復(fù)雜敏感環(huán)境城區(qū)隧道爆破振動及噪聲控制技術(shù)

種玉配 李治國 馬占國 劉書奎

[關(guān)鍵詞]敏感環(huán)境：爆破振動：爆破噪聲：電子雷管

0引言

對于城市市區(qū)交通工程隧道和巖基類地層，以當(dāng)前的技術(shù)條件，采用鉆爆法開挖堅(jiān)硬巖石隧道相對來說是最經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，但又不可避免地對既有隧道、周邊建（構(gòu)）筑物及居民生活帶來不利影響。需要對城區(qū)隧道爆破振動及噪聲進(jìn)行控制。

在隧道爆破振動控制方面，危皓等通過優(yōu)化炮孔裝藥量和起爆順序，制定了預(yù)裂和光面綜合爆破的大斷面爆破開挖方案，對爆破振動能量有很好的衰減效果。學(xué)者們分析了預(yù)裂縫和減振孔的減振機(jī)理，對比了不同排水減振孔后的減振效果。王松青等通過分臺階爆破、松動爆破、直孔掏槽、周邊密集減振孔、空氣間隔裝藥等優(yōu)化設(shè)計(jì)，將峰值振速控制在安全允許速度以下。宗琦等在地鐵下穿磚混結(jié)構(gòu)建筑物段，通過減少最大單段藥量、多分段和增加上、下臺階的距離來優(yōu)化爆破方案，使建筑物更為安全。李小貝研究發(fā)現(xiàn)，既有隧道在距離爆破點(diǎn)最近的斷面振速達(dá)到峰值，且襯砌中迎爆側(cè)墻腰區(qū)域的峰值振速和峰值應(yīng)力最大。在爆破噪聲控制方面，王武剛通過控制用藥量以及信息化施工監(jiān)測等措施，動態(tài)調(diào)整、控制噪聲。龔倫提出覆蓋爆破聲源體、高精度雷管等措施，降低爆破噪聲。孫燕提出了爆破噪聲管理方案。

相關(guān)學(xué)者主要采用控制最大單段藥量、預(yù)裂爆破和減振孔等措施進(jìn)行爆破振動的控制，采用光面爆破、控制最大單段藥量和覆蓋爆源等措施進(jìn)行爆破噪聲的控制，并且爆破周邊環(huán)境相對簡單，保護(hù)對象單一。

本文中，針對珠海板障山新增隧道，采用掏槽眼延期時(shí)間控制和發(fā)明設(shè)計(jì)一種新型炮孔堵塞裝置，輔以洞口竹膠板防護(hù)門和防護(hù)門簾，進(jìn)行爆破振動、噪聲和飛石的控制，以實(shí)現(xiàn)對既有隧道、周邊建（構(gòu)）筑物的保護(hù)。

1工程概況

板樟山新增隧道工程位于廣東省珠海市香洲區(qū)，是跨越板樟山、連接香洲和拱北的重要南北向城市主干道。新增隧道圍巖主要為中、微風(fēng)化砂巖，巖石較破碎，圍巖為II～I(xiàn)II級：但隧道兩端洞口處巖體風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體完整性較差，圍巖為V級。新增上、下行隧道與既有隧道緊鄰，最小凈間距約1倍洞徑。采用爆破施工，必然會對既有隧道產(chǎn)生一定的影響。隧道洞口周邊環(huán)境復(fù)雜，建（構(gòu)）筑物繁多，共計(jì)42棟，最近處房屋距離隧道口約40m。減少隧道施工對隧道周邊居民的影響是本工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一。

2既有隧道爆破振動控制

2.1數(shù)值計(jì)算

2.1.1材料單元的選取

在ANSYS/LS-DYNA中，一般采用高性能炸藥材料*Mat_High _Explosive _Burn來模擬炸藥的爆轟；采用狀態(tài)方程*EOS_JWL來描述爆炸時(shí)炸藥材料的壓力特征，同時(shí)，可以描述炸藥爆炸產(chǎn)生的單位體積的內(nèi)能、爆轟產(chǎn)物的壓力和相對體積參數(shù)。本次模擬使用炸藥的具體參數(shù)見表1。

一般采用*Mat Plastic Kinematic來描述巖石材料，這是一種考慮了材料失效的隨動硬化、各向同性以及應(yīng)變率有關(guān)的模型。砂巖的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.1.2數(shù)值模型建立

模型邊界選取左右邊界150m，上下邊界85m，隧道埋深30m，沿隧道軸向邊界80m。新增隧道與既有隧道間距為20m。模型中，平行于隧道中心線的為X方向，垂直于隧道中心線并指向隧道掘進(jìn)方向的為y方向，垂直于隧道中心線并指向地表的為Z方向。模型四周設(shè)置無反射邊界條件。為了簡化模型，一共設(shè)置了7個(gè)掏槽孔、24個(gè)擴(kuò)槽孔、10個(gè)輔助眼和10個(gè)周邊眼，整個(gè)模型共劃分468 925個(gè)節(jié)點(diǎn)，444357個(gè)單元，數(shù)值模擬模型如圖1所示。模擬中采用電子雷管的掏槽孔孔間延期時(shí)間分別為0、2、4、6、8、10ms。

2.1.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

選取既有隧道迎爆側(cè)邊墻上的點(diǎn)，作為爆破振動測點(diǎn)。此處根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，只考慮延期時(shí)間10ms以內(nèi)。統(tǒng)計(jì)不同延期時(shí)間下測點(diǎn)的爆破峰值振速，如表3所示。最大振速方向?yàn)槟Ｐ椭衅叫杏谒淼乐行木€方向。

從表3可以看出，爆破峰值振動速度并不是一味隨著延期時(shí)間的增大而減小。而在延期時(shí)間為4ms時(shí)，爆破峰值振速最小。

2.2現(xiàn)場應(yīng)用

以掏槽孔延期時(shí)間4ms為基準(zhǔn)布置炮眼參數(shù)，如表4所示。其余各孔間延期時(shí)間分別為0、2、6、8、10ms。

數(shù)碼雷管炮眼布置圖見圖2。

以掌子面到既有隧道距離最近斷面為監(jiān)測斷面，布設(shè)爆破振動傳感器，采集最大振速，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，實(shí)測爆破峰值振速隨著延期時(shí)間的變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算的基本一致。在延期時(shí)司為4 ms時(shí)，爆破峰值振速最小。

為了定量地研究不同延期時(shí)間所帶來的減振效果，將質(zhì)點(diǎn)峰值振速降低程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對減振效率P做出定義。計(jì)算公式如下：

按照式（1）計(jì)算不同延期時(shí)間下的減振效率，如圖3所示。

當(dāng)延期時(shí)間取4ms時(shí)，爆破峰值振速相對較小，為1. 26cm/s，相比0ms情況減小了1.39cm/s，減振效率達(dá)52.45%。說明在該種圍巖地質(zhì)條件下，當(dāng)延期爆破的延期時(shí)間取4 ms時(shí)，2個(gè)爆破孔先后起爆，可以實(shí)現(xiàn)波峰與波谷的互相影響而降低振速。

同時(shí)，采集4ms延期時(shí)間下附近建筑物爆破振速，最大振速如表6所示。

從表6可見，周邊建筑物的爆破峰值振速均在0.5cm/s以下，爆破振速控制效果較好。

3爆破噪聲和飛石的控制

3.1新型炮孔消聲裝置

3.1.1新型炮孔消聲裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種用于降低隧道爆破噪聲的炮孔消聲裝置，如圖4所示。整體呈圓臺狀，使用高彈聚酯材料，孔隙率較高，具有一定的吸聲性能。后端直徑為炮孔孔徑35mm;前端略小，為28mm，方便施工過程中塞人炮孔：縱向開設(shè)4條寬度5mm的消聲槽，環(huán)向開設(shè)4條寬度5mm的消聲槽，間距15mm。消聲槽相互連通，形成連續(xù)貫通空間；其中，每個(gè)消聲槽均用于傳播爆破聲波，以使消聲裝置本體充分吸收聲波，進(jìn)而降低爆破噪聲。

3.1.2新型炮孔消聲裝置現(xiàn)場應(yīng)用

使用風(fēng)鉆、鉆桿按照設(shè)計(jì)要求鉆孔之后，在炮孔內(nèi)部裝填炸藥雷管。在距離炮孔200mm位置處，將炮孔消聲裝置本體的前端先裝入炮孔內(nèi)；同時(shí)，注意將腳線沿著炮孔消聲裝置本體的消聲槽引出炮孔，直至炮孔消聲裝置本體的后端與炮孔口齊平，如圖5所示。最后，按照設(shè)計(jì)要求起爆。

3.2防護(hù)門簾

3.2.1現(xiàn)場防護(hù)門簾設(shè)計(jì)

在隧道進(jìn)洞段，往往由于隧道進(jìn)尺長度比較小，掌子面的爆破飛石能夠飛出洞外，造成一定的安全隱患。

為了將飛石阻隔在隧道內(nèi)，在洞門設(shè)置竹膠板防護(hù)門和防護(hù)門簾組合形式。橡膠是高彈性的高分子材料，長鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在較弱的次級力，使橡膠材料呈現(xiàn)出獨(dú)特的黏彈性能。竹膠板是在竹子板上貼了橡膠，防護(hù)門簾也盡量使用橡膠塑料材料。不僅能夠吸收爆破飛石能量，而且能夠保證自身的強(qiáng)度安全。

竹膠板防護(hù)門的尺寸為：兩側(cè)高7m，寬3m;上部高3m，寬6m。竹膠板通過鋼絲繩綁扎在型鋼骨架上，型鋼骨架通過鋼筋與防水臺車進(jìn)行焊接連接。一側(cè)竹膠板上需要開口，方便風(fēng)筒穿過，口徑在600-800mm。

防護(hù)門簾的尺寸為：高5m，寬3m。2塊防護(hù)門簾可以各自獨(dú)立掀開。防護(hù)門簾通過鐵絲與上部的竹膠板型鋼骨架連接?，F(xiàn)場設(shè)置如圖6所示。

3.2.2現(xiàn)場防護(hù)門簾的應(yīng)用

噪聲顯示屏主要起到實(shí)時(shí)監(jiān)測和現(xiàn)場顯示環(huán)境噪聲的功能。監(jiān)測顯示，在爆破后場區(qū)，監(jiān)測的爆破噪聲級為64.2，白天不超過70.0。

通過常規(guī)炮孔堵塞與新型堵塞裝置的堵塞試驗(yàn)，進(jìn)行噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析。消聲效果對比分析如表7所示。

由表7可見，在測試距離均為100m且總裝藥量增加的情況下，平級噪聲級分別為99.2和67.8。采用新型炮孔消聲裝置與采用普通炮泥對比發(fā)現(xiàn)，平均總裝藥量增加22.01%的情況下，噪聲降低了31.65%，充分說明本消聲裝置的可實(shí)用性。

在洞門采取竹膠板防護(hù)門和設(shè)置防護(hù)門簾組合形式后，爆破飛石大部分被阻隔在洞內(nèi)。由于防護(hù)門簾的吸能阻隔，小部分飛石飛出，散落在洞口附近，飛出距離控制在10～30m左右，對附近的人員設(shè)備影響比較小。隨著施工里程不斷增大，掌子面遠(yuǎn)離洞口，爆破飛石飛出洞口的現(xiàn)象很少發(fā)生。

4結(jié)論

通過對板障山新增隧道爆破施工過程中電子雷管延期時(shí)間的數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了既有隧道不同電子雷管延期時(shí)間下的最大爆破振速。設(shè)計(jì)發(fā)明了一種新型炮孔消聲裝置及洞口防飛石裝置，得到了炮泥堵塞和新型炮孔消聲裝置應(yīng)用下的現(xiàn)場場區(qū)爆破噪聲數(shù)據(jù)對比，主要結(jié)論如下：

1）在掏槽眼電子雷管延期時(shí)間為4ms時(shí)，既有隧道最大爆破峰值振速現(xiàn)場實(shí)測為1.26cm/s，很好地控制對既有隧道的爆破振動影響。

2）新型炮孔消聲裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用后，爆破噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。采用新型炮孔消聲裝置與采用普通炮泥對比：平均總裝藥量增加22.01%的情況下，噪聲降低了31.65%。充分說明本消聲裝置的可實(shí)用性。竹膠板防護(hù)門和設(shè)置防護(hù)門簾組合的應(yīng)用，使得爆破飛石迸濺的風(fēng)險(xiǎn)降低。