下穿隧道爆破施工對既有隧道的振動影響及對策研究

舒 磊,仇文革,龔 倫

下穿隧道爆破施工對既有隧道的振動影響及對策研究

舒 磊1,2,仇文革1,龔 倫1

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,土木工程學院,成都 610031; 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

依托云南省鹽津縣白水江三級電站引水隧洞下穿內昆鐵路手扒巖隧道的工程實際,采用LS-DYNA顯式動力數值模擬及現場爆破振動監測,對既有隧道受下穿新建隧道爆破施工產生的振動影響和對策進行研究。結果表明:全斷面起爆中,D(D為下穿新建隧道洞徑,下同)＜2.5D0(D0為基準洞徑)時,既有隧道的振動速度、振動加速度均隨D的增大而增加,且基本呈線性關系;2.5D0≤D＜3.5D0時,振動速度及加速度均急劇增大;D≥3.5D0時,振動速度、加速度隨D的增加而減小。隨兩隧道間距的增加,既有隧道考察點的振動速度和加速度均減小;在距離相等時,掌子面未到達前的振動響應大于掌子面離開后的響應;相同爆破參數時,距離越遠,受到的振動越小;同時起爆藥量越大,受到的振動越大。隨圍巖的變差,既有隧道處的振動速度增大,振動加速度變化較小。

根據不同影響因素與振動速度關系的規律,推導了包含隧道開挖洞徑、進尺長度、上下交叉隧道凈距、單位藥量等參數的隧道開挖爆破振動速度計算公式,并由現場爆破振動監測驗證了數值模擬的正確性。同時,針對不同影響因素,提出分部開挖、分段起爆、干擾減振等減小爆破振動影響的對策措施及選擇原則,并指出爆破試驗及爆破振動監測在近接隧道工程中的重要性和可操作性。

下穿隧道;爆破;既有隧道;振動影響;對策

在采用鉆爆法施工的近接隧道工程中,要求在新建隧道鄰近既有隧道施工時,除了要保證新建隧道的工程質量和進度外,還必須減少或消除對既有隧道的影響、確保施工區周圍的人員和既有隧道的安全。目前對靠近既有建筑物和小凈距隧道等近接工程的爆破振動問題已有研究[1-7],對于上下交叉近接隧道的動力影響研究相對較少。結合云南省鹽津縣白水江三級電站引水隧洞下穿內昆鐵路手扒巖隧道工程,采用數值模擬和現場測試對上下交叉近接隧道在爆破荷載作用下的振動影響進行研究。

1 問題提出

1.1 工程概況

引水隧洞與鐵路線路平面夾角為82°,從鐵路隧道下方穿過,兩隧道凈距為13.06 m。鐵路隧道建筑限界斷面尺寸:凈高6.55m、凈寬4.9m,襯砌C20混凝土厚度40 cm,鋪底厚度20 cm;引水隧洞穿越灰巖、泥灰巖、砂巖等地層,圓形斷面尺寸:內徑7.0 m、外徑8.1 m,襯砌C20混凝土厚度55 cm。

1.2 提出問題

引水隧洞與鐵路隧道凈距小于2D(D為引水隧洞開挖洞徑),故此工程屬近接隧道工程。引水隧洞的爆破施工對鐵路主干線上處于運營中隧道的動力影響及對策是亟需解決的問題。

2 數值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 計算模型(圖1)

模型簡化:為了便于研究,在建模時將同時起爆的藥量簡化到同一個炮孔中,炮孔直徑根據實際藥量進行反算。

模型范圍:前、后邊界均離開既有隧道42.00 m,上邊界距既有隧道拱頂33.60 m,左、右邊界均離開下穿隧道34.00m,下邊界離開下穿隧道38.00m。

邊界條件:六個邊界均采用無反射邊界。

模擬單元:圍巖、炸藥、空氣及襯砌均采用顯式分析的SOLID164單元模擬,整個模型共劃分單元131 136個,節點138 572個。炸藥、空氣、圍巖以及襯砌混凝土之間均采用共用結點的ALE算法。為簡化,假定藥卷的堵塞材料參數與周圍被爆介質材料相同,見圖1。計算中采用cm-g-μs單位制。

圖1 有限元模型

2.1.2 材料參數選取

根據工程設計資料及相關文獻,將圍巖、混凝土、炸藥、空氣等材料參數分別選取如下。

(1)圍巖

圍巖介質采用塑性隨動模型[8],參數見表1。

表1 圍巖基本力學特性參數

(2)初期支護及二次襯砌混凝土

混凝土采用JHC材料模型[9],參數見表2。

表2 混凝土損傷本構參數

(3)炸藥

工程案例中采用的炸藥是RJ2號巖石高威力乳化炸藥,該炸藥材料模型參數見表3。

表3 炸藥參數

(4)空氣

空氣采用空物質材料模型,參數如下:

在所涉及到的7個參數中,除密度取為0.001 2 g/cm3外,其余參數全部取缺省值,狀態方程采用線性多項式。

2.1.3 計算工況

計算中,基準工況的圍巖選取為Ⅲ級,將兩隧道都取為圓形斷面,既有隧道和新建隧道洞徑均取為D0(8m),兩上下交叉隧道凈距取為H(H=D=8 m),起爆方式為全斷面起爆,進尺取4m。

計算工況按新建隧道洞徑、兩隧道凈距、開挖進尺、起爆方式及圍巖級別等共劃分31個,見表4。

表4 爆破振動影響研究工況劃分_

2.1.4 考察節點、單元的選取

既有隧道受下穿新建隧道爆破產生的最大影響發生在兩隧道交叉斷面[11],故對既有隧道交叉斷面拱頂、拱腳及仰拱等處節點和單元進行考察。

2.2 計算結果分析

2.2.1 新建隧道洞徑

工況1～工況10是依據新建隧道洞徑劃分,考察點最大振動速度、加速度與新建隧道洞徑關系見圖2。

圖2 考察參數與新建隧道洞徑關系曲線

由圖2分析知:仰拱處最大振動速度、加速度均大于其他兩個考察點,最小響應發生在拱頂。

下穿新建隧道洞徑小于2.5D0(D0為基準洞徑,取8m)時,振動速度、加速度均隨下穿新建隧道洞徑的增大而增加,且基本呈線性關系;新建隧道洞徑在(2.5～3.5)D0范圍內,振動速度及加速度均急劇增大;超過3.5D0后,振動速度和加速度有減小趨勢。

通過線性插值得4 cm/s(控制標準)時新建隧道洞徑為0.27D0,即在Ⅲ級圍巖中,當新建隧道洞徑小于0.27D0時采用進尺4m、全斷面爆破法施工時,不會對既有隧道產生振動影響。

2.2.2 兩隧道凈距

工況1、工況11～工況23是按兩隧道凈距劃分,考察點最大振動速度、加速度與兩隧道凈距關系見圖3。

圖3 考察參數與兩隧道凈距關系曲線

隨著兩隧道間距的增加,振動速度和加速度均減小;仰拱處的振動影響最大,拱頂處最小。

線性插值得4 cm/s(設計提出的控制標準)時兩隧道凈距為5.65D0,即在Ⅲ級圍巖中,兩隧道凈距大于5.65D0時采用進尺4 m、全斷面爆破法施工時,不會對既有隧道產生振動影響。

2.2.3 開挖進尺及起爆方式

工況1、工況24～工況26是按開挖進尺長度和起爆方式劃分,仰拱處振動速度、加速度與下穿新建隧道掌子面距離關系見圖4。

隨進尺長度的減小以及相同進尺時全斷面起爆改為分段起爆,振動速度和加速度均減小,這是由于同時起爆藥量減小的原因;仰拱處受爆破振動產生的振動速度、加速度最大,拱頂處最小;同時起爆藥量相等時,離考察點越遠,考察點受到的振動速度和加速度越小,這均是考察點與振源距離改變的原因;掌子面未到達前受到的振動響應大于掌子面離開相同距離處的振動,這是因為開挖前后傳播振動波的介質發生了改變。

圖4 仰拱考察參數與下穿隧道掌子面關系曲線

2.2.4 圍巖級別

按圍巖級別劃分了工況27～工況31。最大振動速度、加速度與圍巖級別關系見圖5。

圖5 振動速度、振動加速度與圍巖級別關系曲線

分析可知,仰拱處振動速度、加速度均大于其他2個考察點,拱頂處響應最小。振動速度隨圍巖級別的變差而增大,與前幾個圍巖級別變化相比,Ⅵ級變化較小,使Ⅴ級處曲線出現反彎點;振動加速度從Ⅰ級到Ⅲ級的變化較小,Ⅴ級增大,到Ⅵ級又減小。

當新建隧道洞徑和兩隧道凈距均為D0、采用進尺為4 m的全斷面爆破開挖時,各級圍巖情況下爆破均會對既有隧道產生振動影響。

3 爆破振動影響及對策研究

3.1 爆破振動影響

在此對距離、同時起爆藥量以及圍巖級別的影響因素[12]進行分析。

3.1.1 距離的影響

兩隧道凈距的改變,實際上是改變考察點與爆源間的距離(R)。仰拱考察點的爆破振動速度與距離關系及其擬合曲線見圖6,擬合關系式為

3.1.2 同時起爆藥量的影響

改變新建隧道開挖進尺及起爆方式的實質是改變同時起爆藥量(Q)。仰拱處振動速度與同時起爆藥量關系及其擬合曲線見圖7,擬合關系式為

圖6 爆破振動速度與距離關系

圖7 爆破振動速度與單段起爆藥量關系

3.1.3 圍巖級別的影響

仰拱處振動速度與圍巖級別(Ⅰ～Ⅳ級)關系及其擬合曲線見圖8,擬合關系式為

式中,N為正整數且N∈[1,6]。

圖8 爆破振動速度與圍巖級別關系

3.1.4 隧道開挖爆破振動速度公式推導

(1)公式推導

公式(1)中R取12 m和公式(2)中Q取321.70 kg時均為基準工況,兩者計算的振動速度應相等,取兩者計算結果的平均值28.85 cm/s,得距離(R)和同時起爆藥量(Q)的振動速度修正系數分別為

則由R和Q的修正系數確定隧道工程爆破振動速度計算公式為

式中,α為考慮圍巖級別影響的修正系數。

Ⅲ級圍巖時α為3.042,再結合式(3)得圍巖級別影響系數的公式如下

式中,N為正整數且N∈[1,6]。

根據隧道開挖斷面面積、單位藥量以及進尺長度計算藥量。假定隧道開挖直徑為D,進尺長度為L,隧道間凈距為H,單位藥量為q,則新建下穿隧道在既有隧道正下方爆破時有

將R、Q代入式(4)得

在工程應用中,根據實際工程情況的相關參數即可計算新建下穿隧道爆破開挖對既有隧道影響的最大振動速度,判斷爆破參數是否合理;同時,可根據確定的振動速度控制標準確定進尺長度以及無影響時兩隧道的凈距。

①進尺長度

當確定振動速度控制標準([v])后,將式(6)進行轉換,即可得計算進尺長度的公式

②兩隧道凈距

當確定振動速度控制標準([v])以及爆破進尺后,將式(6)進行轉換,即可得無影響時兩隧道凈距的計算公式

(2)數值模擬與公式計算結果驗證

將上節各計算工況參數代入式(6)的計算結果與相應工況的數值模擬結果進行對比,詳見表5。

數值模擬結果與公式計算結果的比值絕大部分在90%～120%,說明兩結果具有可比性。在實際運用中,可采用公式(6)對相似工程進行爆破振動速度的計算。

由工況7～工況11的對比結果知,當兩隧道凈距與新建隧道洞徑比小于1/3時,兩者的計算結果相差大,此時不宜采用公式預測爆破振動速度。

案例中監測振動速度與計算結果相比,兩者差別很小,證明了推導公式的可適用性。

3.2 對策措施

綜上所述,既有隧道受爆破振動隨新建下穿隧道洞徑的減小、新建隧道開挖進尺的減小、起爆方式的改變(全斷面改為分段起爆)以及兩隧道凈距的增大而減小,針對以上因素提出對策措施。

3.2.1 減振技術

(1)在可能的情況下,盡量增加兩上下交叉隧道的凈距;

(2)合理減小新建隧道的開挖進尺;

(3)合理減小單次起爆藥量即采取分部開挖、分段爆破(炮孔內微差爆破、炮孔間微差爆破);注:D0為8m;案例(24/04/2006)中模擬結果為監測值。

表5 數值模擬結果與公式計算結果對照

(4)采用干擾減振[2,13]爆破技術;

(5)采用中孔(增加數量、加大直徑)直眼掏槽、切槽,小斷面TBM開挖導洞等掏槽技術;

(6)開挖防振溝、周邊減振孔、預切槽等減振爆破技術;

(7)非爆破開挖(靜力破碎、TBM等)方法。

3.2.2 對策選擇原則及爆破試驗

(1)對策選擇原則

優先選擇減小開挖進尺、分段爆破等常規技術,不滿足要求時,再采用干擾減小爆破、開挖防震溝、周邊減振孔及預切槽等特殊減振爆破技術。

(2)爆破試驗

在未進入影響前的施工段落中,對初步選擇的爆破參數進行試驗,根據爆破振動監測結果對爆破參數進行調整。

3.2.3 爆破振動監測

(1)監測項目①振動速度量測:水平、豎直方向振動速度。

②振動加速度量測:水平、豎直方向振動加速度。

(2)斷面及測點布置

在既有隧道受爆破振動影響最大的交叉斷面進行監測,對于下穿隧道情況,測點布置在既有隧道靠近開挖爆破側的墻腳處。

4 結論

(1)全斷面起爆,D＜2.5D0時,既有隧道的振動速度、振動加速度均隨D的增大而增加,且基本呈線性關系;2.5D0≤D＜3.5D0時,振動速度及加速度均急劇增大;D≥3.5D0時,振動速度、加速度隨D的增加而減小。

(2)隨兩隧道間距的增加,振動速度和加速度均減小;在距離相等時,掌子面未到達前的振動響應大于掌子面離開后的響應;相同爆破參數時,距離越遠,受到的振動越小。同時起爆藥量越小,受到的振動越小。隨圍巖級別變差,振動速度增大,振動加速度變化較小。

(3)推導了包含隧道開挖洞徑、進尺長度、上下交叉隧道凈距、單位藥量等參數的隧道開挖爆破振動速度計算公式,并由現場爆破振動監測驗證了數值模擬的正確性及推導公式的可適用性。

(4)提出了分部開挖、分段起爆、干擾減振等減小爆破振動影響的對策措施及選擇原則,并指出了爆破試驗及爆破振動監測的重要性和可操作性。

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Vibration Influence on Existing Tunnel Caused by Blasting Construction of Diversion Tunnel Passing under It and Countermeasures

SHU Lei1,2, QIUWen-ge1, GONG Lun1
(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education;School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Based on the practical situation of diversion tunnel for BaiShuiJiang third class power station in Yanjin county of Yunnan province,which passes under the existing Shoubayan tunnel on Neijang-Kunming Railway,by usingmethods of LS-DYNA explicit dynamic numerical simulation and in-situ blast vibration monitoring,the vibration influence on existing tunnel by blasting construction ofdiversion tunnel passing under it in short distance and countermeasures were studied.The result shows:For full-face excavation and D＜2.5D0(D,diameter of newly-built tunnel passing under existing tunnel;D0,reference diameter),vibration velocity and acceleration of existing tunnel induced by blasting construction of newly-built tunnel passing under it increases as D increases and nearly in linear relationship;For 2.5D0≤D＜3.5D0vibration velocity and acceleration increases rapidly;For D≥3.5D0,vibration velocity and acceleration does not increase but decrease as D increases.Vibration velocity and acceleration decrease as the distance of the two tunnel increases;For same distance,vibration influence before excavation face reaches existing tunnel is bigger than vibration influence after excavation face passes under existing tunnel;For same blasting parameters,vibration influence decreases as distance increases; Vibration influence increases as explosive dose increases;Vibration velocity increases and acceleration _____decreases as surrounding rock becomesworse.Furthermore,according to different relation between influence parameter and vibration velocity, formula to calculate blasting vibration velocity was derived,considering parameters of excavation diameter,footage,clear distance of two tunnels,explosive dose.And then onsite blasting vibration monitoring validated the numerical simulation.Countermeasures to reduce blasting vibration influence (stepped excavation,subsection detonation,interfere damping)were given.For tunnel adjacent to existing one,the importance andmaneuverability of blasting testand onsitemonitoring were emphasized.

tunnel passing under existing structure;blasting;existing tunnel;vibration influence;countermeasures

U455

A

1004-2954(2013)07-0070-05

2012-12-08;

2013-01-16

國家自然科學基金資助項目(51178399);中央高校基本科研業務費專項資金資助(SWJTU11ZT33)。

舒 磊(1976—),男,高級工程師,博士研究生,E-mail: shusanshi@163.com。