大斷面城市隧道鉆爆施工對環(huán)境的影響分析及對策

 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市人口的劇激膨脹與有限的空間資源矛盾日益尖銳。研究表明，在30m的深度范圍內(nèi)開發(fā)相當(dāng)于總面積三分之一的地下空間，就等于全部城市地面建筑的容積。因此，各國政府都比較重視，把其視為解決城市集約化矛盾的主要方法，爭相發(fā)展城市地下軌道交通工程，城市地下公路交通工程，逐漸發(fā)展為城市地下綜合體。向地下發(fā)展，巖石的致密性，構(gòu)造單元的長期穩(wěn)定性，決定了采用鉆爆作為開拓地下空間的有效方法，將長期使用。因引，研究地下工程爆破對城市環(huán)境的影響，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過青黃海底隧道青島端接線工程云南路主隧道為實(shí)例，研究爆破對城市環(huán)境的影響，為以后類似工程提供可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
1 工程概況
做為全國斷面最大的城市公路交通工程，膠州灣灣口海底隧道北起青島主城區(qū)東平路，南至黃島后岔村，全長7797.32m，為雙向六車道分離式隧道。青島端接線工程云南路主隧道從東平路起，沿云南路、臺西三路，下穿貴州路、青島8號院小區(qū)，智榮中學(xué)，團(tuán)島消防站于團(tuán)島海岸部隊(duì)駐地內(nèi)與海底部分相接，全長1659.02m。隧道開挖寬17.5m，高13m，斷面186.2m2，埋深在5-29m之間。根據(jù)沿線的隧道埋深及建（構(gòu)）筑物的特征，可將云南路主隧道分為三個(gè)區(qū)段，第一個(gè)區(qū)段為ZK1+145-ZK1+583，該段線路側(cè)穿6棟在建高層建筑，埋深在5-15m之間，開挖邊線距樓房最近處僅3.52m。第二個(gè)區(qū)段為ZK1+583-ZK2+237段，該段埋深在15m-29m之間，地表為上世紀(jì)七、八十年代的建筑物，基礎(chǔ)多以毛石基礎(chǔ)為主，無圈梁、構(gòu)造柱，抗震性能差。第三個(gè)區(qū)段為ZK2+237-ZK2+755段，該段隧道下穿8號院小區(qū)、智榮中學(xué)，團(tuán)島消防站及部隊(duì)家屬院，埋深在15m左右，地表建筑物為上世紀(jì)七、八十年代所建，樓房老舊，結(jié)構(gòu)差，抗震性能差。全線地下管線較多，主要有通信管線，熱力管線，給水管線、污水管線，中煤管線、低煤管線及電力管線，管線埋深為3-5m之間。
因此，選擇云南路主隧道做為鉆爆對環(huán)境的影響比較具有代表性。
2 本工程施工對環(huán)境的影響分析
根據(jù)工程所處的地理位置及周邊環(huán)境，本工程鉆爆施工對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
2.1 爆破振動(dòng)對環(huán)境的影響 該隧道以微風(fēng)化的花崗巖為主，施工中要采用鉆爆作業(yè)，因此，爆破作業(yè)施工對環(huán)境影響的主要原因，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.1.1 爆破振動(dòng)對建筑物的影響 炸藥在巖體中爆炸時(shí)，大部分能量轉(zhuǎn)化為沖擊波和氣體的膨脹力，沖擊波使堅(jiān)硬的物體產(chǎn)生裂縫，氣體的膨脹使裂縫擴(kuò)大，直接用于破碎圍巖，少部分能量轉(zhuǎn)化為地震波，這種地震波的強(qiáng)度隨著爆距的增加而減弱，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄟ_(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起地表建筑物、構(gòu)筑物在水平徑向、水平切向和垂直方向的震動(dòng)，從而造成建筑物不同程度的破壞。
2.1.2 爆破振動(dòng)對地下管線的影響 施工范圍內(nèi)，管線眾多，各種管線縱橫交錯(cuò)，主要有給水管、雨水管、污水管、煤氣、電力、網(wǎng)通、郵電、部隊(duì)專用線等。這些管線埋深在3-5m之間，大多數(shù)管線有二十多年，甚至部分為解放前所埋，年久失修。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對這些管線的接頭等薄弱部位發(fā)生破壞。
2.1.3 居民對爆破振動(dòng)的承受能力 當(dāng)爆破產(chǎn)生的傳至地面時(shí)，會(huì)引起地表及地面建筑物的振動(dòng)，造成居民感覺不適。當(dāng)振動(dòng)速度控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，對房屋不會(huì)造成損傷，但居民的感覺卻比較強(qiáng)烈。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)振動(dòng)速度<0.2m/s時(shí)，僅儀器能感覺到，0.2-0.4m/s時(shí)，靜人能感覺到，0.4-0.8m/s部分人及知道爆破的人能感覺到，0.8-1.5m/s時(shí)大多數(shù)人能感覺到，1.5-3.0m/s時(shí)房屋掉抹灰粉，陳舊的房屋受損。重慶大學(xué)姜德義教授等人研究認(rèn)為“爆破對居民的心理作用有兩個(gè)方面，即：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和震動(dòng)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)持續(xù)時(shí)間接近1s時(shí)，人有明顯感覺，而小于500ms，側(cè)感覺相對較??；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在0.3-0.5m/s時(shí)，居民們是可以接受的”。我單位在該工程施工時(shí)，根據(jù)居民的反應(yīng)情況認(rèn)為：居民們對爆破的承受能力主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和爆破產(chǎn)生的噪音。當(dāng)振動(dòng)速度超過1.5cm/s時(shí)，居民的投訴量會(huì)急劇增加；在洞口段爆破時(shí)，聲音較大，即使是儀器都采集不到振動(dòng)，居民的投訴量依然較多。
2.2 施工引起地表沉降對環(huán)境的影響 對于淺埋暗挖的軟土隧道，隧道開挖拱頂下沉，地下水流失較多時(shí)容易使地表產(chǎn)生較大的沉降（見地表沉降示意圖1）。
其沉降范圍為A=D+2（H+h1）/tan（45°+？準(zhǔn)/2），式中A為沉降范圍，D為隧道開挖寬度，h1為隧道開挖高度，H為隧道埋深，？準(zhǔn)為圍巖的摩擦角。當(dāng)沉降值Smax達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)引地表建筑物的下沉與傾斜，地下管線的斷裂。地下管線有排水、污水等有水管線，特別是給水壓力管線時(shí)，管線中的水噴出沖刷圍巖，加速地表的下沉，甚至引起災(zāi)難性事故。目前，國內(nèi)對地表沉降無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本項(xiàng)目沿線建筑物及地下管線的特點(diǎn)，經(jīng)專家論證后，采用的標(biāo)準(zhǔn)為：房屋整體性較好，地下管線較少的部位沉降■50mm；有重要管線和臨近建筑物地段沉降■20mm；有給水管線、煤氣管線等壓力管線的地段嚴(yán)格控制，達(dá)到0沉降。
2.3 噪聲對環(huán)境的影響 隧道為地下隱藏工程，其施工期間產(chǎn)生的噪音主要有以下幾個(gè)方面：
2.3.1 機(jī)械、設(shè)備噪音 機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪音主要有
三大設(shè)備，一是空氣壓縮機(jī)，二是軸流通風(fēng)機(jī)，三是裝載機(jī)。其余設(shè)備如鑿巖機(jī)等在洞內(nèi)作業(yè)，噪音對居民的影響較小。另外一個(gè)噪音源是設(shè)置在洞口的臨時(shí)儲(chǔ)碴場，當(dāng)二次倒運(yùn)棄碴時(shí)，裝碴產(chǎn)生的噪音也比較大。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，工地噪音要小于85dB（A），最高不能超過115dB（A）。
2.3.2 爆破產(chǎn)生的聲音 爆破產(chǎn)生的聲音由于時(shí)間短，一般情況持續(xù)時(shí)間最多1s，因此，容易被人們忽視。但是爆破產(chǎn)生的聲音具有突發(fā)性，尤其是進(jìn)洞100m范圍以內(nèi)，隧道的管道作用約束了聲音的擴(kuò)散，在洞口正前方的居民感覺聲音比較大，對老人、小孩及沒有心理準(zhǔn)備的居民造成較大的影響。除此之外，施工產(chǎn)生的廢氣、粉塵、固體廢棄物、生活垃圾、施工廢水等也會(huì)對城市的環(huán)境造成一定的影響，在施工過程中要加以控制，使其符合國家環(huán)保及地方政府的要求。
3 針對環(huán)境影響因素所采取的對策
3.1 對爆破振動(dòng)采取的措施
3.1.1 加強(qiáng)與居民的溝通，做好安民工作 居們一般不了解爆破施工，對爆破有著本能的恐懼，一聽到爆破聲音或者有輕微振動(dòng)，便表現(xiàn)出驚慌，甚至以為發(fā)生地震。因此，消除居民的心理障礙，使其充分了解如何控制爆破振動(dòng)，以及振動(dòng)到什么程度會(huì)對房屋產(chǎn)生影響十分重要。在項(xiàng)目施工過程中，我們通過電視、報(bào)紙等媒體進(jìn)行宣傳，并請國內(nèi)知名爆破專家與居民招開座談會(huì)，講解爆破的相關(guān)知識，使居民們知道，施工爆破振動(dòng)是控制在國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，不會(huì)對其房屋造成損害。通過廣泛的宣傳、講解，消除了居民的恐慌心理。
3.1.2 根據(jù)具體情況，分級控制 對爆破范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物，地下管線進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，充分了解爆破場區(qū)內(nèi)的地質(zhì)特征。并根據(jù)這些特征進(jìn)行分級控制，能取到事半功倍的效果，不僅確保地表建（構(gòu)）筑物的安全，還加快了施工進(jìn)度。本工程在第一個(gè)區(qū)段（ZK1+145-ZK1+583）因市南區(qū)西部改造，附近居已全部遷走，地下管線較少，房屋皆為在建高層建筑，整體性，抗震性能較好，因此，該段振動(dòng)的控制在2cm/s以內(nèi)。第二個(gè)區(qū)段雖然埋深較深，但建筑物老舊，地下管線眾多，且年久失修，因此，爆破振動(dòng)控制在1.5cm/s以內(nèi)。第三個(gè)區(qū)域下穿居民區(qū)、學(xué)校、部隊(duì)等較為敏感的區(qū)域，因此爆破振動(dòng)控制在1.0cm/s以內(nèi)。
3.1.3 優(yōu)化爆破參數(shù)，降低爆破振動(dòng) ①充分了解爆破區(qū)域的地質(zhì)特性：這些特性包括地形、地質(zhì)、水文地質(zhì)、物理地質(zhì)等自然條件，這些在爆破振動(dòng)控制中量化為K值和α值。即要準(zhǔn)確的測定出爆破區(qū)域內(nèi)的K、α值。②要合理的選用爆破器材：選擇低爆速、低猛度、低密度、高爆力的炸藥。③要選擇合理的掏槽形式，在以往的觀測中發(fā)現(xiàn)，一般掏槽爆破在整個(gè)斷面爆破中往往產(chǎn)生最大的地震動(dòng)強(qiáng)度，因此，掏槽方式的合理與否，直接決定著振動(dòng)的大小。④選擇合理的爆破參數(shù)。選擇合理的爆破參數(shù)，確定合理的掘進(jìn)進(jìn)尺是控制爆破振動(dòng)的有效手段。⑤嚴(yán)格控制裝藥量。裝藥量的大小，尤其是同一段裝藥量的大小，是決定爆破振動(dòng)大小的關(guān)鍵。根據(jù)測定的K、α，選擇距離爆破點(diǎn)最近的建筑，利用薩式公式Qmax=R3（v/k）3/α計(jì)算出充許的最大段裝藥量，在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，最大段裝藥量不能大于計(jì)算出來的允許值。⑥增加臨空面，在隧道掘進(jìn)當(dāng)中，增加隧道的臨空面能有效的降底爆破振動(dòng)。⑦加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整爆破參數(shù)，確保爆破振動(dòng)不超過允許值。
3.2 地表沉降控制措施
3.2.1 強(qiáng)支護(hù)，早封閉，約束變形 對于埋深淺，以回填土為主的圍巖地段，采用“雙側(cè)壁導(dǎo)坑”、“CRD工法”等分部施工方法，減小開挖斷面，采用強(qiáng)支護(hù)體系，及時(shí)封閉掌子面，形成主動(dòng)支護(hù)，能減小拱頂下沉、周邊收斂，有效的約束變形。對于海相沉積層，以沙土為主，地下水豐富，容易引起掌子面正面坍塌。建議采用預(yù)留核心土的分部開挖方法，不僅約束拱頂下沉，周邊收斂，還有有效的防止正面坍塌。
3.2.2 嚴(yán)注漿，減少地下水流失 采用以堵為主，限量排放的措施，減少地下水的流失，保證地下水位，可以防止因地下水位下降導(dǎo)致的地表下沉。注漿一般采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力一般控制在1.0Mpa左右。當(dāng)?shù)叵滤l(fā)肓，地下水位較高時(shí)，提高注漿壓力，以保證注漿效果。對于超前注漿采用雙層小導(dǎo)管，兩層小導(dǎo)管梅花形布置，外插角不同，不僅可以增加注漿范圍，還可以減少因小導(dǎo)管過密而引起的切割作用。
3.2.3 加強(qiáng)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)監(jiān)控 建立監(jiān)測系統(tǒng)，隧道內(nèi)為拱頂下沉、周邊收斂，隧道外為地表下沉、地下管線下沉，建筑物沉降、傾斜以及建筑質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度。根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方案及支護(hù)方案，確保各種數(shù)據(jù)控制在預(yù)警范圍內(nèi)。
3.3 噪音控制措施 在施工過程中，我單位主要通過以下幾個(gè)方面來控制噪音的。
3.3.1 調(diào)整作業(yè)時(shí)間，避免休息時(shí)間進(jìn)行噪音大的工序 將爆破時(shí)間控制在上午7：00-12：00下午13：30-19：00之間，將棄碴二次倒運(yùn)的時(shí)間控制在下午15：00-20：00之間。此段時(shí)間居民在家的比較少，對其生活影響較低。當(dāng)超過20：00進(jìn)行作業(yè)時(shí)，即使噪音較小，控制在85dB（A）范圍內(nèi)，投訴量也會(huì)急劇增加。
3.3.2 采用低噪音設(shè)備，降低設(shè)備噪音 采用商品混凝土，避免在工地建立攪拌站，消除攪拌站引起的噪音。對于空所壓縮機(jī)則采用低噪音的螺桿壓縮機(jī)。普通的空氣壓縮機(jī)噪音一般是88dB（A）左右，而低噪音的能控制在75dB（A）左右。通風(fēng)機(jī)采用SFD變級多速隧道施工風(fēng)機(jī)，該機(jī)機(jī)殼采用多孔消音板加特殊吸音材料，整機(jī)運(yùn)行控制在85dB（A）左右。對于其它如裝載機(jī)、自卸車等增加了排氣孔消音設(shè)備。
3.3.3 采用屏蔽手段，消除隧道管道效應(yīng) 除采用低噪音的設(shè)備外，還采取了屏蔽手段，對于空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行屏蔽，降低其噪音。為了消除隧道的管道效應(yīng)，在洞口處安裝門簾，門簾采用吸音效果較好的厚棉被，電動(dòng)液壓裝置開啟。門簾的安裝不僅吸引了一部分噪音，還大幅度的減弱了沖擊波的能量，降低因沖擊波還引起的隧道正前方住宅玻璃的晃動(dòng)。
4 結(jié)論
在城市鬧市與居民聚集區(qū)進(jìn)行地下工程爆破作業(yè)，其對環(huán)境的要求要比山嶺隧道高得多。如果在施工過程中不加以注意，控制，必然加重對居民生活、生產(chǎn)的干擾，引起居民的反感，導(dǎo)致民擾，甚至引起社會(huì)群體性事件。通過青黃海底隧道青島端接線工程的施工得出如下結(jié)論：①通過報(bào)紙、電視等媒體以及開座談會(huì)的方式與居民溝通，使其掌握相關(guān)情況，消除恐懼心理對城市進(jìn)行爆破作業(yè)致關(guān)重要。②開工前，加強(qiáng)對爆破區(qū)域內(nèi)建（構(gòu)）筑的調(diào)查，詳細(xì)掌握相關(guān)情況，施工時(shí)根據(jù)不同的地段進(jìn)行分級控制。不僅能達(dá)到減少對環(huán)境的影響，還能起到加快施工進(jìn)度，縮短總工期的作用。③爆破施工前充分掌握爆破區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況，并進(jìn)行爆破試驗(yàn)，計(jì)算出符合爆破區(qū)域地質(zhì)的K、α，并根據(jù)該值進(jìn)行限量爆破設(shè)計(jì)，控制最大段裝藥量，是控制爆破振動(dòng)的根本。④加強(qiáng)施工過程中的各種監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)，將各項(xiàng)指標(biāo)控制在預(yù)警范圍內(nèi)。