新建分洪隧洞下穿既有公路隧道控制爆破范圍研究

以某新建分洪隧洞為例考慮非控制爆破參數(shù)對既有隧道的影響，通過經(jīng)驗公式法及數(shù)值模擬對控制爆破范圍進行探討。結(jié)果表明：非控制爆破參數(shù)對控制爆破范圍的確定影響明顯，范圍的選擇可綜合經(jīng)驗公式法及數(shù)值模擬結(jié)果確定。

交叉下穿； 爆破施工； 控制爆破范圍

U455.6 A

［定稿日期］2022-02-18

［作者簡介］黃柯（1992—），男，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程方面設(shè)計及研究工作。

隨著隧道工程日益增多，隧道間交叉下穿的情況也在增加，與既有隧道相近的新建隧道爆破施工必然會對其產(chǎn)生影響。眾多學者已對此類影響進行研究。隗建波等［1］根據(jù)某新建隧道上跨既有隧道工程，通過數(shù)值分析研究了隧道二次襯砌的振動特征，評估了既有隧道的安全性同時提出了結(jié)構(gòu)處理及安全防護措施建議。賈磊等［2］建立了爆破施工對既有襯砌振動影響的數(shù)值模型，研究了不同條件下爆破對既有隧道的影響，得出既有隧道迎爆側(cè)拱腳、墻腰部位受影響最大等結(jié)論。仇文革等［3］結(jié)合引水隧洞下穿鐵路隧道爆破施工工程，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，研究鉆爆法施工產(chǎn)生的振動對既有鐵路隧道的影響，得到爆炸振動隨炸藥藥量減小、觀察距離增大而減小，掌子面接近既有隧道時產(chǎn)生的豎向振速大于遠離時振速等結(jié)論。

為確保既有隧道安全，施工中常采用控制爆破，但控制爆破范圍研究相對較少。閆鴻浩等［4］根據(jù)理論計算及現(xiàn)場實踐，采用先行預裂帶和增設(shè)掏槽隔振空眼等手段，測試發(fā)現(xiàn)其可有效降低爆破振速，另結(jié)合實測數(shù)據(jù)反推經(jīng)驗公式所需參數(shù)得出該工況下的振動影響距離為38 m。趙豐等［5］基于新建鐵路隧道上跨既有公路隧道工程，結(jié)合理論公式及數(shù)值模擬方法得出爆破距離與既有隧道襯砌拱頂振速的關(guān)系，據(jù)此可根據(jù)控制振速確定爆破施工安全距離。有關(guān)控制爆破范圍的研究基本以控制爆破參數(shù)為切入點，或依據(jù)規(guī)范選定大致范圍作為控制爆破范圍，很少關(guān)注非控制爆破區(qū)爆破對既有隧道的影響，而某些隧道施工存在全斷面爆破開挖工況，屬于非控制爆破，全線采用控制爆破不必要且增加工期。非控爆區(qū)爆破參數(shù)往往要強于控爆區(qū)爆破參數(shù)幾倍，在較近時對既有隧道的影響不能忽略，因此控制爆破范圍的選定也應(yīng)當考慮非控爆區(qū)爆破參數(shù)。本文以某新建分洪隧洞下穿既有公路隧道為例，采用經(jīng)驗公式及數(shù)值模擬方法，對控制爆破范圍的選定進行探討。

1 工程概況

某新建分洪隧洞線路中下穿既有高速公路隧道，交叉角度約 90°，如圖1所示。隧洞洞徑3.6 m×5.3 m，隧洞采用噴C30混凝土臨時支護，直墻及洞頂噴射C30素混凝土厚10 cm。隧洞與既有隧道交叉處最短垂直距離為37 m，如圖2所示。該段范圍內(nèi)地層巖性為弱風化少斑中細粒晶洞正長花崗巖，屬于中硬巖類，隧洞圍巖綜合考慮為3級圍巖。

交叉段既有公路隧道采用復合式支護結(jié)構(gòu)，初支為砂漿錨桿和8 cm厚鋼筋網(wǎng)噴混凝土，二襯采用35 cm厚C25 防水素混凝土。隧道已處于運營期間，經(jīng)現(xiàn)場踏勘隧道襯砌整體狀況良好，但在右線局部出現(xiàn)掉塊。

2 控制爆破參數(shù)確定

隧洞施工需保證在控爆區(qū)域中距既有隧道最近處爆破施工引起振動在允許振速范圍內(nèi)。根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》［6］規(guī)定，交叉段保護對象類別為交通隧道，結(jié)合隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及運營情況，安全允許振速取3 cm/s。

根據(jù)規(guī)范爆破振動安全允許距離按式（1）計算。

R=KV1αQ13（1）

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V為保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速，cm/s；K，α為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定；在無試驗數(shù)據(jù)的條件下，可參考表1選取。

根據(jù)現(xiàn)場條件選取K為200，α取1.6，以兩隧道最近實際距離37 m為安全距離。根據(jù)式（1）可算得最大單段藥量為19.27 kg。

3 控制爆破范圍公式解

在非控制爆破區(qū)域采用爆破參數(shù)為單循環(huán)進尺2～3 m，全斷面爆破開挖每進尺總炸藥量100～150 kg。

根據(jù)式（1）計算得測點距爆源中心距離R為64.06～73.33 m，隧洞與既有隧道右線及左線垂直最近距離分別為37 m、38.5 m，換算可得水平距離為距右線52.29～63.31 m，距左線51.20～62.41 m。

按最不利情況考慮，左右線均可按65 m作為控制爆破范圍邊界。

4 數(shù)值模擬

4.1 計算模型

為進一步研究控制爆破范圍的選定，同時與公式解相互驗證，采用MIDAS/GTS/NX有限元軟件建立三維數(shù)值模型。模型橫向取300 m，縱向取200 m，豎向取252 m，采用粘彈性邊界，以四面體單元劃分，共劃分174 079個單元，28 079個節(jié)點，如圖3所示。

4.2 模擬工況

模擬計算按最不利情況考慮，同時考慮公式解得的控制爆破范圍，故選取距既有隧道左右邊75 m、65 m、55 m處作為非控爆模擬點位，選取既有隧道左右線正下方點作為控爆模擬點，如圖4所示。

4.3 爆破計算參數(shù)

巖體在爆破瞬時動荷載作用下，表現(xiàn)出的力學特性有所變化。依據(jù)王思敬、戴俊等［7-8］推導出在爆破荷載作用下材料的彈模、泊松比參數(shù)變化公式，結(jié)合本工程圍巖參數(shù)得物理力學參數(shù)見表2。

4.4 爆破荷載

計算中假定爆破壓力為垂直于隧洞洞壁的面壓力。作用的荷載采用美國National Highway Institute里提及的公式，每1kg炸藥的爆破壓力見式（2）、式（3）：

Pdet=4.5×10-4ρV2e/（1+0.8ρ）（2）

PB=Pdetdcdh3（3）

式中：Pdet為爆破壓力（MPa）；Ve為爆破速度（m/s）；ρ為炸藥密度（g/cm3）；PB為孔壁面上壓力（MPa）；dc為火藥直徑（mm）；dh為孔眼直徑（mm）。

上式?jīng)Q定了爆破發(fā)生時的最大爆炸壓力。實際上作用于孔壁上的動壓力隨時間是變化的，通常取為指數(shù)型的時間滯后函數(shù)。根據(jù)計算經(jīng)驗和工程實踐本次采用的時程動壓力公式見式（4）。

PD（t）=4PB（e-Bt/ 2-e-2Bt）（4）

其中B=163.38，為荷載常量。

根據(jù)以上各式，取炸藥爆速為2 000 m/s，密度為1 g/cm3，假定為耦合裝藥，dc=dh?？傻妹? kg炸藥產(chǎn)生的最大爆炸壓力PB=1000 MPa，加載到峰值壓力的升壓時間為6 ms，爆破荷載時間歷程如圖5所示。

5 計算結(jié)果分析

模型中分洪隧洞與公路隧道交叉處為公路隧道進洞100 m處斷面下，監(jiān)測以進洞100 m為中心，前后以10 m間隔選取3個斷面處共計7處作為監(jiān)測斷面。根據(jù)掌子面位置不同，選取監(jiān)測斷面內(nèi)不同部位作為監(jiān)測點，統(tǒng)計計算結(jié)果。

5.1 右線75 m計算

取分洪隧洞掌子面在距隧道右線75 m時非控爆工況，左、右線隧道各監(jiān)測斷面右拱腳為監(jiān)測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖6、圖7所示。

由圖6可知襯砌最大振速在右線進洞50 m右拱腳附近，這與爆破掌子面位置及爆破力施加方向有關(guān)，襯砌最大振速為2.34 cm/s，未超過允許振速。由圖7可知隧道右線受爆破影響比左線大，左右線隧道均表現(xiàn)為隨進洞距離增大振速變小。

5.2 右線65 m計算

取掌子面在距隧道右線65 m時非控爆工況，監(jiān)測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖8、圖9所示。

由圖8可知襯砌最大振速在右線進洞70 m右拱腳附近，為2.66 cm/s，未超過允許振速。由圖9可知各處峰值時刻相較于前一工況略有前移，右線隧道各處振速都有提高，左線振速變化不明顯。

5.3 右線55 m計算

取掌子面在距隧道右線55 m時非控爆工況，監(jiān)測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖10、圖11所示。

由圖10可知襯砌最大振速在右線進洞70 m右拱腳附近，為3.17 cm/s，已超過允許振速。由圖11可知各處峰值時刻相較于前一工況略有前移，左右線隧道各處振速都有提高。

5.4 右線底部計算

取掌子面在隧道右線下方時控爆工況，左線各監(jiān)測斷面右拱腳及右線各監(jiān)測斷面底板中心為監(jiān)測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖12、圖13所示。

由圖12可知襯砌最大振速在右線隧道進洞100 m底板附近，為2.29 cm/s，未超過允許振速。由圖13可知由于爆破點位于右線隧道正下方，右線隧道受爆破影響明顯比左線大，且右線隧道各處均有峰值快速衰減后出現(xiàn)二次峰值情況，距離爆破點越近處越明顯。

5.5 左線底部計算

取掌子面在隧道左線下方時控爆工況，右線各監(jiān)測斷面左拱腳及左線各監(jiān)測斷面底板中心為監(jiān)測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖14、圖15所示。

由圖14可知襯砌最大振速在左線隧道進洞80 m底板附近，為2.51cm/s，未超過允許振速。由圖15可知由于爆破點位于左線隧道正下方，左線隧道受爆破影響明顯比右線大，且左線隧道各處同樣出現(xiàn)二次峰值情況。

5.6 左線55m計算

取掌子面在距隧道左線55 m時非控爆工況，左、右線隧道各監(jiān)測斷面左拱腳為監(jiān)測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖16、圖17所示。

由圖16可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳附近，這與隧道覆土厚度及爆破力施加方向有關(guān)，襯砌最大振速為2.31 cm/s，未超過允許振速。由圖17可知左線隧道受爆破影響明顯比右線大，左右線均表現(xiàn)為隨進洞距離增大振速變小。相較于右線55 m工況，隧道振速明顯降低。

5.7 左線65 m計算

取掌子面在距隧道左線65 m時非控爆工況，監(jiān)測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖18、圖19所示。

由圖18可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳附近，為1.77 cm/s，未超過允許振速。由圖19可知各處峰值時刻相較于前一工況略有后移，左線各處振速顯著降低，右線振速變化不明顯。

5.8 左線75 m計算

取掌子面在距隧道左線75 m時非控爆工況，監(jiān)測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監(jiān)測點振速時程如圖20、圖21所示。

由圖20可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳處附近，為1.37 cm/s，未超過允許振速。由圖21可知各處峰值時刻相較于前一工況略有后移，左右線各處振速明顯降低。

6 結(jié)論

（1）控制爆破范圍應(yīng)當同時考慮控制爆破參數(shù)、非控制爆破參數(shù)及相關(guān)規(guī)范要求確定。

（2）依據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中公式得本工程案例控制爆破范圍可取公路隧道左右線邊界外65 m。

（3）依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，本工程案例控制爆破范圍可取公路隧道右線邊界外65 m，左線邊界外55 m。

（4）通過本工程案例驗證了經(jīng)驗公式及數(shù)值模擬方法的可行性，工程實際中建議綜合2種方法所得結(jié)果確定控制爆破范圍。

（5）驗證了掌子面靠近既有隧道時隧道襯砌受爆破影響產(chǎn)生的振速大于相同距離處掌子面離開時隧道襯砌振速這一結(jié)論的正確性。

參考文獻

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