吴 震，王国举，梁其鹏

(四川省铁路建设有限公司，四川成都610041)

近年来随着基建的发展，隧道数量也越来越多，随之而来的爆破冲击波问题更加值得研究与思考[1]。目前国内在爆破冲击波传播理论以及冲击波对围岩作用的研究中做了大量工作。王磊等[2]依托攀枝花至大理高速公路宝鼎2号隧道工程，利用LS-DYNA建立数值分析模型研究隧道内爆破时冲击波在边界面隧道内的传播规律，并根据不同的区段提供了相应的防护措施。孔德森等[3]以南京地铁隧道项目为依托，通过流固耦合计算对地铁内的大爆炸破裂工程进行了仿真，并得出了地铁隧道内纵向超压的衰减规律。程选生等[4]首先构建了对隧道内土体的热动力分析与有限元模型建立，并使用Ansys实现了数值模拟，得到了在爆炸冲击波作用下隧道衬砌结构最先在顶部和肩部破坏的结论。董承全等[5]利用振动速度传感器测量爆破地震波速度，对爆破所产生的地震波对隧道安全的危害展开了深入研究。本文主要对爆破冲击波形成与传播机制进行介绍，并对爆破作业的危害作出总结与分析。同时提出几种防护方法保证隧道爆破作业的安全进行。

1 隧道施工爆破冲击波形成与传播机制

爆炸生成物周围的压力和密度相比较空气而言较小，导致爆炸产物体积变大。同时周围的空气会受到压缩，产生一个向爆源处运动的稀疏波，而在空气中也会形成一个冲击波，稀疏波运动方向与爆炸产物运动方向相反，而冲击波与爆炸产物同向运动。

爆炸物质因惯性作用而会不断运动，在运动过程中容积不断扩大而压强则不断降低，直至其体积超过某一最大值形成负压区，而由于爆炸区域内气体被压缩，惯性作用会使得爆炸产生的压力又超过了空气原始压力，如此在膨胀与压缩间来回振荡，冲击波的能量逐渐减小。此外，冲击波在隧道、巷道内传播会受到隧道壁摩擦力作用，同样会消耗能量。最终，当冲击波能量减小到一定程度时便会减弱为声波(图1)。

图1 冲击波的形成与压力分布

2 爆炸冲击波危害及预防

2.1 冲击波破坏准则

2.1.1 超压准则

超压准则的适用范围为式(1)。

ωT+>40

(1)

式中：ω为目标角频率(1/s)；T+为正相持续时间(s)。

国内外诸多学者通过试验对爆破冲击波超压作出研究，总结研究后发现，冲击波通过直接或者间接作用于人体而影响人体的健康与安全。

表1～表3给出了冲击波超压对人和建筑物伤害的关系。

表1 冲击波超压对人员伤害的关系

表2 冲击波超压与建筑破坏程度的关系

表3 冲击波超压与隧道内设施破坏程度的关系

2.1.2 冲量准则

冲量准则的定义为式(2)。

is=∫T+0[Ps(t)]dt(2)

式中：is为冲量(Pa·s)，Ps为超压(Pa)。

这些标准虽然比较全面，但也存在着忽略超压达不到一定值时对目标的破坏作用的缺点，无论超压和冲量持续多长时间，目标都不会被破坏。冲量准则的适用范围为式(3)。

ωT+<0.4

(3)

ω、T+与式(1)相同。

不同的冲量强度对建筑物的损伤程度也有所不同，以下提供了隧道内爆破冲击波冲量对建筑物损伤程度有关的资料，见表4。

2.1.3 超压-冲量准则

该规则指出，伤害效应主要由超压Ps和冲量is共同决定，见式(4)。

(Ps-Pcr)×(is-icr)=C

(4)

式中：Pcr为临界超压值；icr为临界冲量值；C为常数。

表4 空气冲击波超圧冲量与建筑物破坏程度关系

2.2 冲击波超压预测应用

通过对国内外相关文献的调研，可以按照对人体损伤的程度的大小将冲击波超压的标准分类。超压值小于2 kPa时，冲击波对人体无损伤；对于掩体中的爆破作业人员安全允许标准为10 kPa；当超压值达到20 kPa时，冲击波会对人体器官产生巨大伤害，甚至对施工人员及周边人员的生命安全产生威胁。

根据上述分类，可将冲击波影响范围划分区域，如图2所示。

图2 隧道内冲击波传播分区

由式(4)可以计算划分区域的大小，表5为不同装药量情况下的爆破作业标准。

表5 几种装药量情况下作业标准

2.3 冲击波安全防护

由图2所划分的隧道内冲击波传播分区总结出隧道开挖中的避炮原则：

(1)无关人员及爆破施工人员均不能进入该警戒范围。

(2)爆破施工人员只能在警戒范围外施工。

(3)非爆破作业人员必须在疏散区域外，在疏散区域较大时，可以通过交叉通道进入相邻隧道。一般来说，在距离掌面1 000 m的范围内，必须有一条水平通道可以通过。

除了上述避炮原则外，控制冲击波强度以及安全允许距离也是决定施工安全的关键。

另外，施工过程中可以考虑在爆源附近建造安全防护障碍物，通过消耗冲击波能量来达到削弱强度的目的。我们可以从洞内和洞口2个位置分别考虑削弱冲击波强度：

(1)在洞内进行爆破作业时，冲击波从洞内向洞外传导，期间由于与洞壁四周存在摩阻力其能量会逐渐减弱，同时现场可根据实际情况设计挡板以增强此阻力。

(2)冲击波传播到洞口处时扔可能对洞外人员及建筑物造成破坏，故在洞口处还可设置一处防护障碍物。例如在洞口外一定距离放置一处有足够高度及宽度的挡板，使冲击波能量进一步被削弱以满足安全要求。

3 总结

通过上述分析，施工方可通过疏导以及构筑障碍物的方法控制空气冲击波的形成与传播，以期达到相关规定中安全允许距离的要求。

(1)在爆点附近安放警戒牌，避免无关人员进入。

(2)在施工前进行地质调查，确保爆破作业的实际影响符合设计要求。

(3)在冲击波传播过程中对其进行削弱。

(4)不在有利于空气冲击波传播的条件下进行爆破作业。

隧道施工中爆炸冲击波传播的途径多、地质环境复杂，需要根据具体的施工条件来设计爆破方案，来确保人员、建筑物、设施等的安全。