新建引水隧洞下穿既有高速公路隧道爆破振動影響研究

丁玉仁

(平潭綜合實驗區交通投資集團有限公司，平潭 350400)

0 引言

基礎設施建設需求的不斷增加，帶來了公路、鐵路及水利工程隧道建設項目的高速發展， 地下空間得到了更大程度的利用。在市政、交通及水利行業工程建設大跨越式發展中，小凈距平行隧道、新建隧道臨近既有建筑物、新建隧道下穿側穿既有隧道等形式的地下近接工程越來越多。采用鉆爆法施工的隧道近距離穿越既有隧道時，由爆破開挖引發的既有隧道振動安全問題日益凸顯， 關于近接隧道爆破施工的振動安全控制標準、 振動響應評價及爆破控制措施受到工程爆破領域學者和工程技術人員的重點關注。

近年來， 國內外學者在隧道近接開挖爆破振動影響分析方面做了很多研究。仇文革[1]系統地劃分了廣義地下工程近接施工的類型， 為各類近接施工影響分析提出了分析判斷評價標準；龔倫等[2]結合工程監測結果，驗證了數值模擬爆破分析結果的可行性， 并得出爆破施工重點監測范圍；馮仲仁[3]、劉敦文等[4]研究了近接施工隧道間距和爆破裝藥量對爆破引起振動的影響；劉拓[5]、劉均紅[6]結合引水隧洞下穿既有高速公路、鐵路隧道的案例，通過數值模擬和經驗公式方法， 得出引起既有隧道質點振動速度的大小分布情況及振速與爆源距離的關系； 針對交叉隧道開挖爆破振動的不利影響，陳慶[7]、于建新等[8]通過對爆破振動監測結果的回歸分析， 提出了相應的爆破振動控制技術措施。隧道工程地質條件、支護結構措施影響爆破施工振動波的傳播， 不同環境條件下的近接爆破施工影響會有著很大差異。

本文以平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿福銀高速公路竹岐隧道為工程背景，利用經驗公式法和三維數值模擬方法開展引水隧洞下穿高速公路隧道的爆破施工影響分析， 為爆破施工控制措施提供依據， 以確保既有隧道襯砌結構的整體穩定和行車交通的安全運行。

1 工程概況

閩江竹岐-大樟溪引水線路金水湖-溪源溪隧道在閩侯縣竹岐鄉附近(樁號JX2+450)下穿福銀高速公路竹岐隧道，交叉段總體埋深200～300m，兩條隧道交叉角度為55.7°， 交叉位置福銀高速公路隧洞路面高程約為54.00m，引水隧洞隧洞頂高程為19.55m，隧洞頂與高速公路路面凈距34.45m，新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關系示意圖如圖1 所示。 交叉段落洞身段圍巖為正長斑巖，圍巖微風化-新鮮，弱風化巖石飽和抗壓強度大于80MPa，屬工程堅硬巖類，交叉影響段圍巖巖體為Ⅲ級圍巖。 該區為基巖山區，賦存的地下水較貧乏，地下水與地表水循環深度不大。

圖1 新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關系示意圖

本工程新建引水隧洞開挖洞徑為5.5m，斷面采用平底圓型，底寬為4m。 既有高速公路隧道為分離式雙線雙洞隧道， 單洞行車道寬度為2×3.75m， 水平向直徑約11.6m，豎向高度約8.1m，左右洞軸距為37.62～50m。 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖如圖2 所示。

圖2 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖(單位：cm)

2 爆破安全控制標準的選取

根據國內《爆破安全規程》[9]規定，地下建筑如水工隧道、交通隧道、礦山巷道等振動判據采用保護對象所在地的質點峰值振動速度(取三個垂直分量中的最大值)。高速公路隧洞可參照交通隧道的控制標準選取， 即在爆破振動影響下，質點最大振動速度不得大于10～20cm/s。 日本《接近既有隧道施工對策指南》[10]中對健全度為A2、A1(變異程度有發展趨勢) 的隧道爆破振動速度的限制值為3cm/s。

綜合國內外安全規程、指南等相關規定，隧道爆破開挖采用質點的峰值振動速度來推斷高速公路隧道的受害限界，結合工程實際情況，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，取既有高速公路隧道的振動速度安全控制標準[V]=3cm/s，并將既有隧道振速達到1/3[V]=1cm/s 的區間作為爆破監測的范圍。

3 爆破振動三維數值分析

3.1 計算模型

為了模擬引水隧洞爆破施工對既有福銀高速竹岐隧道的影響，本節采用MIDAS/GTS 軟件建立三維有限元模型。 計算時為減小“邊界效應”[11]，模型沿高速公路隧道縱向截取160m，橫向截取230m，模型左邊界距公路隧道左洞軸線100m，模型上邊界按隧道實際埋深取205～230m，下邊界距公路隧道左洞100m，建立如圖1、圖3 三維計算模型，共劃分單元67591 個。

圖3 三維計算模型示意圖

本文數值模擬采用全斷面法開挖， 根據工程實際情況，由于高速公路隧道已先期通車，為分析引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產生的最大影響， 本模擬分析過程采用既有高速公路隧道已貫通， 引水隧洞已開挖至與高速公路左洞交叉點處位置， 采用1m 單循環進尺繼續爆破開挖的施工過程。

根據工程經驗， 模型對已經施工完成的福銀高速竹岐隧道模擬其二次襯砌， 對已開挖段引水隧洞模擬其初期支護， 二者均采用板單元模擬， 并定義為彈性材料屬性。對圍巖和地層采用實體單元建模，隧道所在巖層采用德魯克-普拉格本構模型， 其余巖土層采用摩爾-庫倫本構模型。

模型的邊界條件為： 特征值分析除地表為自由邊界外，其余各邊界通過曲面彈簧定義為彈性邊界；爆破振動時程分析中除地表為自由邊界外， 其余各邊界取帶阻尼彈性系數的粘彈性邊界曲面彈簧。

3.2 材料計算參數選取

本次計算參數參照地勘資料和《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010)選取[12]，如表1 所示。

3.3 爆破荷載

由于數值模擬的簡化， 將掌子面多個藥孔微差爆破產生的爆破荷載以均布壓力荷載形式作用在隧道壁上， 方向垂直于洞壁。 爆破荷載采用美國National Highway Institute 里提及的公式， 即每1kg 炸藥的爆破壓力如下[13]：

表1 巖土層及隧道襯砌計算物理力學參數

式中：Pdet為爆破壓力，kPa；Ve為炸藥爆速，cm/s；ρ 為炸藥比重，g/cm3；PB為孔壁面上壓力，kPa；dc為火藥直徑；dh為孔眼直徑。

實際上作用于孔壁上的動壓力隨時間是變化的，通常取為指數型的時間滯后函數。 根據計算經驗和工程實踐本報告中采用的時程動壓力公式如下：

式中，B 為荷載常量。

根據式(1)～(3)，取炸藥爆速為300000cm/s，炸藥密度為1g/cm3，當耦合裝藥時，dc=dh。 本模擬過程假定引水隧洞爆破開挖最大單段裝藥量為10kg，炸藥產生的最大爆炸壓力為PB=208.91MPa，加載到峰值壓力的升壓時間為6ms，爆破荷載時間歷程如圖4 所示。

圖4 爆破荷載時程函數

3.4 計算結果分析

3.4.1 引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產生的振動速度影響

為探究引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點處1m 單循環進尺爆破開挖對高速隧道質點峰值振動速度的影響，選取公路隧道橫斷面各考察點布置如圖5 所示。

由于引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點處爆破開挖引起左洞的峰值振速明顯大于右洞， 提取高速公路隧道左洞交叉點處橫斷面各考察點的水平和豎向峰值振動速度，如表2 所示。

圖5 高速公路隧道橫斷面各考察點布置圖

表2 各考察點計算峰值振動速度(cm/s)

由表2 可得， 既有高速隧道截面豎向振速峰值均大于水平振速峰值， 高速公路隧道左洞交叉點處橫斷面的豎向峰值振速為0.854cm/s，位于左洞隧道的底板中點位置，并沿拱腳往拱頂位置逐漸衰減，爆破施工對既有高速隧道的影響主要集中于底板位置。

為探究高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向的振速響應， 選取沿高速公路隧道左洞軸線方向距離交叉點不同位置處(引水隧洞未開挖側為正)的底板中點豎向峰值振動速度，如圖6 所示。

由圖6 可得，高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向底板中點豎向振動速度在交叉點處達到最大，為0.854cm/s，并沿與交叉點距離的增大而逐漸衰減。

綜合上述結論， 引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點處1m 進尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產生的質點峰值振速為0.854cm/s，位于高速公路隧道左洞交叉點處底板中點位置， 峰值振速小于監測振速安全控制標準1cm/s， 新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產生的影響較小。

3.4.2 引水隧洞爆破開挖爆破振動影響范圍

圖6 公路隧道左洞距交叉點不同位置處底板中點豎向峰值振速圖

圖7 爆破振動速度等值面圖

為了能更直觀地觀察引水隧洞爆破開挖振動產生的爆破振動影響范圍， 提取引水隧洞交叉點處1m 進尺爆破 開 挖 引 起 振 動 速 度 為V=0.1cm/s、0.5cm/s、0.8cm/s、1.0cm/s、3.0cm/s、5.0cm/s 的振速等值面圖如圖7 所示。由圖7 可知，隨著質點振動速度的提高，等值面逐漸向引水隧洞交叉開挖點處縮小。其中爆破振速監測控制標準V=1.0cm/s 等值面的影響半徑約為29.7m(5.4D)，安全振速控制標準V=3.0cm/s 等值面的影響半徑約為16.2m(2.95D)，均小于兩隧道之間的最小凈距34.45m(6.26D)。

4 結論與建議

4.1 結論

本文結合經驗公式法和三維數值模擬計算方法，對平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿既有福銀高速公路竹岐隧道進行爆破施工影響分析，得出了以下結論：

(1)通過三維數值模擬計算方法，得出當爆破最大段裝藥量為10kg 時，引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點處1m 進尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產生的質點峰值振速為0.854cm/s，新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產生的影響較小。

(2)三維數值模擬計算得出的引水隧洞爆破振速監測控制標準V=1cm/s 影響半徑約為5.4D (D 為新建隧洞外徑)， 安全振速控制標準V=3cm/s 影響半徑約為2.95D，均小于兩隧道之間的最小凈距6.26D(34.45m)。

4.2 建議

考慮到爆破施工過程中的風險因素， 為確保既有高速公路竹岐隧道安全，提出以下建議：

(1)施工單位在正式爆破開挖前，應對引水隧洞與高速公路竹岐隧道交叉段進行爆破專項設計， 然后根據爆破專項方案進行爆破震動現場試驗，根據測試結果，對高速公路竹岐隧道安全控制標準、 數值計算分析結果及參數取值的合理性進行驗證。同時根據試驗成果，優化爆破方案，確保高速公路竹岐隧道結構安全。

(2)爆破開挖過程中，制定完整的監測方案，確定合理的安全控制值、預警值；同時根據監測數據及時調整爆破方案，信息化、動態化施工。

(3)建議制定完善的應急預案，協調好各方面的力量保證引水隧洞爆破開挖時高速公路竹岐隧道的安全。 細化預警值、警戒值，并明確處理方案。