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城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及振动区域划分探索

文档作者：闫鸿浩，赵晓磊，李晓杰，王小红文档来源：大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2025年05月08日
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82
施工技术
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2016年1月上
第45卷第1期
DOI：10．7672／sgjs2016010082
城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及
振动区域划分探索木
闫鸿浩，赵晓磊，李晓杰，王小红
(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)
[摘要】城市浅埋隧道采用钻爆法掘进，往往涉及下穿居民区。根据理论计算及现场调整参数，上台阶爆破采用先
行预裂带和增设掏槽隔振空眼等手段，经过现场爆破振动测试，采用先行预裂带等手段可以使爆破振动速度降低
到国家标准的50％以下。为保护居民与业主及施工单位的权益，综合考虑现场地质地貌及前人的结论，进行爆破
振动测试时采用垂直于掘进方向布点，并通过最dx--乘法反演得到萨道夫斯基公式中的K，d值，再根据所得参数
及萨道夫斯基公式计算出影响距离，得出该地质条件下的振动影响距离为38m。
[关键词】隧道工程；地铁；爆破；振动；先行预裂带
[中图分类号】U452．2；U455．6 [文献标识码】A [文章编号】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
近年来，越来越多的城市为减轻地面交通的压
力，开始规划或建设城市地铁。地铁线路大多需穿
越城市繁华区域，相对于明挖法会阻断交通、涉及
居民区拆迁等可能存在扰民的特点而言，浅埋暗挖
法具有灵活多变，不影响交通，拆迁占地少等优点，
+国家自然科学基金项目(10872044，10972051，10902023，
11272081)；工业装备结构分析国家重点实验室自主研究课题
(S12107)
[作者简介】闫鸿浩，博士，博士生导师，E—mail：honghaoyan@vip．
sina．com
[收稿日期】2015-02-06；[修订日期]2015-05·11
目前已被各大城市地铁工程广泛应用⋯。考虑到
盾构法的成本问题以及对地质发生变化时的不适
应性，钻爆法仍将是岩石隧道掘进的主要方法旧】。
在隧道爆破振动试验的有关研究中，张继春
等¨1给出了掌子面后方因“空洞效应”的存在导致
衰减规律不符合萨道夫斯基公式，掌子面前方振动
规律符合。唐海等M1的试验表明凹形地貌对爆破
振动有衰减效应而凸形地貌对振动有放大效应。
孙秀民等¨。在沪蓉西高速公路ZKl07+157一
ZKl07+268段路堑边坡爆破振动测试中给出了建
筑物的安全距离判据。但对城市浅埋隧道的爆破
振动区域划分的有关文献较少。
万方数据
2016 No．1 闫鸿浩等：城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及振动区域划分探索83
城市地铁以浅埋隧道为主，施工周期长，在涉
及穿越居民区爆破开挖时产生的振动难免会对周
围民宅产生影响，很容易对一些老百姓产生爆破
“扰民”或“民扰”爆破的情况，对居民的身心健康与
施工的顺利进行会造成不可估量的影响¨’。
一般来说，浅埋地下工程爆破减振常用方法¨1
有以下几种：①选择合理的掏槽方式；②选择合适
的炸药品种；③选择合适的起爆时差；④选择合理
的开挖方式；⑤选择合理的循环进尺；⑥适当的装
药结构和爆破方式；⑦选择合适的炸药单耗。文献
[7-10]都采用了加打隔振空眼和根据实际情况调整
掏槽方式，获得良好的爆破效果。而文献[10—13]还
采用了限制最大单段药量、缩小进尺、随时调整爆
破参数、采用超前小导坑等复合手段，成功地控制
了爆破振速通过危房段。
在201 1—2013年大连地铁隧道爆破施工期间，
居民反映爆破振动对其房屋造成较严重影响。为
充分考虑居民权益，同时维护业主及施工单位权
益，划分隧道爆破的影响区域非常必要。
l 工程概况
大连市地铁一期工程212标段由中铁十一局承
担，包括机辛区间，线路分左、右双线，线间距
12．5—15m。机辛区间设计里程为右线里程CK26+
577．093--CK29+220．166，右线全长2 643．073m，
左线长2 771．791m，含长链28．718m。区间隧道结
构最大覆土厚度为23．27m，最小覆土厚度为
10．91m，变化幅度相差较大。区间于右线DK27+
128．700和DK28+655．000处分别设置1座施工竖
井，DK28+105．300处设置l座通风机房。Ⅲ，Ⅳ级
围岩开挖断面面积约31．5m2。
该施工地貌为山前冲洪积平原，上覆第四系人
工堆积层，第四系全新统冲洪积粉质黏土、碎石层，
第四系上更新统坡洪积黏土层，下伏震旦系南关岭
组泥灰岩，并有燕山期侵入的辉绿岩，岩体较完整，
局部节理裂隙较发育。隧道围岩主要为中风化泥
灰岩，局部发育岩溶。该地层岩石纵波波速
3 500m／s，抗压强度40—60MPa。地下水为基岩裂
隙水，主要赋存于中风化泥灰岩的裂隙以及溶隙中。
经实地考察，居民普遍反映较强烈的住宅均为
由毛石砌成的毛石房屋，外墙水泥勾缝，建筑时间
长短不一，大部分为平房，窗角、墙角等处有裂纹存
在，按《爆破安全规程》GB6722--2003[14]规定应划
归为“土窑洞、土坯房，毛石房屋”一类。
2监测内容
综合前人研究结果，选择在掌子面垂直掘进方
向测试有如下几点原因：①能不受掌子面后方空洞
效应的干扰；②测试地点在居民住宅附近可真实反
映出住宅振动大小；③可避免在凹凸地形产生的衰
减、放大效应的干扰。布点尽量垂直于隧道走向，
以掌子面为对称面，按照近密远疏原则，共放置12
台仪器。爆破测振仪为三通道并行采集，设置采样
率为2K，振动时长设定1 8，触发选择0．02em／s。测
量爆破时不同距离下的振动速度，用以反演爆破振
动衰减系数，并根据测试所得3个方向的分速度及
合速度，拟合其公式。爆破振动测试布点如图1所
示。为确保距离测量准确，调阅施工进度图及现场
测量部有关人员，用GPS卫星定位掌子面位置及测
距仪测量，并在测点上做好标记。
图1监测点布置
Fig．1 The location of the monitoring point
3爆破方案设计
3．1炮孔深度
炮孔深度不仅决定爆破循环进尺与掘进速度，
而且影响爆破效果，是爆破地震效应的主要影响因
素之一。根据勘探结果，该场地辉绿岩为中等硬
度，为防止爆破产生较大的夹制力导致炮孔利用率
降低，应采用合适的炮孔深度。选择合适的炮孔深
度可以减轻爆破产生的地震效应，保护围岩。因
此，上台阶循环进尺暂定为0．75m，孔深0．8m。
3．2上台阶爆破选择方案
隧道掘进爆破的炸药单耗主要与岩性和开挖
断面积有关。但是本工程爆破设计主要考虑爆破
振动速度必须满足《爆破安全规程》的要求。利用
萨道夫斯基公式计算爆破最大一段装药量。计算
时分别考虑3个部位：预裂爆破区域、掏槽区域、辅
助孔及次周爆破区域。
由于爆破最大振速决定于最大单段药量。爆
源与需要保护的建筑物之间的距离尺是已知的(根
据现有资料表明拱顶埋深平均15m左右)，可以用
万方数据
施工技术第45卷
萨道夫斯基公式，求算掏槽部分延时爆破最大一段
装药量。
保护对象所在地质点振动安全允许速度，本设
计取1．0cm／s；K，仪为与爆破点至计算保护对象间
的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，本次检
算时围岩为IV级，主要为中风化泥灰岩，考虑K取
200，a取1．8。
1)经过计算预裂带区域最大一段起爆药量为
0．49kg(相当于2．5卷炸药，每卷2009)。
2)掏槽爆破时，爆破点距离保护物体增加了
1．6m距离。经过计算掏槽区域最大一段起爆药量
为0．67kg(相当于3卷炸药，每卷2009)。
3)辅助孔及次周爆破区域：当掏槽完成后，紧
接后续爆破，根据经验其产生的振动较掏槽小。依
照最小15m距离计算，该区域最大一段起爆药量为
O．49kg(相当于2．5卷炸药，每卷2009)。
4)楔形掏槽能为辅助眼爆破创造较好的临空
面，可以有效减少辅助眼爆破时的振动强度¨5|。但
楔形掏槽倾角需对称，倾角不对称时会严重影响炮
孔利用率、槽腔深度和槽腔体积¨6|。角度小爆破效
果好，但钻孔困难，角度大效果差，多次现场试验后
将角度定为55。。空孔每次打设10m，目的是提供
局部临空面，从而在楔形掏槽中减轻岩石的夹制作
用，从而达到减振效果Ⅲ1。
3．3炮眼参数(见表1)
表1上台阶炮眼参数
Table 1 Argument list of upper bench blasting design
3．4炮孔布置
按上述参数进行炮孔布置，如图2所示。
3．5起爆网路
为降低最大一段齐发爆破药量，应充分使用奇
数段别雷管。为实现逐孔起爆，应将爆破断面分区
或分排，并采用孔内外微差的方式进行，起爆网路
图2炮孔布置
Fig．2 Arrangement plan of blast hole
如图3所示。其显著特征是：区域之间采用MS-2，
MS-7，MS-9段非电导爆管雷管过渡。
：囊。至搿2。4"2鬻。．蕊墨：甍：，，
3．7装药结构
预裂孔采用中部装药，其余采用孔底连续装
药，封堵0．60m。
3．8振速验算和爆破参数调整
根据最大一段装药量通过萨道夫斯基公式反
算爆破振动速度如下：
预裂爆破区域最大一段起爆药量为O．40kg，民
万方数据
闫鸿浩等：城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及振动区域划分探索85
宅处的爆破振动计算：
a
V=rQ丁／R。=0．88em／s<1．0cm／s
掏槽爆破时，爆破点距离保护物体又有了1．6m
距离增加，掏槽区域最大一段起爆药量为0．40kg
(相当于2卷炸药，每卷2009)，民宅处的爆破振动
计算：
a
V=KQ丁／R8=0．73cm／s<1．0cm／s
辅助孔及次周爆破区域，最大一段起爆药量为
0．40kg(相当于2卷炸药，每卷2009)，民宅处的爆
破振动计算：
V=KQ了／R。=0．88cm／s<1．0cm／s
爆破参数调整：爆破参数从最小单段药量开
始，保持起爆网路不变，第1次严格按照方案中爆破
参数施工，在地面最近建筑物处测爆破振速，根据
实测数据调整下一次的爆破参数。另外也需根据
实际地质情况进行灵活的调整。根据试验爆破的
进尺和岩层断面大小调整炮眼深度和炮眼圈数(排
数)；根据爆破岩块的大小、围岩松动范围调整装药
量；根据围岩硬度调整炮眼单位面积布置个数。
4测试结果及分析
爆破监测数据记录如表2所示。
4．1爆破振动衰减规律
国内外普遍采用萨道夫斯基公式表达：
．3r-'o
V：kf,／Ql (1)
＼R／
式(1)中能反映爆破的振动衰减规律的是式中
K，a这2个参数可用最小二乘法计算反演其大
小¨8‘，反演的基础是有适量的数据，每套数据包括最
大单段药量Q(kg)，距离R(m)，振动速度V(cm／s)。
观察萨道夫斯基公式，可知爆破振动速度受到
装药量以及最大一段齐发爆破药量的影响。除此
之外，爆破振动速度也与爆源和被测点之间距离
有关。
将式(1)两边取自然对数变为线性方程：
lnV=lnK+aln(河尺) (2)
令
y=lnV，戈=In(2西／g)
口=1nK．b=a
则有
)，=a+h (3)
对于测试所得的多组V，Q，R数据，代人上式得
到(戈；，yi)。为确定系数D，b通常采用最dx--乘法，
即要使
孝=Σ[)，i一(口茹；+6)]2 (4)
达到最小。根据极值定理，n，b满足下列方程：
砉差=2莓cyt—c口并r+6，c一茹i，，=。。5，
嘉=2ⅢE E"㈨川)(-⋯=o
从而解得：
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)
根据《爆破安全规程》，K，a值的确定与爆破地
点周围的地形、地质构造等因素有一定的关系Ⅲ1。
结合爆破振动测试记录表2，统计Q，R，V，形成
表2爆破监测数据记录
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 =
万方数据
施工技术第45卷
lnV与In(√Q／R)数据队列，绘制lnV与In(√Q／R)
的散点图，依据最小二乘法拟合直线得出图5，依据
式(1)～(6)，拟合Y=2．019x+6．427，得K=e“”一
620；Ot=2．02(K值取整，a取两位小数)。需要注意
的是，图5中下数第4，5点(一4，一2)附近和上数
第2，3点(一3，0)附近因距离较近图形重叠。
图5爆破振动统计拟合
Fig．5 Statistical fitting figure of the blasting vibration
对照国标推荐的K(50—350)与d(1．3—2．0)
值，该测试结果并不能很好吻合，但还是应尊重实
际测试成果。在计算距离时，这里取爆源至测试点
的直线距离，并非水平距离；速度选择振动速度的
合速度，不考虑单向振动指标。
通过图5可以看出测试所得的lnV与ln(√Q／
尺)的线性关系很明显，所得K与a值也较符合实际
地质。
4．2振动分析
1)测试地点为掌子面正上方(56号仪器)的合
速度为1．349 4cm／s(见图6)，比设计的控制标准
1．0cm／s略有提高，但比对《爆破安全规程》中的爆
破振动允许标准，对于一般砖房，在频率50～100Hz
时，安全允许速度为2．7—3．0cm／s。若参考国标中
的土坯房、毛石房的标准(1．1—1．5cm／s)，也符合
标准。测试结果比国家标准降低了50％以上。如
需继续控制振动，可增打隔振空孔，减少掏槽药量，
但是工期与成本也随之延长和增加。虽超出设计
指标(1．0cm／s)，但仍处于可接受范围内，周边居民
反馈良好。
2)分析振动图谱6，总体振动时间长度约为
1 200ms。对比起爆网路图，最长的持续历程为
1 240ms，与测试时长基本相当。振动图谱在
⋯一240000～一250ms区间对应的是预裂爆破区域， lOOms为掏槽爆破振动区域。
3)从图6也可以看出，预裂爆破区域最大振动
合速度0．85cm／s，而掏槽区域最大振动合速度
1．349 4cm／s。前者爆点距离地面直线距离15m，后
，
竺
暑
j
型
删
，
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量3
j
蜊
制
书”卜竹
时间t／ms
a：方向速度
时间t／ms
b、-合速度
图6振动测试图谱
Fig．6 Blasting vibration test spectrum
者距离地面直线距离16．6m，大于前者，在相同的单
段药量0．4kg下，前者的振动速度应大于后者，但由
于预裂孔两侧的大孔临空面存在，振动速度得到了
显著降低，降低幅度约为37％。这表明大孔临空面
确实起到了降低爆破振动效果。
4)采用这种孔外微差起爆网路，并未发现盲炮
现象。该网路有一定可靠性，只是对爆破工程技术
人员提出了更高要求。
5振动区域划分探索
5．1爆破器材的使用
大连地铁对爆炸物品的领用管理严守安全防
线，并为此制订了详细严格的安全规范¨9|，确保调
用准确数据无误。2011年10月13日一2011年12
月18日，共用炸药13 536kg，雷管21 960发，单发雷
管承担的平均药量0．616 3kg。采用直径32mm，长
200mm的乳化炸药，单卷炸药0．2kg，约为3卷。隧
道爆破掏槽孔的装药量是平均单发雷管承担药量
的2倍，即每孔1．2kg。
5．2受振动影响的区域划分
爆破方案中掏槽孔数为6个，设计上是单孔起
爆，为考虑爆破振动的偶发最大影响范围，把单段
药量设定为6个掏槽孔齐爆药量，即7．2kg。
1)根据《爆破安全规程》，对各种爆破对不同类
型建(构)筑物和其他保护对象的振动影响，应采用
不同的安全判据和允许标准。依据汪旭光等嵋叫的
研究，隧道爆破属于浅孔爆破，其振动主频分布在
50—100Hz(见表2)，但距爆源越远频率也就越接近
房屋固有频率，有时会出现距爆源近未破坏但距爆
源远却出现破坏的情况。考虑到上述情况、施工长
期性及居民舒适性，根据国家标准，对于“土窑洞、
土坯房、毛石房屋”爆破振动速度允许范围选择
1．1～1．5cm／s。划定影响区域，为更加充分考虑居
万方数据
2016 No．1 闫鸿浩等：城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及振动区域划分探索87
民权益，选定其下限1．1cm／s，不选择上限，这样更
有利于扩大振动影响区域。
根据已知隧道爆破单段最大药量7．2kg，以及
K，a值，代回萨道夫斯基公式中即可得出尺。扣除
埋深及隧道宽度，爆破振动影响范围(水平距离隧
道边界)R≤38．0m。
2)根据测试结果、一段时期内爆破器材领用情
况以及爆破方案，对于进尺1．5m的隧道爆破，掏槽
子L单孔装药量正常。单段最大药量严格按照爆破
设计方案的爆破参数核定，而测试中实际药量均为
单孔起爆。将掏槽孔爆破均考虑为齐发而不是实
际中的单发，增大齐发药量。该齐发药量理论上引
起的振动更大，有利于扩大振动影响区域。测试
时，针对试验实际起爆网路，由于单段药量小，在
18m处的振动速度<1．1cm／s；38m这一距离是考虑
偶发掏槽孔齐爆下距离，比试验高。
当掏槽齐发药量为7．2kg时，得出尺约为44m，
扣除埋深及隧道宽度为38m；当掏槽齐发药量为该
次测试中的0．4kg时，尺约为17m，扣除埋深及隧道
宽度影响范围仅为10m左右(与实际测试相符)。
可见，若按照爆破方案来计算，使受振动影响范围
大幅缩减，不利于保护居民权益。
通过表2可以看出测试点与爆源直线距离>
18m时爆破振动已经<1．1cm／s，但测试点与爆源
的水平距离仅为lOre左右。将爆源与影响区域间
的水平距离扩大至38m，此时直线距离为41m，理论
上引起的振动更小，有利于扩大振动影响区域。
6结语
1)采用先行预裂带结合延时控制爆破的方案，
可以很好地控制爆破所产生的振动。
2)充分利用奇数段雷管，分区起爆，区域间采
用MS-2，MS-7，MS-9段非电导爆管雷管过渡。采用
这种孔外微差起爆网路，并未发现盲炮现象。说明
该网路有一定可靠性，只是对爆破工程技术人员提
出了更高要求。
3)在计算所得方案基础上根据实时振动监测
灵活调整爆破参数，从最小单段药量开始，保持起
爆网路不变。
4)如需继续控制振动，可以在掌子面周边增打
隔振空孔并减少掏槽药量，但是工期与成本也随之
增加。
5)考虑到爆破作业的长期性和以人为本的方
针，采取更加合理的振动指标。目前该区间已顺利
通过，效果良好。
6)由以上分析可以看出该爆破方案和距离划
分方案是可行的。严格上讲，爆破振动影响的定义
过于宽泛，当前还未从全国层面上进行界定。本文
结合实际情况，由地方爆破评估专家委员会给予界
定。把爆破振动区域划分过多，不利于实际划分操
作，如居民房屋类型上就低不选高；振动速度范围
弱化超标区域概念。这里只是划分影响范围，在范
围内影响层度，翻修房屋的费用还需具备房屋鉴定
资质的单位进行核算。
7)该划分方式得到了指挥部、施工单位、周边
居民普遍认可，使得施工作业可以继续推进。
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