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城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及振動區域劃分探索

文檔作者：閆鴻浩，趙曉磊，李曉杰，王小紅文檔來源：大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2025年05月08日
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82
施工技術
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2016年1月上
第45卷第1期
DOI：10．7672／sgjs2016010082
城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及
振動區域劃分探索木
閆鴻浩，趙曉磊，李曉杰，王小紅
(大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連116024)
[摘要】城市淺埋隧道采用鉆爆法掘進，往往涉及下穿居民區。根據理論計算及現場調整參數，上臺階爆破采用先
行預裂帶和增設掏槽隔振空眼等手段，經過現場爆破振動測試，采用先行預裂帶等手段可以使爆破振動速度降低
到國家標準的50％以下。為保護居民與業主及施工單位的權益，綜合考慮現場地質地貌及前人的結論，進行爆破
振動測試時采用垂直于掘進方向布點，并通過最dx--乘法反演得到薩道夫斯基公式中的K，d值，再根據所得參數
及薩道夫斯基公式計算出影響距離，得出該地質條件下的振動影響距離為38m。
[關鍵詞】隧道工程；地鐵；爆破；振動；先行預裂帶
[中圖分類號】U452．2；U455．6 [文獻標識碼】A [文章編號】1002-8498(2016)ol-0082-06
Exploration of the Blasting Design and Vibration Zone for the Urban
Metro Shallow Tunnels Undercrossing the Building
Yan Honghao，Zhao Xiaolei，Li Xiaojie，Wang Xiaohong
(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，
Dalian University ofTechnology，Dalian，Liaoning 116024，China)
Abstract：Tunneling of the urban shallow tunnels by the method of drilling and blasting often involves
under passing residential areas．Based on the theoretical calculation and the parameters adjusted on·site，
the blasting vibration velocity is decreased under 50％of the national standard，by applying the methods
of presplit blasting for up stage blasting，adding vibration—isolated empty cut holes．In order to protect the
benefit of residents，owners and the construction company，and given the geological and topographical
features of the construction site，the test arrangement should be vertical to the tunneling direction when
monitoring the blasting vibration．Meanwhile，the affected distance can be calculated by the measured
parameters and Sodev’S empirical formula．whose K value and 0【value is gained through the inversion of
least square method．The result is 38m．
Key words：tunnels；metro；blasting；vibration；first pre—splitting band
0 引言
近年來，越來越多的城市為減輕地面交通的壓
力，開始規劃或建設城市地鐵。地鐵線路大多需穿
越城市繁華區域，相對于明挖法會阻斷交通、涉及
居民區拆遷等可能存在擾民的特點而言，淺埋暗挖
法具有靈活多變，不影響交通，拆遷占地少等優點，
+國家自然科學基金項目(10872044，10972051，10902023，
11272081)；工業裝備結構分析國家重點實驗室自主研究課題
(S12107)
[作者簡介】閆鴻浩，博士，博士生導師，E—mail：honghaoyan@vip．
sina．com
[收稿日期】2015-02-06；[修訂日期]2015-05·11
目前已被各大城市地鐵工程廣泛應用?。考慮到
盾構法的成本問題以及對地質發生變化時的不適
應性，鉆爆法仍將是巖石隧道掘進的主要方法舊】。
在隧道爆破振動試驗的有關研究中，張繼春
等¨1給出了掌子面后方因“空洞效應”的存在導致
衰減規律不符合薩道夫斯基公式，掌子面前方振動
規律符合。唐海等M1的試驗表明凹形地貌對爆破
振動有衰減效應而凸形地貌對振動有放大效應。
孫秀民等¨。在滬蓉西高速公路ZKl07+157一
ZKl07+268段路塹邊坡爆破振動測試中給出了建
筑物的安全距離判據。但對城市淺埋隧道的爆破
振動區域劃分的有關文獻較少。
萬方數據
2016 No．1 閆鴻浩等：城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及振動區域劃分探索83
城市地鐵以淺埋隧道為主，施工周期長，在涉
及穿越居民區爆破開挖時產生的振動難免會對周
圍民宅產生影響，很容易對一些老百姓產生爆破
“擾民”或“民擾”爆破的情況，對居民的身心健康與
施工的順利進行會造成不可估量的影響¨’。
一般來說，淺埋地下工程爆破減振常用方法¨1
有以下幾種：①選擇合理的掏槽方式；②選擇合適
的炸藥品種；③選擇合適的起爆時差；④選擇合理
的開挖方式；⑤選擇合理的循環進尺；⑥適當的裝
藥結構和爆破方式；⑦選擇合適的炸藥單耗。文獻
[7-10]都采用了加打隔振空眼和根據實際情況調整
掏槽方式，獲得良好的爆破效果。而文獻[10—13]還
采用了限制最大單段藥量、縮小進尺、隨時調整爆
破參數、采用超前小導坑等復合手段，成功地控制
了爆破振速通過危房段。
在201 1—2013年大連地鐵隧道爆破施工期間，
居民反映爆破振動對其房屋造成較嚴重影響。為
充分考慮居民權益，同時維護業主及施工單位權
益，劃分隧道爆破的影響區域非常必要。
l 工程概況
大連市地鐵一期工程212標段由中鐵十一局承
擔，包括機辛區間，線路分左、右雙線，線間距
12．5—15m。機辛區間設計里程為右線里程CK26+
577．093--CK29+220．166，右線全長2 643．073m，
左線長2 771．791m，含長鏈28．718m。區間隧道結
構最大覆土厚度為23．27m，最小覆土厚度為
10．91m，變化幅度相差較大。區間于右線DK27+
128．700和DK28+655．000處分別設置1座施工豎
井，DK28+105．300處設置l座通風機房。Ⅲ，Ⅳ級
圍巖開挖斷面面積約31．5m2。
該施工地貌為山前沖洪積平原，上覆第四系人
工堆積層，第四系全新統沖洪積粉質黏土、碎石層，
第四系上更新統坡洪積黏土層，下伏震旦系南關嶺
組泥灰巖，并有燕山期侵入的輝綠巖，巖體較完整，
局部節理裂隙較發育。隧道圍巖主要為中風化泥
灰巖，局部發育巖溶。該地層巖石縱波波速
3 500m／s，抗壓強度40—60MPa。地下水為基巖裂
隙水，主要賦存于中風化泥灰巖的裂隙以及溶隙中。
經實地考察，居民普遍反映較強烈的住宅均為
由毛石砌成的毛石房屋，外墻水泥勾縫，建筑時間
長短不一，大部分為平房，窗角、墻角等處有裂紋存
在，按《爆破安全規程》GB6722--2003[14]規定應劃
歸為“土窯洞、土坯房，毛石房屋”一類。
2監測內容
綜合前人研究結果，選擇在掌子面垂直掘進方
向測試有如下幾點原因：①能不受掌子面后方空洞
效應的干擾；②測試地點在居民住宅附近可真實反
映出住宅振動大小；③可避免在凹凸地形產生的衰
減、放大效應的干擾。布點盡量垂直于隧道走向，
以掌子面為對稱面，按照近密遠疏原則，共放置12
臺儀器。爆破測振儀為三通道并行采集，設置采樣
率為2K，振動時長設定1 8，觸發選擇0．02em／s。測
量爆破時不同距離下的振動速度，用以反演爆破振
動衰減系數，并根據測試所得3個方向的分速度及
合速度，擬合其公式。爆破振動測試布點如圖1所
示。為確保距離測量準確，調閱施工進度圖及現場
測量部有關人員，用GPS衛星定位掌子面位置及測
距儀測量，并在測點上做好標記。
圖1監測點布置
Fig．1 The location of the monitoring point
3爆破方案設計
3．1炮孔深度
炮孔深度不僅決定爆破循環進尺與掘進速度，
而且影響爆破效果，是爆破地震效應的主要影響因
素之一。根據勘探結果，該場地輝綠巖為中等硬
度，為防止爆破產生較大的夾制力導致炮孔利用率
降低，應采用合適的炮孔深度。選擇合適的炮孔深
度可以減輕爆破產生的地震效應，保護圍巖。因
此，上臺階循環進尺暫定為0．75m，孔深0．8m。
3．2上臺階爆破選擇方案
隧道掘進爆破的炸藥單耗主要與巖性和開挖
斷面積有關。但是本工程爆破設計主要考慮爆破
振動速度必須滿足《爆破安全規程》的要求。利用
薩道夫斯基公式計算爆破最大一段裝藥量。計算
時分別考慮3個部位：預裂爆破區域、掏槽區域、輔
助孔及次周爆破區域。
由于爆破最大振速決定于最大單段藥量。爆
源與需要保護的建筑物之間的距離尺是已知的(根
據現有資料表明拱頂埋深平均15m左右)，可以用
萬方數據
施工技術第45卷
薩道夫斯基公式，求算掏槽部分延時爆破最大一段
裝藥量。
保護對象所在地質點振動安全允許速度，本設
計取1．0cm／s；K，儀為與爆破點至計算保護對象間
的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，本次檢
算時圍巖為IV級，主要為中風化泥灰巖，考慮K取
200，a取1．8。
1)經過計算預裂帶區域最大一段起爆藥量為
0．49kg(相當于2．5卷炸藥，每卷2009)。
2)掏槽爆破時，爆破點距離保護物體增加了
1．6m距離。經過計算掏槽區域最大一段起爆藥量
為0．67kg(相當于3卷炸藥，每卷2009)。
3)輔助孔及次周爆破區域：當掏槽完成后，緊
接后續爆破，根據經驗其產生的振動較掏槽小。依
照最小15m距離計算，該區域最大一段起爆藥量為
O．49kg(相當于2．5卷炸藥，每卷2009)。
4)楔形掏槽能為輔助眼爆破創造較好的臨空
面，可以有效減少輔助眼爆破時的振動強度¨5|。但
楔形掏槽傾角需對稱，傾角不對稱時會嚴重影響炮
孔利用率、槽腔深度和槽腔體積¨6|。角度小爆破效
果好，但鉆孔困難，角度大效果差，多次現場試驗后
將角度定為55。。空孔每次打設10m，目的是提供
局部臨空面，從而在楔形掏槽中減輕巖石的夾制作
用，從而達到減振效果Ⅲ1。
3．3炮眼參數(見表1)
表1上臺階炮眼參數
Table 1 Argument list of upper bench blasting design
3．4炮孔布置
按上述參數進行炮孔布置，如圖2所示。
3．5起爆網路
為降低最大一段齊發爆破藥量，應充分使用奇
數段別雷管。為實現逐孔起爆，應將爆破斷面分區
或分排，并采用孔內外微差的方式進行，起爆網路
圖2炮孔布置
Fig．2 Arrangement plan of blast hole
如圖3所示。其顯著特征是：區域之間采用MS-2，
MS-7，MS-9段非電導爆管雷管過渡。
：囊。至搿2。4"2鬻。．蕊墨：甍：，，
3．7裝藥結構
預裂孔采用中部裝藥，其余采用孔底連續裝
藥，封堵0．60m。
3．8振速驗算和爆破參數調整
根據最大一段裝藥量通過薩道夫斯基公式反
算爆破振動速度如下：
預裂爆破區域最大一段起爆藥量為O．40kg，民
萬方數據
閆鴻浩等：城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及振動區域劃分探索85
宅處的爆破振動計算：
a
V=rQ丁／R。=0．88em／s<1．0cm／s
掏槽爆破時，爆破點距離保護物體又有了1．6m
距離增加，掏槽區域最大一段起爆藥量為0．40kg
(相當于2卷炸藥，每卷2009)，民宅處的爆破振動
計算：
a
V=KQ丁／R8=0．73cm／s<1．0cm／s
輔助孔及次周爆破區域，最大一段起爆藥量為
0．40kg(相當于2卷炸藥，每卷2009)，民宅處的爆
破振動計算：
V=KQ了／R。=0．88cm／s<1．0cm／s
爆破參數調整：爆破參數從最小單段藥量開
始，保持起爆網路不變，第1次嚴格按照方案中爆破
參數施工，在地面最近建筑物處測爆破振速，根據
實測數據調整下一次的爆破參數。另外也需根據
實際地質情況進行靈活的調整。根據試驗爆破的
進尺和巖層斷面大小調整炮眼深度和炮眼圈數(排
數)；根據爆破巖塊的大小、圍巖松動范圍調整裝藥
量；根據圍巖硬度調整炮眼單位面積布置個數。
4測試結果及分析
爆破監測數據記錄如表2所示。
4．1爆破振動衰減規律
國內外普遍采用薩道夫斯基公式表達：
．3r-'o
V：kf,／Ql (1)
＼R／
式(1)中能反映爆破的振動衰減規律的是式中
K，a這2個參數可用最小二乘法計算反演其大
小¨8‘，反演的基礎是有適量的數據，每套數據包括最
大單段藥量Q(kg)，距離R(m)，振動速度V(cm／s)。
觀察薩道夫斯基公式，可知爆破振動速度受到
裝藥量以及最大一段齊發爆破藥量的影響。除此
之外，爆破振動速度也與爆源和被測點之間距離
有關。
將式(1)兩邊取自然對數變為線性方程：
lnV=lnK+aln(河尺) (2)
令
y=lnV，戈=In(2西／g)
口=1nK．b=a
則有
)，=a+h (3)
對于測試所得的多組V，Q，R數據，代人上式得
到(戈；，yi)。為確定系數D，b通常采用最dx--乘法，
即要使
孝=Σ[)，i一(口茹；+6)]2 (4)
達到最小。根據極值定理，n，b滿足下列方程：
砉差=2莓cyt—c口并r+6，c一茹i，，=。。5，
嘉=2ⅢE E"㈨川)(-?=o
從而解得：
b=于一a面K=e。a=6
n—I n—l
式中：于=Σy／n；=Σ茹i／n。
‘=0 ‘=0
(6)
根據《爆破安全規程》，K，a值的確定與爆破地
點周圍的地形、地質構造等因素有一定的關系Ⅲ1。
結合爆破振動測試記錄表2，統計Q，R，V，形成
表2爆破監測數據記錄
Table 2 Blasting monitoring data
一y一 、，_
一
一
：
y一
一茗
，L
一
．
、J
一
一菇
一
．■
一
一，二，
髫
一!_一、／l¨
，L
一啦∥ o =
萬方數據
施工技術第45卷
lnV與In(√Q／R)數據隊列，繪制lnV與In(√Q／R)
的散點圖，依據最小二乘法擬合直線得出圖5，依據
式(1)～(6)，擬合Y=2．019x+6．427，得K=e“”一
620；Ot=2．02(K值取整，a取兩位小數)。需要注意
的是，圖5中下數第4，5點(一4，一2)附近和上數
第2，3點(一3，0)附近因距離較近圖形重疊。
圖5爆破振動統計擬合
Fig．5 Statistical fitting figure of the blasting vibration
對照國標推薦的K(50—350)與d(1．3—2．0)
值，該測試結果并不能很好吻合，但還是應尊重實
際測試成果。在計算距離時，這里取爆源至測試點
的直線距離，并非水平距離；速度選擇振動速度的
合速度，不考慮單向振動指標。
通過圖5可以看出測試所得的lnV與ln(√Q／
尺)的線性關系很明顯，所得K與a值也較符合實際
地質。
4．2振動分析
1)測試地點為掌子面正上方(56號儀器)的合
速度為1．349 4cm／s(見圖6)，比設計的控制標準
1．0cm／s略有提高，但比對《爆破安全規程》中的爆
破振動允許標準，對于一般磚房，在頻率50～100Hz
時，安全允許速度為2．7—3．0cm／s。若參考國標中
的土坯房、毛石房的標準(1．1—1．5cm／s)，也符合
標準。測試結果比國家標準降低了50％以上。如
需繼續控制振動，可增打隔振空孔，減少掏槽藥量，
但是工期與成本也隨之延長和增加。雖超出設計
指標(1．0cm／s)，但仍處于可接受范圍內，周邊居民
反饋良好。
2)分析振動圖譜6，總體振動時間長度約為
1 200ms。對比起爆網路圖，最長的持續歷程為
1 240ms，與測試時長基本相當。振動圖譜在
?一240000～一250ms區間對應的是預裂爆破區域， lOOms為掏槽爆破振動區域。
3)從圖6也可以看出，預裂爆破區域最大振動
合速度0．85cm／s，而掏槽區域最大振動合速度
1．349 4cm／s。前者爆點距離地面直線距離15m，后
，
竺
暑
j
型
刪
，
∞
量3
j
蜊
制
書”卜竹
時間t／ms
a：方向速度
時間t／ms
b、-合速度
圖6振動測試圖譜
Fig．6 Blasting vibration test spectrum
者距離地面直線距離16．6m，大于前者，在相同的單
段藥量0．4kg下，前者的振動速度應大于后者，但由
于預裂孔兩側的大孔臨空面存在，振動速度得到了
顯著降低，降低幅度約為37％。這表明大孔臨空面
確實起到了降低爆破振動效果。
4)采用這種孔外微差起爆網路，并未發現盲炮
現象。該網路有一定可靠性，只是對爆破工程技術
人員提出了更高要求。
5振動區域劃分探索
5．1爆破器材的使用
大連地鐵對爆炸物品的領用管理嚴守安全防
線，并為此制訂了詳細嚴格的安全規范¨9|，確保調
用準確數據無誤。2011年10月13日一2011年12
月18日，共用炸藥13 536kg，雷管21 960發，單發雷
管承擔的平均藥量0．616 3kg。采用直徑32mm，長
200mm的乳化炸藥，單卷炸藥0．2kg，約為3卷。隧
道爆破掏槽孔的裝藥量是平均單發雷管承擔藥量
的2倍，即每孔1．2kg。
5．2受振動影響的區域劃分
爆破方案中掏槽孔數為6個，設計上是單孔起
爆，為考慮爆破振動的偶發最大影響范圍，把單段
藥量設定為6個掏槽孔齊爆藥量，即7．2kg。
1)根據《爆破安全規程》，對各種爆破對不同類
型建(構)筑物和其他保護對象的振動影響，應采用
不同的安全判據和允許標準。依據汪旭光等嵋叫的
研究，隧道爆破屬于淺孔爆破，其振動主頻分布在
50—100Hz(見表2)，但距爆源越遠頻率也就越接近
房屋固有頻率，有時會出現距爆源近未破壞但距爆
源遠卻出現破壞的情況。考慮到上述情況、施工長
期性及居民舒適性，根據國家標準，對于“土窯洞、
土坯房、毛石房屋”爆破振動速度允許范圍選擇
1．1～1．5cm／s。劃定影響區域，為更加充分考慮居
萬方數據
2016 No．1 閆鴻浩等：城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及振動區域劃分探索87
民權益，選定其下限1．1cm／s，不選擇上限，這樣更
有利于擴大振動影響區域。
根據已知隧道爆破單段最大藥量7．2kg，以及
K，a值，代回薩道夫斯基公式中即可得出尺。扣除
埋深及隧道寬度，爆破振動影響范圍(水平距離隧
道邊界)R≤38．0m。
2)根據測試結果、一段時期內爆破器材領用情
況以及爆破方案，對于進尺1．5m的隧道爆破，掏槽
子L單孔裝藥量正常。單段最大藥量嚴格按照爆破
設計方案的爆破參數核定，而測試中實際藥量均為
單孔起爆。將掏槽孔爆破均考慮為齊發而不是實
際中的單發，增大齊發藥量。該齊發藥量理論上引
起的振動更大，有利于擴大振動影響區域。測試
時，針對試驗實際起爆網路，由于單段藥量小，在
18m處的振動速度<1．1cm／s；38m這一距離是考慮
偶發掏槽孔齊爆下距離，比試驗高。
當掏槽齊發藥量為7．2kg時，得出尺約為44m，
扣除埋深及隧道寬度為38m；當掏槽齊發藥量為該
次測試中的0．4kg時，尺約為17m，扣除埋深及隧道
寬度影響范圍僅為10m左右(與實際測試相符)。
可見，若按照爆破方案來計算，使受振動影響范圍
大幅縮減，不利于保護居民權益。
通過表2可以看出測試點與爆源直線距離>
18m時爆破振動已經<1．1cm／s，但測試點與爆源
的水平距離僅為lOre左右。將爆源與影響區域間
的水平距離擴大至38m，此時直線距離為41m，理論
上引起的振動更小，有利于擴大振動影響區域。
6結語
1)采用先行預裂帶結合延時控制爆破的方案，
可以很好地控制爆破所產生的振動。
2)充分利用奇數段雷管，分區起爆，區域間采
用MS-2，MS-7，MS-9段非電導爆管雷管過渡。采用
這種孔外微差起爆網路，并未發現盲炮現象。說明
該網路有一定可靠性，只是對爆破工程技術人員提
出了更高要求。
3)在計算所得方案基礎上根據實時振動監測
靈活調整爆破參數，從最小單段藥量開始，保持起
爆網路不變。
4)如需繼續控制振動，可以在掌子面周邊增打
隔振空孔并減少掏槽藥量，但是工期與成本也隨之
增加。
5)考慮到爆破作業的長期性和以人為本的方
針，采取更加合理的振動指標。目前該區間已順利
通過，效果良好。
6)由以上分析可以看出該爆破方案和距離劃
分方案是可行的。嚴格上講，爆破振動影響的定義
過于寬泛，當前還未從全國層面上進行界定。本文
結合實際情況，由地方爆破評估專家委員會給予界
定。把爆破振動區域劃分過多，不利于實際劃分操
作，如居民房屋類型上就低不選高；振動速度范圍
弱化超標區域概念。這里只是劃分影響范圍，在范
圍內影響層度，翻修房屋的費用還需具備房屋鑒定
資質的單位進行核算。
7)該劃分方式得到了指揮部、施工單位、周邊
居民普遍認可，使得施工作業可以繼續推進。
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