新建隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的影響研究

雷恩宇

中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都 610500

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，由于受地形限制、選線(xiàn)條件等原因越來(lái)越多的隧道修建在既有隧道旁；城市軌道交通的發(fā)展也使得地鐵建設(shè)在各大城市里如火如荼。鉆爆法因其靈活、高效的特點(diǎn)目前以及未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間是我國(guó)一種常用的隧道開(kāi)挖方法[1]。鉆爆法通過(guò)群孔逐段起爆破碎拋擲巖石進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。然而在隧道的修建過(guò)程中，爆破引起的振動(dòng)對(duì)相鄰隧道的影響也越來(lái)越引起人們的重視。鄰近隧道爆破施工爆破振動(dòng)會(huì)造成既有隧道襯砌開(kāi)裂、剝落甚至塌落等危及行車(chē)安全的現(xiàn)象。因此，在爆破施工前有必要對(duì)爆破振動(dòng)的影響進(jìn)行研究評(píng)估。

關(guān)于新建隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的影響，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)對(duì)此深有研究，并取得了一定的成果。日本學(xué)者Nagano通過(guò)對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)爆破施工的測(cè)試實(shí)驗(yàn)建立了一套評(píng)價(jià)隧道施工爆破振動(dòng)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[2]。Nakano等人通過(guò)對(duì)隧道爆破施工中測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄和襯砌裂縫的統(tǒng)計(jì)分析，得出了有關(guān)于隧道爆破振動(dòng)等級(jí)和襯砌裂縫形成關(guān)系的研究結(jié)果[3]。

劉慧對(duì)馬蹄形隧道在側(cè)爆作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，提出了隧道迎爆一側(cè)的動(dòng)應(yīng)力集中因子近似確定方法，為隧道的安全爆破施工對(duì)鄰近隧道的安全提供了參考[4]。王明年等人在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值分析的兩種方法對(duì)比的基礎(chǔ)上得出了一些有意義的結(jié)論[5]。畢繼紅等人就不同的圍巖級(jí)別和隧道間距的情況下對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響進(jìn)行了分析，得出了隧道間距小于一倍的洞徑時(shí)，隧道的振速峰值會(huì)超過(guò)允許值，且圍巖的振速與距爆源的距離之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的[6]。馮仲仁等人通過(guò)對(duì)小凈距隧道爆破的研究，得出近距離爆破對(duì)鄰近隧道迎爆側(cè)邊墻至拱頂處影響最大，拱頂周邊的圍巖成為破壞發(fā)生區(qū)[7]。傅洪賢等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了既有隧道掌子面后方隧道拱頂、掌子面正上方和側(cè)面圍巖的爆破振動(dòng)規(guī)律[8]。王春梅通過(guò)對(duì)小間距隧道爆破施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析，確定了爆心距以及分段裝藥量對(duì)于爆破振速傳播規(guī)律的影響[9]。路亮等人以縱波為研究對(duì)象，采用波函數(shù)法推導(dǎo)出了無(wú)限彈性介質(zhì)中符合襯砌結(jié)構(gòu)隧道在爆破地震波的作用下動(dòng)力響應(yīng)的解析解，得出了隧道圍巖和二次襯砌層的彈性模量及圍巖泊松比對(duì)考察點(diǎn)處環(huán)向動(dòng)應(yīng)力影響較大[10]。夏一鳴等人通過(guò)對(duì)既有隧道開(kāi)展爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，得出了既有隧道迎爆側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)斷面振動(dòng)最大，爆破振動(dòng)的頻率比既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的固有頻率高很對(duì)，不會(huì)因爆破產(chǎn)生共振破壞的結(jié)論，并提出了單段最大起爆裝藥量以控制爆破振動(dòng)的影響[11]。

本文以滬昆客專(zhuān)大茶山隧道的施工為背景，采用巖土有限元軟件Midas/GTSNX，模擬了鄰近隧道的爆破施工對(duì)既有隧道的影響。討論了不同隧道間距的工況下，鄰近隧道爆破施工對(duì)既有隧道襯砌振速、位移、應(yīng)力的影響，得出了鄰近隧道爆破施工的過(guò)程中既有隧道襯砌振速峰值、位移最大值、最小主應(yīng)力的發(fā)生區(qū)域，確定了不同隧道間距對(duì)既有隧道的影響，并提出了減震防護(hù)的施工方法。對(duì)實(shí)際工程施工建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 爆破震動(dòng)控制方法及標(biāo)準(zhǔn)

衡量爆破振動(dòng)的物理量有位移、速度、加速度等物理指標(biāo)。在隧道爆破施工中，引起的某個(gè)物理指標(biāo)達(dá)到某個(gè)程度時(shí)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物造成何種程度的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者專(zhuān)家對(duì)此有不同的判定。

日本在間距2.5～3.2m交叉隧道（荻津隧道） 的爆破開(kāi)挖過(guò)程中，爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)為：V≤60cm/s正常施工；60cm/s≤V≤90cm/s一級(jí)警戒，加強(qiáng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)；90cm/s≤V≤120cm/s二級(jí)警戒，更改爆破設(shè)計(jì)，加固巖柱部分；當(dāng)V≥120cm/s時(shí)三級(jí)警戒，停止工作并做其他量測(cè)，改變施工方法加固襯砌。我國(guó)水電部門(mén)在考慮地下洞室的爆破振動(dòng)安全時(shí)，一般考慮按下列標(biāo)準(zhǔn)考慮：與巖體結(jié)合為一體的鋼筋混凝土襯砌隧洞振速V≤50～100cm/s；基巖或地下巖壁（中等巖石） ，振速V≤25～50cm/s；無(wú)襯砌的地下洞室和離壁式襯套結(jié)構(gòu)，振速V≤10cm/s。我國(guó)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014） 規(guī)定按照式（1）推算爆破振動(dòng)速度，具體如下：

式中：v—保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振速（cm/s） ；Q—炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量（kg） ；R—爆破振動(dòng)點(diǎn)與被保護(hù)建筑物的最小距離（m） ；K，a分別為與爆破點(diǎn)和保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定?！侗瓢踩?guī)程》 （GB 6722—2014） 中規(guī)定各類(lèi)型隧道的安全振速標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

本文采用《爆破安全規(guī)程》 （GB 6722—2011） 建議的臨界振動(dòng)速度做為評(píng)判隧道破壞的標(biāo)準(zhǔn)即鄰近隧道爆破施工引起的既有隧道在不同的振動(dòng)頻率下既有隧道的破壞的臨界振動(dòng)速度在10～20cm/s。

表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

2 工程概況與計(jì)算模型

2.1 工程概況

新建鐵路滬昆客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)貴州段CKGZTJ-11標(biāo)段位于貴州省關(guān)嶺—普安縣區(qū)間，項(xiàng)目管段內(nèi)主要以長(zhǎng)大隧道施工為主。其中，大茶山Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道出口設(shè)計(jì)為輔助平行導(dǎo)坑，隧道的設(shè)計(jì)采用分離式小間距隧道，出口和進(jìn)口測(cè)設(shè)線(xiàn)間距分別為18.33、10.38m。隧道區(qū)屬于低中山地貌，海拔高程870～1120m。隧址巖層單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀215～245°＜45～70°。進(jìn)出洞口節(jié)理較發(fā)育。巖體主要為下元古界石槽溝組石英片巖夾變粒巖。

大茶山隧道某IV級(jí)圍巖段的開(kāi)挖分上下兩個(gè)臺(tái)階分別爆破施工，選用2#巖石乳化炸藥。隧道一次爆破開(kāi)挖進(jìn)尺為2m，隧道炮眼布設(shè)圖如圖1所示，本文用數(shù)值模擬爆破荷載驗(yàn)證上臺(tái)階爆破工況。上臺(tái)階具體爆破參數(shù)見(jiàn)表2，炸藥參數(shù)見(jiàn)表3所示。

圖1 大茶山隧道炮孔布置圖

表2 上臺(tái)階具體爆破參數(shù)

表3 炸藥參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

采用巖土有限元軟件Midas/GTSNX模擬大茶山隧道的爆破荷載振動(dòng)。模型尺寸大小為 （120×60×82）m3（長(zhǎng)×寬×高） ，隧道采用單心圓仰拱截面，洞徑D=12m。隧道埋深為3倍洞徑，左右邊界距隧道距離為4倍洞徑，以減少邊界效應(yīng)的影響，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

以粘性阻尼邊界定義邊界條件模擬地形概貌，避免爆破振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波在邊界上反射影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。巖體圍巖參數(shù)取值見(jiàn)表4。

為了分析不同隧道間距下鄰近隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響，本文模擬了五種隧道間距的情況，兩隧道間距分別為4、8、12、16、20m。當(dāng)隧道間距大于20m時(shí)，由于爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道影響甚微，故不再進(jìn)行研究分析。

表4 巖體參數(shù)表

2.3 爆破荷載施加

按照凝聚炸藥爆轟波Chapman-Jouguet理論[12]，計(jì)算出各個(gè)段位的爆破荷載峰值，以一條簡(jiǎn)化的三角形曲線(xiàn)模擬爆破荷載的升壓和卸荷作用，并施加在隧道的開(kāi)挖輪廓面上，以模擬爆破荷載的動(dòng)力作用。各個(gè)段位的爆破荷載峰值如表5所示，荷載的施加位置見(jiàn)圖3所示。

表5 各個(gè)段位的爆破荷載峰值

圖3 爆破荷載施加位置

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道間距分析

3.1.1 振速分析

通過(guò)建立隧道間距分別為4、8、12、16、20m的隧道爆破振動(dòng)模型，分析了因此爆破開(kāi)挖2m的工況下不同隧道間距鄰近隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響規(guī)律。以及通過(guò)對(duì)各工況既有隧道不同截面提取節(jié)點(diǎn)對(duì)比分析，得出了對(duì)既有隧道襯砌的影響差異。不同隧道間距振速峰值見(jiàn)表6、圖4所示。既有隧道襯砌振速分析結(jié)果總結(jié)如下：

（1） 與爆破面距離最近的既有隧道迎爆側(cè)最先受到影響，振速最大。最大振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰部位。

（2） 隧道間距小于12m時(shí)，既有隧道襯砌振速受距離影響較為明顯；隧道間距大于12m時(shí)，振速峰值變化不明顯，隧道間距不再是影響既有隧道襯砌的主要因素。

（3） 隧道爆破施工時(shí)，隧道間距小于12m的情況下既有隧道襯砌振速峰值大于規(guī)范規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，建議減小爆破面或掘進(jìn)尺寸，或者更換較為穩(wěn)妥的施工方法。

表6 各工況振速峰值

圖4 各隧道間距振速峰值

3.1.2 位移分析

不同隧道間距位移變形最大值見(jiàn)表7，對(duì)比見(jiàn)圖5。結(jié)論總結(jié)分析如下：

（1） 既有隧道靠近爆破面的迎爆側(cè)是變形較大的區(qū)域，在工程施工中應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（2） 兩隧道間距小于16m時(shí)，既有隧道襯砌位移變形受距離影響明顯；當(dāng)隧道間距大于16m時(shí)，既有隧道襯砌位移變形隨隧道間距變化趨于平穩(wěn)，隧道間距不是影響既有隧道襯砌變形的主要因素。

（3） 在襯砌位移變形的分量中，水平位移值較大，起主導(dǎo)地位。

表7 各隧道間距最大位移

圖5 各隧道間距最大位移變形

3.1.3 襯砌應(yīng)力分析

不同隧道間距下鄰近隧道襯砌最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力見(jiàn)表8，對(duì)比見(jiàn)圖6。結(jié)論總結(jié)分析如下：

（1） 既有隧道襯砌受鄰近隧道爆破施工影響最大主應(yīng)力發(fā)生在靠近爆破面的迎爆側(cè)拱腰位置。

（2） 既有隧道襯砌受鄰近隧道爆破施工影響最小主應(yīng)力發(fā)生在靠近爆破面的拱頂位置，由于襯砌的構(gòu)成一般為素混凝土材料，因此在施工時(shí)應(yīng)格外注意加強(qiáng)對(duì)這些部位的監(jiān)測(cè)。

（3） 既有隧道襯砌的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在數(shù)值上隨隧道間距的增大而減小，隧道間距大于18m時(shí)，應(yīng)力大小趨于平穩(wěn)，隧道間距不再是影響應(yīng)力大小的主要因素。

表8 各隧道間距最大、最小主應(yīng)力

圖6 各隧道間距應(yīng)力

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算分析總結(jié)出以下結(jié)論：

（1） 在新建隧道的爆破施工中，鄰近既有隧道迎爆側(cè)襯砌的拱腰部位是振速峰值、最大位移變形、最大主應(yīng)力的發(fā)生部位。

（2） 既有隧道襯砌拱頂部位是最小主應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域，由于混凝土材料抗拉強(qiáng)度較小，因此是裂縫容易發(fā)展的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3） 隧道爆破施工一次爆破開(kāi)挖2m時(shí)，隧道間距小于12m的情況下既有隧道襯砌振速峰值大于規(guī)范規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，建議減小爆破面或掘進(jìn)尺寸，或者更換較為穩(wěn)妥的施工方法。

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