复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术

种玉配 李治国 马占国 刘书奎

[关键词]敏感环境：爆破振动：爆破噪声：电子雷管

0引言

对于城市市区交通工程隧道和岩基类地层，以当前的技术条件，采用钻爆法开挖坚硬岩石隧道相对来说是最经济合理的施工方法，但又不可避免地对既有隧道、周边建（构）筑物及居民生活带来不利影响。需要对城区隧道爆破振动及噪声进行控制。

在隧道爆破振动控制方面，危皓等通过优化炮孔装药量和起爆顺序，制定了预裂和光面综合爆破的大断面爆破开挖方案，对爆破振动能量有很好的衰减效果。学者们分析了预裂缝和减振孔的减振机理，对比了不同排水减振孔后的减振效果。王松青等通过分台阶爆破、松动爆破、直孔掏槽、周边密集减振孔、空气间隔装药等优化设计，将峰值振速控制在安全允许速度以下。宗琦等在地铁下穿砖混结构建筑物段，通过减少最大单段药量、多分段和增加上、下台阶的距离来优化爆破方案，使建筑物更为安全。李小贝研究发现，既有隧道在距离爆破点最近的断面振速达到峰值，且衬砌中迎爆侧墙腰区域的峰值振速和峰值应力最大。在爆破噪声控制方面，王武刚通过控制用药量以及信息化施工监测等措施，动态调整、控制噪声。龚伦提出覆盖爆破声源体、高精度雷管等措施，降低爆破噪声。孙燕提出了爆破噪声管理方案。

相关学者主要采用控制最大单段药量、预裂爆破和减振孔等措施进行爆破振动的控制，采用光面爆破、控制最大单段药量和覆盖爆源等措施进行爆破噪声的控制，并且爆破周边环境相对简单，保護对象单一。

本文中，针对珠海板障山新增隧道，采用掏槽眼延期时间控制和发明设计一种新型炮孔堵塞装置，辅以洞口竹胶板防护门和防护门帘，进行爆破振动、噪声和飞石的控制，以实现对既有隧道、周边建（构）筑物的保护。

1工程概况

板樟山新增隧道工程位于广东省珠海市香洲区，是跨越板樟山、连接香洲和拱北的重要南北向城市主干道。新增隧道围岩主要为中、微风化砂岩，岩石较破碎，围岩为II～III级：但隧道两端洞口处岩体风化严重，节理裂隙很发育，岩体完整性较差，围岩为V级。新增上、下行隧道与既有隧道紧邻，最小净间距约1倍洞径。采用爆破施工，必然会对既有隧道产生一定的影响。隧道洞口周边环境复杂，建（构）筑物繁多，共计42栋，最近处房屋距离隧道口约40m。减少隧道施工对隧道周边居民的影响是本工程的重点、难点之一。

2既有隧道爆破振动控制

2.1数值计算

2.1.1材料单元的选取

在ANSYS/LS-DYNA中，一般采用高性能炸药材料*Mat_High _Explosive _Burn来模拟炸药的爆轰；采用状态方程*EOS_JWL来描述爆炸时炸药材料的压力特征，同时，可以描述炸药爆炸产生的单位体积的内能、爆轰产物的压力和相对体积参数。本次模拟使用炸药的具体参数见表1。

一般采用*Mat Plastic Kinematic来描述岩石材料，这是一种考虑了材料失效的随动硬化、各向同性以及应变率有关的模型。砂岩的力学参数如表2所示。

2.1.2数值模型建立

模型边界选取左右边界150m，上下边界85m，隧道埋深30m，沿隧道轴向边界80m。新增隧道与既有隧道间距为20m。模型中，平行于隧道中心线的为X方向，垂直于隧道中心线并指向隧道掘进方向的为y方向，垂直于隧道中心线并指向地表的为Z方向。模型四周设置无反射边界条件。为了简化模型，一共设置了7个掏槽孔、24个扩槽孔、10个辅助眼和10个周边眼，整个模型共划分468 925个节点，444357个单元，数值模拟模型如图1所示。模拟中采用电子雷管的掏槽孔孔间延期时间分别为0、2、4、6、8、10ms。

2.1.3数值计算结果

选取既有隧道迎爆侧边墙上的点，作为爆破振动测点。此处根据现场实际，只考虑延期时间10ms以内。统计不同延期时间下测点的爆破峰值振速，如表3所示。最大振速方向为模型中平行于隧道中心线方向。

从表3可以看出，爆破峰值振动速度并不是一味随着延期时间的增大而减小。而在延期时间为4ms时，爆破峰值振速最小。

2.2现场应用

以掏槽孔延期时间4ms为基准布置炮眼参数，如表4所示。其余各孔间延期时间分别为0、2、6、8、10ms。

数码雷管炮眼布置图见图2。

以掌子面到既有隧道距离最近断面为监测断面，布设爆破振动传感器，采集最大振速，结果如表5所示。

从表5可以看出，实测爆破峰值振速随着延期时间的变化规律与数值计算的基本一致。在延期时司为4 ms时，爆破峰值振速最小。

为了定量地研究不同延期时间所带来的减振效果，将质点峰值振速降低程度进行统计，并对减振效率P做出定义。计算公式如下：

按照式（1）计算不同延期时间下的减振效率，如图3所示。

当延期时间取4ms时，爆破峰值振速相对较小，为1. 26cm/s，相比0ms情况减小了1.39cm/s，减振效率达52.45%。说明在该种围岩地质条件下，当延期爆破的延期时间取4 ms时，2个爆破孔先后起爆，可以实现波峰与波谷的互相影响而降低振速。

同时，采集4ms延期时间下附近建筑物爆破振速，最大振速如表6所示。

从表6可见，周边建筑物的爆破峰值振速均在0.5cm/s以下，爆破振速控制效果较好。

3爆破噪声和飞石的控制

3.1新型炮孔消声装置

3.1.1新型炮孔消声装置设计

设计了一种用于降低隧道爆破噪声的炮孔消声装置，如图4所示。整体呈圆台状，使用高弹聚酯材料，孔隙率较高，具有一定的吸声性能。后端直径为炮孔孔径35mm;前端略小，为28mm，方便施工过程中塞人炮孔：纵向开设4条宽度5mm的消声槽，环向开设4条宽度5mm的消声槽，间距15mm。消声槽相互连通，形成连续贯通空间；其中，每个消声槽均用于传播爆破声波，以使消声装置本体充分吸收声波，进而降低爆破噪声。

3.1.2新型炮孔消声装置现场应用

使用风钻、钻杆按照设计要求钻孔之后，在炮孔内部装填炸药雷管。在距离炮孔200mm位置处，将炮孔消声装置本体的前端先装入炮孔内；同时，注意将脚线沿着炮孔消声装置本体的消声槽引出炮孔，直至炮孔消声装置本体的后端与炮孔口齐平，如图5所示。最后，按照设计要求起爆。

3.2防护门帘

3.2.1现场防护门帘设计

在隧道进洞段，往往由于隧道进尺长度比较小，掌子面的爆破飞石能够飞出洞外，造成一定的安全隐患。

为了将飞石阻隔在隧道内，在洞门设置竹胶板防护门和防护门帘组合形式。橡胶是高弹性的高分子材料，长链分子结构及分子间存在较弱的次级力，使橡胶材料呈现出独特的黏弹性能。竹胶板是在竹子板上贴了橡胶，防护门帘也尽量使用橡胶塑料材料。不仅能够吸收爆破飞石能量，而且能够保证自身的强度安全。

竹胶板防护门的尺寸为：两侧高7m，宽3m;上部高3m，宽6m。竹胶板通过钢丝绳绑扎在型钢骨架上，型钢骨架通过钢筋与防水台车进行焊接连接。一侧竹胶板上需要开口，方便风筒穿过，口径在600-800mm。

防护门帘的尺寸为：高5m，宽3m。2块防护门帘可以各自独立掀开。防护门帘通过铁丝与上部的竹胶板型钢骨架连接。现场设置如图6所示。

3.2.2现场防护门帘的应用

噪声显示屏主要起到实时监测和现场显示环境噪声的功能。监测显示，在爆破后场区，监测的爆破噪声级为64.2，白天不超过70.0。

通过常规炮孔堵塞与新型堵塞装置的堵塞试验，进行噪声监测数据的对比分析。消声效果对比分析如表7所示。

由表7可见，在测试距离均为100m且总装药量增加的情况下，平级噪声级分别为99.2和67.8。采用新型炮孔消声装置与采用普通炮泥对比发现，平均总装藥量增加22.01%的情况下，噪声降低了31.65%，充分说明本消声装置的可实用性。

在洞门采取竹胶板防护门和设置防护门帘组合形式后，爆破飞石大部分被阻隔在洞内。由于防护门帘的吸能阻隔，小部分飞石飞出，散落在洞口附近，飞出距离控制在10～30m左右，对附近的人员设备影响比较小。随着施工里程不断增大，掌子面远离洞口，爆破飞石飞出洞口的现象很少发生。

4结论

通过对板障山新增隧道爆破施工过程中电子雷管延期时间的数值计算和现场试验，得到了既有隧道不同电子雷管延期时间下的最大爆破振速。设计发明了一种新型炮孔消声装置及洞口防飞石装置，得到了炮泥堵塞和新型炮孔消声装置应用下的现场场区爆破噪声数据对比，主要结论如下：

1）在掏槽眼电子雷管延期时间为4ms时，既有隧道最大爆破峰值振速现场实测为1.26cm/s，很好地控制对既有隧道的爆破振动影响。

2）新型炮孔消声装置设计及应用后，爆破噪声控制在标准以内。采用新型炮孔消声装置与采用普通炮泥对比：平均总装药量增加22.01%的情况下，噪声降低了31.65%。充分说明本消声装置的可实用性。竹胶板防护门和设置防护门帘组合的应用，使得爆破飞石迸溅的风险降低。