隧道爆破施工對既有高鐵隧道的數值分析

祝康

引言

交叉隧道是近接隧道中的一種，由于施工的時間先后順序、空間位置關系及其施工方法的不同[1]，其施工中力學動態變化特征更是復雜，安全風險更高[2]，所以對交叉隧道施工過程中近接構筑物的力學變化規律的研究顯得很有必要[3]。本文以某新建公路雙線隧道上跨既有高鐵隧道為背景，分析隧道爆破施工對既有高鐵隧道的力學影響特征，評估既有高鐵隧道安全性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

新建公路雙線隧道左右線平行，上跨某既有高鐵隧道，交叉角約40°，兩隧道垂直凈距約28.0m，交叉段圍巖級別為Ⅲ級。

2 三維有限元數值分析模型構建

2.1 計算模型

應用大型有限差分巖土軟件MIDAS/GTS進行數值分析，模型如圖1所示。

圖1 三維有限元計算模型

2.2 計算參數

根據《鐵路隧道設計規范》[4]，并參考類似工程進行計算參數的取值，具體參數見表1和表2。

表1 高鐵隧道材料參數

表2 土層主要物理力學指標

2.3 施工過程模擬

選取2個典型施工步進行分析，如圖2所示。

圖2 典型施工步與高鐵隧道二襯位置

3 隧道施工過程靜力影響分析

3.1 既有高鐵隧道圍巖位移特征

圖3 既有高鐵隧道二襯水平位移云圖

根據圖3和圖4分析，新建公路隧道施工過程中，既有鐵路隧道的二次襯砌會發生方向相反的水平方向的位移，最大水平位移差為0.75mm。發生豎向位移，其最大值為1.05mm。計算表明新建公路隧道的施工對下部既有高鐵隧道二次襯砌的位移影響較小，不影響既有高鐵隧道的安全運營。

圖4 既有高鐵隧道二次襯砌豎向位移云圖

3.2 既有高鐵隧道二次襯砌內力特征

根據圖5和圖6分析，典型施工步的既有高鐵隧道二次襯砌軸力和彎矩計算結果，按《鐵路隧道設計規范》[4]采用破損階段法對典型施工步襯砌結構檢算，最小安全系數為3.6，超過規范規定2.4的最低要求，高鐵隧道二襯結構安全。

圖5 既有高鐵隧道二次襯砌軸力云圖

圖6 既有高鐵隧道二次襯砌彎矩云圖

4 新建隧道爆破動力影響分析

單響最大藥量取9.4kg，起爆點位于交叉斷面處時（右線爆破點距離既有隧道拱頂25.91m時），既有隧道上跟蹤點的振速時程曲線見圖7，從圖中可以看出，距離爆破點越遠振速呈快速遞減趨勢，爆破荷載引起的臨近隧道最大振速約為2.4cm/s。

圖7 隧道二次襯砌位置振速與時間關系

爆破動力影響分析表明：

（1）爆破荷載分析表明，當單響最大起爆藥量取9.4kg，爆破點位置隧道底部25.91m時，高鐵隧道最大振動速度約為2.4cm/s，小于振速3.0cm/s，高鐵隧道在鄰近爆破施工條件下處于安全狀態；

（2）按國標規定安全振速下限10cm/s為基礎，參考國內外現行爆破振動控制標準，為了保證高鐵隧道運營安全，取高鐵隧道爆破振動安全允許振速不超過3cm/s。

[1]劉 斌.新建公路施工對既有隧道結構有限元分析[J].建筑技術開發，2015（05）：38～41.

[2]仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D].成都：西南交通大學，2003.

[3]趙生彬.控制爆破技術在臨近既有隧道中的應用[J].建筑技術開發，2016（09）：108～109.

[4《]鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）[S].