新建引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工影響研究

劉均紅

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

基礎設施建設需求的不斷增加帶來了地下空間利用的飛速發(fā)展，鐵路、交通及水利工程的大跨越，使得新建隧道臨近既有建筑物、小凈距平行隧道、上下交叉隧道等形式的地下近接工程越來越多。目前，國內外針對隧道近接施工已有一定的個例研究［1-6］。以左權縣西安水電站1號引水隧洞下穿既有陽涉鐵路半坡2號隧道工程為背景，結合經驗公式法和三維數值模擬計算方法，對引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工的影響進行研究，以期為類似隧道近接施工在理論和施工方法上提供參考。

1 工程概況

西安水電站位于左權縣麻田鎮(zhèn)西安村下游1.5 km，是清漳河干流的一個梯級電站，屬于山西省“十一五”期間35個應急水源工程配套的水電站工程之一。1號引水隧洞為水電站主要建筑物，工程等級為Ⅴ等，建筑物級別為5級。隧洞全長3 203 m，最大埋深約200 m，為無壓洞。

既有陽涉鐵路半坡2號隧道位于清漳河左岸山坡，2002年底建成通車，隧道運營里程為 K161+600.21～K162+311.84，全長711.63 m，為單線電氣化鐵路，洞內采用次重型軌道，碎石道床，鋪設鋼筋混凝土軌枕，設計行車速度為120 km/h。

1號引水隧洞在里程1+851.21位置交于既有半坡2號隧道K162+155.624處，交角為22.783°，豎向位置關系如圖1所示。交叉處圍巖級別為Ⅱ級，引水隧洞高3.73 m，洞跨2.96 m，直墻圓拱形襯砌斷面，采用C20混凝土厚度為0.3 m;既有鐵路隧道斷面高8.03 m，洞跨5.40 m，采用直墻無仰拱模筑混凝土襯砌，拱部和邊墻采用C15混凝土，底板采用C10混凝土。交叉處既有隧道襯砌結構完好。

圖1 1號引水隧洞與既有半坡2號隧道的位置關系(單位:m)

2 經驗公式法確定引水隧洞控制爆破范圍

通常情況下，對于所研究的引水隧洞爆破施工，掏槽眼爆破振動常常是最大的。掏槽眼爆破采用分段延時技術后多為單孔起爆，故可根據公認的前蘇聯(lián)學者薩道夫斯基經驗公式［7］，通過對質點峰值的振動速度控制，得出爆破振動安全距離

式中 R——爆心距測點距離，m;

Q——最大段裝藥量，kg，齊發(fā)爆破取總裝藥量，微差爆破或秒差爆破取最大裝藥量;

K——地質系數;

α——爆破地震波衰減系數;

V——測點因爆破引起的振速，cm/s;

m——藥量指數。

2.1 振速控制標準

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)規(guī)定，交通隧道振動速度標準為10～20 cm/s。根據國內類似隧道工程近接施工的相關研究［8］，考慮到處于運營中隧道拱部錨固有電氣化設施等多種部件，為了確保安全，取既有鐵路隧道的振動速度控制標準［V］=5 cm/s，并將既有隧道振速達到1/3［V］的區(qū)間作為爆破監(jiān)測的范圍。

2.2 參數選取

根據工程地質條件及《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)，經驗公式法參數選取見表1。

2.3 計算結果分析

引水隧洞施工掌子面距離交叉處既有鐵路隧道邊墻水平距離32 m時，鐵路隧道振動速度為1.67 cm/s，達到速度控制標準的1/3，故引水隧洞掌子面在與鐵路隧道處前后共64 m，即引水隧洞在1+817～1+885區(qū)間施工時，需在鐵路隧道上進行爆破振動監(jiān)測，如圖2所示。

表1 經驗公式法參數

圖2 1號引水隧洞控制爆破范圍(單位:m)

3 數值模擬法確定既有鐵路隧道受爆破影響范圍

3.1 三維有限元模型的建立

根據已有資料，利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元模型。由于隧洞的影響范圍一般為3～5倍洞徑，因此，在引水隧洞外側兩邊各往外取15 m，同時考慮交叉隧道的影響，橫向共選取120 m，縱向取80 m;高度下限方向為引水隧洞底面以下20 m，上限方向為山體表面，建立模型如圖3所示。

在網格劃分中，采用4節(jié)點的四面體單元，整個模型共產生單元79 632個，節(jié)點50 366個，其中既有隧道單元762個，節(jié)點 298個，新建隧洞1 298個，節(jié)點411個。

圖3 GTS模型

3.2 材料計算參數選取

本次計算參數參照勘察資料和《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)選取，如表2所示。

表2 材料計算參數

3.3 爆破荷載

爆破荷載簡化為具有上升段和下降段的三角波形荷載［9-10］，假定爆破荷載作用在隧道開挖邊界面上，如圖4所示。圖中Pmax為爆破荷載的應力峰值，與炸藥品種、裝藥結構和圍巖性質等因素有關，由式(2)求解。

圖4 數值計算爆破荷載三角波形

式中 Z—比例距離，Z=R/Q1/3;

R、Q——含義同公式(1)。

爆破荷載曲線典型的加載到峰值應力的升壓時間為8～12 ms，卸載時間為40～120 ms，本計算取加載時間t1為10 ms，卸載時間(t2-t1)為90 ms。

3.4 計算結果分析

(1)由表3可以看出，引水隧洞在交叉處下穿爆破施工時，垂直振速的最大峰值為3.448 cm/s，位于既有鐵路隧道底板位置，并沿墻腳往拱頂位置逐漸衰減，爆破施工對既有鐵路隧道的影響主要集中于底板部位;水平振速相對較小，峰值均小于0.5 cm/s，且保持平緩趨勢，在既有隧道截面垂直振速峰值均大于水平振速峰值。既有鐵路隧道受爆破施工影響的振速未超過安全允許標準。

爆破荷載的應力峰值Pmax(kPa)采用如下經驗公式求解

表3 各考察點計算峰值振動速度 cm/s

(2)通過選取既有鐵路隧道底板不同斷面處的振動時程曲線進行分析，如圖5所示。既有鐵路隧道底板垂直振速是隨著遠離交叉處位置逐漸減弱的，在距離掌子面前29 m(K162+126.624)和后26 m(K162+181.624)斷面處，垂直振速分別為1.556 cm/s和1.587 cm/s，約為安全允許標準的1/3，隨后振動減弱明顯。因此，研究引水隧洞在交叉處爆破施工對既有鐵路隧道的振動影響時，應在既有鐵路隧道K162+126～K162+182區(qū)段加強監(jiān)控量測。

圖5 既有鐵路隧道不同斷面處底板受爆破施工影響的垂直振速

4 施工影響處理措施

4.1 施工影響范圍

經驗公式法結合數值模擬計算方法得出新建1號引水隧洞的控制爆破范圍為1+817～1+885共68 m，既有半坡2號隧道需加強監(jiān)控量測的區(qū)段為K162+126～K162+182，共56 m。

4.2 施工方法

(1)施工單位須按照要求申報及施工，選擇在天窗時間內爆破作業(yè)，并派專職安全員24 h巡查防護，隨時做好應急措施。

(2)引水隧洞在控制爆破區(qū)段1+817～1+885范圍內施工時，應注意以下幾點:

①采用低威力、低爆速炸藥或小直徑不耦合裝藥，以減小隧道開挖邊界上的荷載作用;

②在選擇雷管段數時，加大相鄰兩段振動的段位差，保證相鄰段主振相分開，避免振動疊加，為后排爆破創(chuàng)造更加充分的臨空面，減輕爆破夾制作用;

③采用分段按順序起爆的方式，限制一次起爆的最大裝藥量值，減小爆破開挖進尺，降低爆破振速，以減輕對既有隧道的振動影響。

4.3 監(jiān)控量測

臨近交叉作業(yè)時，既有鐵路隧道K162+126～K162+182區(qū)段應由第三方專人做好監(jiān)控量測工作，并及時整理分析監(jiān)測數據，為爆破參數的適時調整提供依據。監(jiān)測內容包括:

(1)隧道襯砌結構振速量測;(2)隧道凈空位移收斂量測;(3)隧道襯砌開裂及發(fā)展情況監(jiān)測。

5 結論

(1)作為施工影響預測，根據經驗公式法和數值模擬計算方法，可以分別得出引水隧洞控制爆破的范圍和既有鐵路隧道受爆破影響的范圍。

(2)引水隧洞施工過程，監(jiān)測結果顯示既有鐵路隧道襯砌完好，說明按照5 cm/s作為既有鐵路隧道的振動速度控制標準是合理的。

(3)實踐證明對于近接既有鐵路隧道爆破施工時，采用分段微差爆破方法，可以最大限度地降低爆破振動對既有鐵路隧道的影響。

(4)爆破施工期間，通過監(jiān)控量測動態(tài)調整設計參數，是此類地下近接工程成功修建的有力保障。

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