.32 kg，本设计取Q=0.32 kg；下台阶Q=0.24～0.4 kg，本设计取Q=0.4 kg。

2.2.4 辅助眼的间距

根据总断面积扣除光爆层面积及掏槽区面积后所剩余面积来布置辅助眼的原则确定。布置时按大致均匀、局部适当调整的原则布置。

2.2.5 IV 类围岩爆破开挖参数

IV 类围岩爆破参数如表1 所示，炮眼布置参数如表2 所示。

表1 IV 类围岩光爆参数表

表2 IV 类围岩炮眼布置参数表

表2 （续）

2.2.6 IV 类围岩炮眼布置及爆破参数图

IV 类围岩炮眼布置及爆破参数如图6、图7 所示。

图6 IV 类围岩上台阶炮眼布置图（单位：mm）

图7 IV 类围岩下台阶炮眼布置图（单位：mm）

2.3 III 类围岩段全断面施工

2.3.1 全断面开挖

炮眼直径：d=42 mm。

炮眼深度：L=3.0 m。

单位炸药消耗量：根据以往同级地质施工经验，本设计取q=0.88 kg/m3。

炮眼数目：根据N=q×S/τ×γ，S取52.75 m2，τ取0.5，γ取0.76，计算得出N=122 个。

每循环炸药总量：根据公式Q=qv=qSLη，η取0.85，计算得出Q=qSLη=0.88×52.75×3.0×0.85=118.4 kg。

2.3.2 光面爆破参数

最小抵抗线：按经验公式Wmin=（10～20）d=420～840 mm，本设计取W拱部min=70 сm，W边墙min=80 сm。

孔距E：按经验公式E=（0.6～0.8）Wmin确定，E拱部=42～56 сm，E边墙=48～64 сm。本设计取E拱部=45 сm，E边墙=50 сm。

单孔装药量：根据经验数值线装药密度q=0.2～0.3 kg/m，L=3.0 m；Q=qL=[（0.2～0.3）×3.0]kg=0.6～0.9 kg，本设计取Q=0.9 kg。

2.3.3 辅助眼的间距

根据总断面积扣除光爆层面积及掏槽区面积后所剩余面积来布置辅助眼的原则确定。布置时按大致均匀、局部适当调整的原则布置。

2.3.4 III 类围岩开挖爆破参数

爆破参数如表3 所示，炮眼布置参数如表4 所示。

表3 III 类围岩光爆参数表

表4 III 类围岩炮眼布置参数表

2.3.5 III 类围岩爆破参数图

III 类围岩炮眼布置及爆破参数如图8、图9 所示。

图8 III 类围岩炮眼布置图（单位：mm）

图9 III 类围岩掏槽炮孔布置图（单位：mm）

2.4 起爆网络设计

由于该隧道施工区域距离丰泽西路及居民区较近，为控制爆破的质点振动速度，采用非电雷管、导爆管、导爆索起爆网络，孔内微差法起爆，炸药底部插入非电雷管反向爆破，非电雷管由导爆管接出，结为一束，最后接到起爆器上起爆。隧道开挖爆破起爆网络如图10 所示。

图10 起爆网络示意图

2.5 起爆施工工艺流程

隧道爆破开挖施工工艺流程如图11 所示。

图11 施工工艺流程图

3 城市水工隧洞爆破开挖施工对周边环境影响的控制技术措施

试爆振动监测结论如图12 所示。

图12 试爆振动监测结论

通过试爆，振动监测数据为0.085 сm/s、爆破时噪声检测为95 dB（根据如图12 所示的试爆监测报告结论，振动最大值发生于2020-07-15T12：18，位于3 号监测点处；噪声最大值发生在2020-07-17T12：25，位于1 号监测点处，振动在规范允许范围内，但施工噪声超标）。产生的爆炸声波及振动对周边居民区住户造成了较大影响，具体体现在爆炸声过大、爆炸声波及振动导致南侧坦尾村民房振动以及东侧叠翠峰楼盘房屋玻璃振动，因而引起了周边住户居民投诉、阻工等情况发生。通过现场积极探索，项目部采取了以下技术措施，有效控制了隧道爆破产生的爆炸声波及振动[2-3]。

3.1 增强了炮眼填塞质量

由于在试爆时炮眼填塞使用的是现场现有的欠固结淤泥质土，采用其填塞炮眼较为疏松，未能有效阻止炸药在爆炸过程中产生的爆炸声波。在试爆后，项目购买了专用炮泥填塞炮眼，并用木质炮棍将填塞物捣实，如图13—图15 所示。

图13 掏槽眼装药结构图

图14 辅助眼装药结构图

图15 周边眼装药结构图

3.2 在隧道洞口增加挡石屏及隔音屏

在试爆时，隧洞洞口有飞石飞出且爆炸声波较大，因此在隧道洞口增加了一道挡石屏及隔音屏，如图16所示，以减小对周边环境的影响[4]。

图16 挡石屏、隔音屏现场布置图

挡石墙采用I10 工字钢焊接龙骨，其表面敷设竹篱笆以及棕垫，如图17 所示，在起爆前用铲车将挡石墙移动至洞口密贴，同步在其后配置石袋配重，以起到防止飞石以及第一步吸收声波的目的。在距离洞口20 m 位置处采用I10 工字钢立柱，角钢横梁，其表面敷设成品吸音棉材料作为固定隔音屏，如图18 所示，以达到隧洞爆破过程中第二次吸收爆炸声波的目的。

图17 挡石屏现场安装图

图18 隔音屏现场安装图

3.3 在起爆前采用扬声器通知周围居民

虽然隧道爆破产生的爆破声波及振动均可采取有效措施降低至规范标准以下，但突如起来的爆破还是会对施工区域周围居民及住户的正常生活产生不良影响，如惊吓、使居民紧张等。因此在准备爆破前，项目在周边的3 个居住区均配备了扬声器，在爆破前同时采取高呼以及倒计时30 s 的方式，提醒周边居民做好准备，以减少突然爆破对周边居民生活的影响。

4 周边环境影响情况

为确定隧道爆破对爆破区周边环境的影响情况，项目邀请了专业爆破振动监测机构对项目隧道爆破进行振动监测。通过监测出的振动数据来判定爆破时在建构筑物密集区产生的振动，以此来指导采取各项技术措施减小爆破对周边环境的影响[5-6]。

4.1 爆破振动监测系统

该项目采用的是L20-N 爆破振动智能监测仪，配套三维速度传感器等组成的爆破振动监测系统，如图19、图20 所示。

图19 爆破振动监测系统图

图20 L20-N 爆破振动监测仪照片

4.2 监测点选取

根据国家的有关规定，在爆破作业中应采集地面质点振动速度作为衡量地震波强度的标准。本项目选取了以下3 个爆破振动监测点：1 号监测点——爆区东侧叠翠峰小区门口处，2 号监测点——爆区北侧蕉门村，3 号监测点——爆区南侧万科府前一号小区内，如图21 所示。

图21 爆破振动监测点布置

4.3 测点布置与埋设

每个监测点布置一台振动监测记录仪以及传感器用于监测该点的垂直、水平和径向地面质点的振动速度。

4.4 振动监测结果

根据振动监测结果显示，采取了以上措施后，在周边居民区处测得的最大爆破噪声为55 dB（根据如图22 所示的正式爆破振动监测报告结论，噪声最大值发生在2020-10-25T12：28，位于1 号监测点处，满足规范要求II 类标准60 dB 以下），振动数据由原来的最大0.085 сm/s 降低至现在0.025 6 сm/s，虽均在规范允许的小于2.0 сm/s 安全范围内（如表5 所示），但从整体上减轻了对周边建筑环境的影响，从而避免周围居民住户由于房屋结构振动产生恐慌而引起的投诉。

表5 （续）

图22 正式爆破振动监测数据及结论

表5 规范允许标准值[7]

5 结束语

本文通过对广州市南沙区凤凰湖项目4#—5#湖连通隧洞爆破开挖施工过程中，由于试爆产生的较大振动及声波导致投诉及阻工问题，对隧道开挖产生的振动及声波原因进行了分析，提出了降低隧道爆破开挖产生振动及声波的措施，通过本文的相关叙述，可以总结为：爆破开挖产生振动及噪声不可避免，但可从起爆源以及传播途径上采取相关技术措施，以降低城市水工隧洞开挖对周边环境的影响。