新建隧道爆破施工對鄰近既有隧道的影響研究

雷恩宇

中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都 610500

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，由于受地形限制、選線條件等原因越來越多的隧道修建在既有隧道旁；城市軌道交通的發(fā)展也使得地鐵建設(shè)在各大城市里如火如荼。鉆爆法因其靈活、高效的特點(diǎn)目前以及未來很長一段時間是我國一種常用的隧道開挖方法[1]。鉆爆法通過群孔逐段起爆破碎拋擲巖石進(jìn)行開挖掘進(jìn)。然而在隧道的修建過程中，爆破引起的振動對相鄰隧道的影響也越來越引起人們的重視。鄰近隧道爆破施工爆破振動會造成既有隧道襯砌開裂、剝落甚至塌落等危及行車安全的現(xiàn)象。因此，在爆破施工前有必要對爆破振動的影響進(jìn)行研究評估。

關(guān)于新建隧道爆破施工對鄰近既有隧道的影響，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已經(jīng)對此深有研究，并取得了一定的成果。日本學(xué)者Nagano通過對隧道施工現(xiàn)場爆破施工的測試實(shí)驗建立了一套評價隧道施工爆破振動等級的標(biāo)準(zhǔn)[2]。Nakano等人通過對隧道爆破施工中測試振動數(shù)據(jù)的記錄和襯砌裂縫的統(tǒng)計分析，得出了有關(guān)于隧道爆破振動等級和襯砌裂縫形成關(guān)系的研究結(jié)果[3]。

劉慧對馬蹄形隧道在側(cè)爆作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，提出了隧道迎爆一側(cè)的動應(yīng)力集中因子近似確定方法，為隧道的安全爆破施工對鄰近隧道的安全提供了參考[4]。王明年等人在現(xiàn)場測試和數(shù)值分析的兩種方法對比的基礎(chǔ)上得出了一些有意義的結(jié)論[5]。畢繼紅等人就不同的圍巖級別和隧道間距的情況下對既有隧道的振動影響進(jìn)行了分析，得出了隧道間距小于一倍的洞徑時，隧道的振速峰值會超過允許值，且圍巖的振速與距爆源的距離之間的關(guān)系是非線性的[6]。馮仲仁等人通過對小凈距隧道爆破的研究，得出近距離爆破對鄰近隧道迎爆側(cè)邊墻至拱頂處影響最大，拱頂周邊的圍巖成為破壞發(fā)生區(qū)[7]。傅洪賢等人通過現(xiàn)場測試，研究了既有隧道掌子面后方隧道拱頂、掌子面正上方和側(cè)面圍巖的爆破振動規(guī)律[8]。王春梅通過對小間距隧道爆破施工現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和回歸分析，確定了爆心距以及分段裝藥量對于爆破振速傳播規(guī)律的影響[9]。路亮等人以縱波為研究對象，采用波函數(shù)法推導(dǎo)出了無限彈性介質(zhì)中符合襯砌結(jié)構(gòu)隧道在爆破地震波的作用下動力響應(yīng)的解析解，得出了隧道圍巖和二次襯砌層的彈性模量及圍巖泊松比對考察點(diǎn)處環(huán)向動應(yīng)力影響較大[10]。夏一鳴等人通過對既有隧道開展爆破振動監(jiān)測，得出了既有隧道迎爆側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)斷面振動最大，爆破振動的頻率比既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的固有頻率高很對，不會因爆破產(chǎn)生共振破壞的結(jié)論，并提出了單段最大起爆裝藥量以控制爆破振動的影響[11]。

本文以滬昆客專大茶山隧道的施工為背景，采用巖土有限元軟件Midas/GTSNX，模擬了鄰近隧道的爆破施工對既有隧道的影響。討論了不同隧道間距的工況下，鄰近隧道爆破施工對既有隧道襯砌振速、位移、應(yīng)力的影響，得出了鄰近隧道爆破施工的過程中既有隧道襯砌振速峰值、位移最大值、最小主應(yīng)力的發(fā)生區(qū)域，確定了不同隧道間距對既有隧道的影響，并提出了減震防護(hù)的施工方法。對實(shí)際工程施工建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 爆破震動控制方法及標(biāo)準(zhǔn)

衡量爆破振動的物理量有位移、速度、加速度等物理指標(biāo)。在隧道爆破施工中，引起的某個物理指標(biāo)達(dá)到某個程度時對既有結(jié)構(gòu)物造成何種程度的影響，國內(nèi)外學(xué)者專家對此有不同的判定。

日本在間距2.5～3.2m交叉隧道（荻津隧道） 的爆破開挖過程中，爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為：V≤60cm/s正常施工；60cm/s≤V≤90cm/s一級警戒，加強(qiáng)振動監(jiān)測；90cm/s≤V≤120cm/s二級警戒，更改爆破設(shè)計，加固巖柱部分；當(dāng)V≥120cm/s時三級警戒，停止工作并做其他量測，改變施工方法加固襯砌。我國水電部門在考慮地下洞室的爆破振動安全時，一般考慮按下列標(biāo)準(zhǔn)考慮：與巖體結(jié)合為一體的鋼筋混凝土襯砌隧洞振速V≤50～100cm/s；基巖或地下巖壁（中等巖石） ，振速V≤25～50cm/s；無襯砌的地下洞室和離壁式襯套結(jié)構(gòu)，振速V≤10cm/s。我國《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014） 規(guī)定按照式（1）推算爆破振動速度，具體如下：

式中：v—保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振速（cm/s） ；Q—炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量（kg） ；R—爆破振動點(diǎn)與被保護(hù)建筑物的最小距離（m） ；K，a分別為與爆破點(diǎn)和保護(hù)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。《爆破安全規(guī)程》 （GB 6722—2014） 中規(guī)定各類型隧道的安全振速標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

本文采用《爆破安全規(guī)程》 （GB 6722—2011） 建議的臨界振動速度做為評判隧道破壞的標(biāo)準(zhǔn)即鄰近隧道爆破施工引起的既有隧道在不同的振動頻率下既有隧道的破壞的臨界振動速度在10～20cm/s。

表1 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

2 工程概況與計算模型

2.1 工程概況

新建鐵路滬昆客運(yùn)專線貴州段CKGZTJ-11標(biāo)段位于貴州省關(guān)嶺—普安縣區(qū)間，項目管段內(nèi)主要以長大隧道施工為主。其中，大茶山Ⅰ級風(fēng)險隧道出口設(shè)計為輔助平行導(dǎo)坑，隧道的設(shè)計采用分離式小間距隧道，出口和進(jìn)口測設(shè)線間距分別為18.33、10.38m。隧道區(qū)屬于低中山地貌，海拔高程870～1120m。隧址巖層單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀215～245°＜45～70°。進(jìn)出洞口節(jié)理較發(fā)育。巖體主要為下元古界石槽溝組石英片巖夾變粒巖。

大茶山隧道某IV級圍巖段的開挖分上下兩個臺階分別爆破施工，選用2#巖石乳化炸藥。隧道一次爆破開挖進(jìn)尺為2m，隧道炮眼布設(shè)圖如圖1所示，本文用數(shù)值模擬爆破荷載驗證上臺階爆破工況。上臺階具體爆破參數(shù)見表2，炸藥參數(shù)見表3所示。

圖1 大茶山隧道炮孔布置圖

表2 上臺階具體爆破參數(shù)

表3 炸藥參數(shù)

2.2 計算模型

采用巖土有限元軟件Midas/GTSNX模擬大茶山隧道的爆破荷載振動。模型尺寸大小為 （120×60×82）m3（長×寬×高） ，隧道采用單心圓仰拱截面，洞徑D=12m。隧道埋深為3倍洞徑，左右邊界距隧道距離為4倍洞徑，以減少邊界效應(yīng)的影響，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

以粘性阻尼邊界定義邊界條件模擬地形概貌，避免爆破振動產(chǎn)生的應(yīng)力波在邊界上反射影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。巖體圍巖參數(shù)取值見表4。

為了分析不同隧道間距下鄰近隧道爆破施工對既有隧道的影響，本文模擬了五種隧道間距的情況，兩隧道間距分別為4、8、12、16、20m。當(dāng)隧道間距大于20m時，由于爆破振動對既有隧道影響甚微，故不再進(jìn)行研究分析。

表4 巖體參數(shù)表

2.3 爆破荷載施加

按照凝聚炸藥爆轟波Chapman-Jouguet理論[12]，計算出各個段位的爆破荷載峰值，以一條簡化的三角形曲線模擬爆破荷載的升壓和卸荷作用，并施加在隧道的開挖輪廓面上，以模擬爆破荷載的動力作用。各個段位的爆破荷載峰值如表5所示，荷載的施加位置見圖3所示。

表5 各個段位的爆破荷載峰值

圖3 爆破荷載施加位置

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道間距分析

3.1.1 振速分析

通過建立隧道間距分別為4、8、12、16、20m的隧道爆破振動模型，分析了因此爆破開挖2m的工況下不同隧道間距鄰近隧道爆破施工對既有隧道的影響規(guī)律。以及通過對各工況既有隧道不同截面提取節(jié)點(diǎn)對比分析，得出了對既有隧道襯砌的影響差異。不同隧道間距振速峰值見表6、圖4所示。既有隧道襯砌振速分析結(jié)果總結(jié)如下：

（1） 與爆破面距離最近的既有隧道迎爆側(cè)最先受到影響，振速最大。最大振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰部位。

（2） 隧道間距小于12m時，既有隧道襯砌振速受距離影響較為明顯；隧道間距大于12m時，振速峰值變化不明顯，隧道間距不再是影響既有隧道襯砌的主要因素。

（3） 隧道爆破施工時，隧道間距小于12m的情況下既有隧道襯砌振速峰值大于規(guī)范規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，建議減小爆破面或掘進(jìn)尺寸，或者更換較為穩(wěn)妥的施工方法。

表6 各工況振速峰值

圖4 各隧道間距振速峰值

3.1.2 位移分析

不同隧道間距位移變形最大值見表7，對比見圖5。結(jié)論總結(jié)分析如下：

（1） 既有隧道靠近爆破面的迎爆側(cè)是變形較大的區(qū)域，在工程施工中應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測。

（2） 兩隧道間距小于16m時，既有隧道襯砌位移變形受距離影響明顯；當(dāng)隧道間距大于16m時，既有隧道襯砌位移變形隨隧道間距變化趨于平穩(wěn)，隧道間距不是影響既有隧道襯砌變形的主要因素。

（3） 在襯砌位移變形的分量中，水平位移值較大，起主導(dǎo)地位。

表7 各隧道間距最大位移

圖5 各隧道間距最大位移變形

3.1.3 襯砌應(yīng)力分析

不同隧道間距下鄰近隧道襯砌最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力見表8，對比見圖6。結(jié)論總結(jié)分析如下：

（1） 既有隧道襯砌受鄰近隧道爆破施工影響最大主應(yīng)力發(fā)生在靠近爆破面的迎爆側(cè)拱腰位置。

（2） 既有隧道襯砌受鄰近隧道爆破施工影響最小主應(yīng)力發(fā)生在靠近爆破面的拱頂位置，由于襯砌的構(gòu)成一般為素混凝土材料，因此在施工時應(yīng)格外注意加強(qiáng)對這些部位的監(jiān)測。

（3） 既有隧道襯砌的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在數(shù)值上隨隧道間距的增大而減小，隧道間距大于18m時，應(yīng)力大小趨于平穩(wěn)，隧道間距不再是影響應(yīng)力大小的主要因素。

表8 各隧道間距最大、最小主應(yīng)力

圖6 各隧道間距應(yīng)力

4 結(jié)語

通過上述計算分析總結(jié)出以下結(jié)論：

（1） 在新建隧道的爆破施工中，鄰近既有隧道迎爆側(cè)襯砌的拱腰部位是振速峰值、最大位移變形、最大主應(yīng)力的發(fā)生部位。

（2） 既有隧道襯砌拱頂部位是最小主應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域，由于混凝土材料抗拉強(qiáng)度較小，因此是裂縫容易發(fā)展的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

（3） 隧道爆破施工一次爆破開挖2m時，隧道間距小于12m的情況下既有隧道襯砌振速峰值大于規(guī)范規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，建議減小爆破面或掘進(jìn)尺寸，或者更換較為穩(wěn)妥的施工方法。

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