大断面城市隧道钻爆施工对环境的影响分析及对策

 引言
随着社会经济的不断发展，城市规模的不断扩大，城市人口的剧激膨胀与有限的空间资源矛盾日益尖锐。研究表明，在30m的深度范围内开发相当于总面积三分之一的地下空间，就等于全部城市地面建筑的容积。因此，各国政府都比较重视，把其视为解决城市集约化矛盾的主要方法，争相发展城市地下轨道交通工程，城市地下公路交通工程，逐渐发展为城市地下综合体。向地下发展，岩石的致密性，构造单元的长期稳定性，决定了采用钻爆作为开拓地下空间的有效方法，将长期使用。因引，研究地下工程爆破对城市环境的影响，有着十分重要的现实意义。本文通过青黄海底隧道青岛端接线工程云南路主隧道为实例，研究爆破对城市环境的影响，为以后类似工程提供可以借鉴的经验。
1 工程概况
做为全国断面最大的城市公路交通工程，胶州湾湾口海底隧道北起青岛主城区东平路，南至黄岛后岔村，全长7797.32m，为双向六车道分离式隧道。青岛端接线工程云南路主隧道从东平路起，沿云南路、台西三路，下穿贵州路、青岛8号院小区，智荣中学，团岛消防站于团岛海岸部队驻地内与海底部分相接，全长1659.02m。隧道开挖宽17.5m，高13m，断面186.2m2，埋深在5-29m之间。根据沿线的隧道埋深及建（构）筑物的特征，可将云南路主隧道分为三个区段，第一个区段为ZK1+145-ZK1+583，该段线路侧穿6栋在建高层建筑，埋深在5-15m之间，开挖边线距楼房最近处仅3.52m。第二个区段为ZK1+583-ZK2+237段，该段埋深在15m-29m之间，地表为上世纪七、八十年代的建筑物，基础多以毛石基础为主，无圈梁、构造柱，抗震性能差。第三个区段为ZK2+237-ZK2+755段，该段隧道下穿8号院小区、智荣中学，团岛消防站及部队家属院，埋深在15m左右，地表建筑物为上世纪七、八十年代所建，楼房老旧，结构差，抗震性能差。全线地下管线较多，主要有通信管线，热力管线，给水管线、污水管线，中煤管线、低煤管线及电力管线，管线埋深为3-5m之间。
因此，选择云南路主隧道做为钻爆对环境的影响比较具有代表性。
2 本工程施工对环境的影响分析
根据工程所处的地理位置及周边环境，本工程钻爆施工对环境的影响主要表现在以下几个方面：
2.1 爆破振动对环境的影响 该隧道以微风化的花岗岩为主，施工中要采用钻爆作业，因此，爆破作业施工对环境影响的主要原因，其主要表现在以下几个方面。
2.1.1 爆破振动对建筑物的影响 炸药在岩体中爆炸时，大部分能量转化为冲击波和气体的膨胀力，冲击波使坚硬的物体产生裂缝，气体的膨胀使裂缝扩大，直接用于破碎围岩，少部分能量转化为地震波，这种地震波的强度随着爆距的增加而减弱，在一定范围内，当地震波达到一定强度时，会引起地表建筑物、构筑物在水平径向、水平切向和垂直方向的震动，从而造成建筑物不同程度的破坏。
2.1.2 爆破振动对地下管线的影响 施工范围内，管线众多，各种管线纵横交错，主要有给水管、雨水管、污水管、煤气、电力、网通、邮电、部队专用线等。这些管线埋深在3-5m之间，大多数管线有二十多年，甚至部分为解放前所埋，年久失修。爆破产生的振动会对这些管线的接头等薄弱部位发生破坏。
2.1.3 居民对爆破振动的承受能力 当爆破产生的传至地面时，会引起地表及地面建筑物的振动，造成居民感觉不适。当振动速度控制在一定范围内时，对房屋不会造成损伤，但居民的感觉却比较强烈。根据相关研究，当振动速度<0.2m/s时，仅仪器能感觉到，0.2-0.4m/s时，静人能感觉到，0.4-0.8m/s部分人及知道爆破的人能感觉到，0.8-1.5m/s时大多数人能感觉到，1.5-3.0m/s时房屋掉抹灰粉，陈旧的房屋受损。重庆大学姜德义教授等人研究认为“爆破对居民的心理作用有两个方面，即：质点的振动速度和震动持续时间。当持续时间接近1s时，人有明显感觉，而小于500ms，侧感觉相对较小；质点振动速度在0.3-0.5m/s时，居民们是可以接受的”。我单位在该工程施工时，根据居民的反应情况认为：居民们对爆破的承受能力主要表现在两个方面，即：质点的振动速度和爆破产生的噪音。当振动速度超过1.5cm/s时，居民的投诉量会急剧增加；在洞口段爆破时，声音较大，即使是仪器都采集不到振动，居民的投诉量依然较多。
2.2 施工引起地表沉降对环境的影响 对于浅埋暗挖的软土隧道，隧道开挖拱顶下沉，地下水流失较多时容易使地表产生较大的沉降（见地表沉降示意图1）。
其沉降范围为A=D+2（H+h1）/tan（45°+？准/2），式中A为沉降范围，D为隧道开挖宽度，h1为隧道开挖高度，H为隧道埋深，？准为围岩的摩擦角。当沉降值Smax达到一定值时，会引地表建筑物的下沉与倾斜，地下管线的断裂。地下管线有排水、污水等有水管线，特别是给水压力管线时，管线中的水喷出冲刷围岩，加速地表的下沉，甚至引起灾难性事故。目前，国内对地表沉降无统一的标准。根据本项目沿线建筑物及地下管线的特点，经专家论证后，采用的标准为：房屋整体性较好，地下管线较少的部位沉降■50mm；有重要管线和临近建筑物地段沉降■20mm；有给水管线、煤气管线等压力管线的地段严格控制，达到0沉降。
2.3 噪声对环境的影响 隧道为地下隐藏工程，其施工期间产生的噪音主要有以下几个方面：
2.3.1 机械、设备噪音 机械设备产生的噪音主要有
三大设备，一是空气压缩机，二是轴流通风机，三是装载机。其余设备如凿岩机等在洞内作业，噪音对居民的影响较小。另外一个噪音源是设置在洞口的临时储碴场，当二次倒运弃碴时，装碴产生的噪音也比较大。根据相关规定，工地噪音要小于85dB（A），最高不能超过115dB（A）。
2.3.2 爆破产生的声音 爆破产生的声音由于时间短，一般情况持续时间最多1s，因此，容易被人们忽视。但是爆破产生的声音具有突发性，尤其是进洞100m范围以内，隧道的管道作用约束了声音的扩散，在洞口正前方的居民感觉声音比较大，对老人、小孩及没有心理准备的居民造成较大的影响。除此之外，施工产生的废气、粉尘、固体废弃物、生活垃圾、施工废水等也会对城市的环境造成一定的影响，在施工过程中要加以控制，使其符合国家环保及地方政府的要求。
3 针对环境影响因素所采取的对策
3.1 对爆破振动采取的措施
3.1.1 加强与居民的沟通，做好安民工作 居们一般不了解爆破施工，对爆破有着本能的恐惧，一听到爆破声音或者有轻微振动，便表现出惊慌，甚至以为发生地震。因此，消除居民的心理障碍，使其充分了解如何控制爆破振动，以及振动到什么程度会对房屋产生影响十分重要。在项目施工过程中，我们通过电视、报纸等媒体进行宣传，并请国内知名爆破专家与居民招开座谈会，讲解爆破的相关知识，使居民们知道，施工爆破振动是控制在国家相关安全标准内，不会对其房屋造成损害。通过广泛的宣传、讲解，消除了居民的恐慌心理。
3.1.2 根据具体情况，分级控制 对爆破范围内的建（构）筑物，地下管线进行详细的调查，充分了解爆破场区内的地质特征。并根据这些特征进行分级控制，能取到事半功倍的效果，不仅确保地表建（构）筑物的安全，还加快了施工进度。本工程在第一个区段（ZK1+145-ZK1+583）因市南区西部改造，附近居已全部迁走，地下管线较少，房屋皆为在建高层建筑，整体性，抗震性能较好，因此，该段振动的控制在2cm/s以内。第二个区段虽然埋深较深，但建筑物老旧，地下管线众多，且年久失修，因此，爆破振动控制在1.5cm/s以内。第三个区域下穿居民区、学校、部队等较为敏感的区域，因此爆破振动控制在1.0cm/s以内。
3.1.3 优化爆破参数，降低爆破振动 ①充分了解爆破区域的地质特性：这些特性包括地形、地质、水文地质、物理地质等自然条件，这些在爆破振动控制中量化为K值和α值。即要准确的测定出爆破区域内的K、α值。②要合理的选用爆破器材：选择低爆速、低猛度、低密度、高爆力的炸药。③要选择合理的掏槽形式，在以往的观测中发现，一般掏槽爆破在整个断面爆破中往往产生最大的地震动强度，因此，掏槽方式的合理与否，直接决定着振动的大小。④选择合理的爆破参数。选择合理的爆破参数，确定合理的掘进进尺是控制爆破振动的有效手段。⑤严格控制装药量。装药量的大小，尤其是同一段装药量的大小，是决定爆破振动大小的关键。根据测定的K、α，选择距离爆破点最近的建筑，利用萨式公式Qmax=R3（v/k）3/α计算出充许的最大段装药量，在进行爆破设计时，最大段装药量不能大于计算出来的允许值。⑥增加临空面，在隧道掘进当中，增加隧道的临空面能有效的降底爆破振动。⑦加强爆破振动监测，并根据监测结果调整爆破参数，确保爆破振动不超过允许值。
3.2 地表沉降控制措施
3.2.1 强支护，早封闭，约束变形 对于埋深浅，以回填土为主的围岩地段，采用“双侧壁导坑”、“CRD工法”等分部施工方法，减小开挖断面，采用强支护体系，及时封闭掌子面，形成主动支护，能减小拱顶下沉、周边收敛，有效的约束变形。对于海相沉积层，以沙土为主，地下水丰富，容易引起掌子面正面坍塌。建议采用预留核心土的分部开挖方法，不仅约束拱顶下沉，周边收敛，还有有效的防止正面坍塌。
3.2.2 严注浆，减少地下水流失 采用以堵为主，限量排放的措施，减少地下水的流失，保证地下水位，可以防止因地下水位下降导致的地表下沉。注浆一般采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力一般控制在1.0Mpa左右。当地下水发肓，地下水位较高时，提高注浆压力，以保证注浆效果。对于超前注浆采用双层小导管，两层小导管梅花形布置，外插角不同，不仅可以增加注浆范围，还可以减少因小导管过密而引起的切割作用。
3.2.3 加强监测，动态监控 建立监测系统，隧道内为拱顶下沉、周边收敛，隧道外为地表下沉、地下管线下沉，建筑物沉降、倾斜以及建筑质点爆破振动速度。根据监测的结果及时调整施工方案及支护方案，确保各种数据控制在预警范围内。
3.3 噪音控制措施 在施工过程中，我单位主要通过以下几个方面来控制噪音的。
3.3.1 调整作业时间，避免休息时间进行噪音大的工序 将爆破时间控制在上午7：00-12：00下午13：30-19：00之间，将弃碴二次倒运的时间控制在下午15：00-20：00之间。此段时间居民在家的比较少，对其生活影响较低。当超过20：00进行作业时，即使噪音较小，控制在85dB（A）范围内，投诉量也会急剧增加。
3.3.2 采用低噪音设备，降低设备噪音 采用商品混凝土，避免在工地建立搅拌站，消除搅拌站引起的噪音。对于空所压缩机则采用低噪音的螺杆压缩机。普通的空气压缩机噪音一般是88dB（A）左右，而低噪音的能控制在75dB（A）左右。通风机采用SFD变级多速隧道施工风机，该机机壳采用多孔消音板加特殊吸音材料，整机运行控制在85dB（A）左右。对于其它如装载机、自卸车等增加了排气孔消音设备。
3.3.3 采用屏蔽手段，消除隧道管道效应 除采用低噪音的设备外，还采取了屏蔽手段，对于空压机、通风机等设备进行屏蔽，降低其噪音。为了消除隧道的管道效应，在洞口处安装门帘，门帘采用吸音效果较好的厚棉被，电动液压装置开启。门帘的安装不仅吸引了一部分噪音，还大幅度的减弱了冲击波的能量，降低因冲击波还引起的隧道正前方住宅玻璃的晃动。
4 结论
在城市闹市与居民聚集区进行地下工程爆破作业，其对环境的要求要比山岭隧道高得多。如果在施工过程中不加以注意，控制，必然加重对居民生活、生产的干扰，引起居民的反感，导致民扰，甚至引起社会群体性事件。通过青黄海底隧道青岛端接线工程的施工得出如下结论：①通过报纸、电视等媒体以及开座谈会的方式与居民沟通，使其掌握相关情况，消除恐惧心理对城市进行爆破作业致关重要。②开工前，加强对爆破区域内建（构）筑的调查，详细掌握相关情况，施工时根据不同的地段进行分级控制。不仅能达到减少对环境的影响，还能起到加快施工进度，缩短总工期的作用。③爆破施工前充分掌握爆破区域内的地质情况，并进行爆破试验，计算出符合爆破区域地质的K、α，并根据该值进行限量爆破设计，控制最大段装药量，是控制爆破振动的根本。④加强施工过程中的各种监测，并根据监测结果调整施工参数，将各项指标控制在预警范围内。