爆破施工對小凈距隧道的影響性分析

趙文斌

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國高速公路網的不斷完善及西部大開發戰略的不斷實施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區邁進，其面臨的地形地貌、地質條件越來越復雜。傳統的分離式隧道經常受到特殊地形地貌、不良地質條件、路線走向及工程造價等因素的限制而不能達到較好的效果。在此情況下，小凈距隧道應運而生，其修建規模、數量也越來越大。

在小凈距隧道施工中，目前常用的仍然是基于新奧法理論的鉆爆法，但由于小凈距隧道中巖柱厚度較小，后行洞在爆破開挖施工過程中對先行洞的圍巖及支護結構的穩定性影響較大。若控制措施不當，極易造成圍巖失穩、支護結構開裂、局部掉塊、塌方等病害，造成較大的經濟損失。目前，學者們針對爆破施工條件下小凈距隧道的力學特性、災害防治等方面已開展了大量的研究工作。姚勇[1]等人利用數值模擬手段研究了不同支護體系、中巖柱加固措施、施工方法情況下，后行洞爆破開挖對先行洞的影響；何本國[2]等人利用現場試驗手段分析了先行洞支護結構在不同爆破形式作用下振動波傳播及分布規律；林從謀[3]等人利用數值模擬手段研究了中巖柱和先行洞支護結構的質點振動速度隨時間的變化規律；朱東興[4]利用三維動力有限差分程序，研究了后行洞爆破施工情況下先行洞支護結構的振動速度、應力狀態變化情況。本文依托某高速公路小凈距隧道的工程案例，利用現場測試手段分析不同工況下后行洞爆破開挖對先行洞的振動速度；并利用數值模擬手段分析先行洞圍巖振動速度-時間關系曲線，從而為考慮爆破施工影響的小凈距隧道的設計施工提供技術支撐。

1 工程概況

某高速公路全長73.7 km，其穿越山嶺重丘區，在路線整體設計過程中，為提高線路整體的布線自由度，同時考慮環境保護、工程造價等因素，全線共設計了11座小凈距隧道。其中，SB型（凈距8 m以下）小凈距隧道共計3座，SC型（凈距8～10 m）小凈距隧道共計4座，SD型（凈距10 m以上）小凈距隧道共計4座。

由于該高速公路所在山嶺重丘區的地質、地形條件較為復雜，小凈距隧道較多，為深入研究爆破施工對小凈距隧道圍巖的影響程度，本文選取某典型小凈距隧道作為研究對象，其隧址區表面分布有殘坡積含黏性土碎石，灰黃色，呈疏松狀，其中碎石呈棱角狀；其下為黏性土層，厚度為2～3.2 m；下伏基巖為泥巖，主要為全風化泥巖、強風化泥巖，其圍巖類型以Ⅴ級為主，圍巖性質整體較差。

2 現場試驗研究

2.1 爆破振動現場試驗方案

某小凈距隧道先、后行洞均采用側壁導坑法進行施工，在其鉆孔爆破施工過程中采用斜眼掏槽法。在開挖輪廓線內50 cm范圍內，炮眼間距為25 cm，其余部位炮眼間距40 cm，炮眼深度均為0.8 m。為保證每段爆破時差小于10 ms，采用13段非電毫秒雷管進行起爆，每個炮眼裝藥量約為0.15 kg。炮眼具體分布情況如圖1所示。

圖1 開挖斷面炮眼布設位置（單位：cm）

為準確測取后行洞爆破施工對先行洞的影響，本試驗選取4個爆破監測點，其布設在開挖斷面對應的可能出現最大振速的位置。根據現有理論可知，后行洞爆破振動對先行洞影響最大部位在迎爆面的邊墻及拱頂部位；同時，由于后行洞掌子面后方中巖柱兩側均為臨空面，爆破施工對先行洞后方中巖柱的影響力度大于前方中巖柱。鑒于此，爆破振動監測點主要布設在爆破面對應的先行洞后方中巖柱迎爆側邊墻部位，其布設位置情況如圖2所示，現場具體情況如圖3所示。

圖2 爆破測點布設位置（單位：m）

圖3 爆破測點現場布設情況

2.2 爆破振動測試方法

本試驗采用TC-4850型爆破振動測試儀，其配備X、Y、Z三向加速度傳感器，配套軟件支持矢量合成。該測振儀具有16位高精度AD分辨率，在振速為0.001～35.4 cm/s范圍內其精度可達1/65 000 F.S.，其量程能夠滿足本試驗的爆破振動速度。該測振儀配備的拾振器可將爆破振動信號轉換為電信號，并傳輸到數據采集系統，最終以振動波的形式顯示出來。拾振器可采用石膏固定在先行洞的邊墻部位，現場具體情況如圖4所示。

圖4 拾振器安裝示意圖

2.3 現場試驗結果

針對該隧道開展爆破振動現場試驗，選取典型監測點P3作為重點分析對象，其X、Y、Z三個方向監測數據如圖5所示，監測點P1、P2、P3的X方向監測數據如圖6所示。

圖5 監測點P3三向振速-時間曲線

由圖5可以看出，X方向（隧道橫斷面內水平方向）振動速度明顯大于Y方向（隧道橫斷面內豎直方向）和Z方向（隧道軸線方向）的振動速度。此原因在于沿X方向傳播的波屬于縱波，在相同條件下，縱波的波速要遠大于橫波的波速。

圖6 監測點P1、P2、P3的X方向振速-時間曲線

由圖6可以看出，P2監測點X方向的振動速度值最大。此原因在于，掌子面后方中巖柱兩側均為臨空面，該處波速較大，且后行洞爆破施工時對先行洞對應斷面后方的中巖柱振動影響較大。

3 有限元數值模擬研究

3.1 爆破荷載的確定

在數值模擬過程中，爆破荷載參數極為重要，其主要包括荷載值、作用位置、方向、時間等因素。為便于數值模擬分析，先假設爆破荷載以均布荷載形式作用在隧道邊墻上；爆破荷載加載至峰值所需時間為10 ms，卸載至零所需時間為100 ms。

在相同條件下（炸藥類型、藥量），不同巖性中爆破施工時，作用在隧道邊墻的爆破荷載值不同，圍巖完整性及強度越高，壓力越大；反之，圍巖性質越差，壓力越小。根據《工程爆破使用手冊》中的相關規定，可得出Ⅴ級圍巖的爆破荷載曲線，具體情況如圖7所示。

圖7 Ⅴ級圍巖的爆破荷載曲線

3.2 數值分析模型

根據依托工程的實際情況，選取左洞為先行洞，其在開挖完成后施做初期支護結構；右洞為后行洞，其采用上下臺階法開挖，上臺階開挖已完成，正采用爆破開挖法施做下臺階，確定其爆破荷載參數后，利用有限元軟件進行建模分析，其模型網格劃分情況如圖8所示。

圖8 爆破分析模型網格劃分

在有限元數值模擬分析過程中，為保證其模擬結果與現場試驗結果具有對比性，選取與現場試驗相同的施工步序及爆破階段，提取整個監測過程中X、Y方向的振動速度數據，具體情況如圖9、圖10所示。

圖9 X方向振動速度-時間關系曲線

圖10 Y方向振動速度-時間關系曲線

由圖9、圖10可以看出，數值模擬結果中X方向的振動速度最大值達到了27.2 cm/s，Y方向振動速度最大值達到25.8 cm/s。在上述現場試驗中，所測得的P3監測點的X方向振動速度最大值為26.3 cm/s，Y方向振動速度最大值為23.6 cm/s，其監測結果與模擬結果基本吻合。可見，后行洞爆破施工過程中對先行洞圍巖X方向的振動影響程度大于Y方向的振動影響。因此，在小凈距隧道設計與施工過程中應加強對中巖柱縱向的加固措施。

4 結論

本文依托某高速公路小凈距隧道，針對爆破施工條件下后行洞施工對先行洞圍巖及中巖柱的影響，開展了現場爆破試驗，在此基礎上進行了數值模擬研究，從而利用現場試驗與數值模擬結果進行綜合分析，得出以下幾點結論：

a）由于相同條件下，縱波的波速要遠大于橫波的波速，因此所有監測點X方向振動速度明顯大于Y方向和Z方向的振動速度。

b）由于掌子面后方中巖柱兩側均為臨空面，該處波速較大，且后行洞爆破施工時對先行洞對應斷面后方的中巖柱振動影響較大，因此P2監測點X方向的振動速度值最大。

c）數值模擬結果與現場監測結果基本吻合，經綜合分析后可知，后行洞爆破施工過程中對先行洞圍巖X方向的振動影響程度大于Y方向的振動影響。因此，在小凈距隧道設計與施工過程中應加強對中巖柱縱向的加固措施。