短天窗點(diǎn)間隔下鄰近既有隧道爆破方案的優(yōu)化

錢安康，陳志敏,2，朱 煊，文 勇

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；3.大秦鐵路股份有限公司，太原 030000；4.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

近距離爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)可能會(huì)引起鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂，對(duì)其安全性產(chǎn)生很大的影響[1]，從而影響既有鐵路線的安全運(yùn)營。

為評(píng)估新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響，一些學(xué)者利用各種方法對(duì)其進(jìn)行了分析。方智淳等[2]為評(píng)估采石場(chǎng)爆破對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響，采用數(shù)值分析方法對(duì)既有鐵路隧道襯砌混凝土迎爆側(cè)面的應(yīng)力及位移進(jìn)行了分析。鄭明新等[3]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)與數(shù)值分析方法探討了爆破振動(dòng)對(duì)臨近高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。鄭儒彬[4]通過采用改進(jìn)后的爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)、分析爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律，進(jìn)而降低爆破產(chǎn)生的危害。李秀地等[5]利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了新建隧道爆破效應(yīng)在鄰近運(yùn)營隧道傳播的數(shù)值計(jì)算模型，并分析了新建隧道爆破施工對(duì)鄰近運(yùn)營隧道的影響規(guī)律與藥量控制。

盡管現(xiàn)有研究在爆破振動(dòng)及安全準(zhǔn)則等方面取得了一系列成果[6]，但對(duì)于短天窗點(diǎn)間隔等特殊條件的爆破振動(dòng)影響還需要具體問題具體分析，從而在原有的爆破方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并通過對(duì)既有鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振速影響進(jìn)行分析，比選出更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理的爆破方案。

1 工程概況

福州至平潭鐵路新苔井山隧道左、右線均為單洞單線隧道，位于福廈線既有苔井山隧道兩側(cè)，隧道形狀為馬蹄形，最大埋深78.7 m，內(nèi)軌頂面高于既有隧道1.0～4.0 m，開挖斷面B×H=818 cm×1 025 cm。左線隧道距離既有隧道最近處結(jié)構(gòu)凈距為11.48 m，其相對(duì)應(yīng)的右線隧道與既有隧道凈距為29.955 m。為研究左線隧道爆破施工過程對(duì)既有隧道的最不利影響，故選取此斷面來進(jìn)行數(shù)值模擬分析。新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系Fig.1 The section relationship between the new tunnel and the existing tunnel

2 爆破方案

全斷面爆破是同時(shí)對(duì)整個(gè)隧道斷面進(jìn)行爆破，炮孔布置如圖2a所示。而分天窗爆破則是在天窗期之前完成炮孔布設(shè)和鉆孔作業(yè)，再分別利用2個(gè)天窗點(diǎn)，對(duì)待挖隧道進(jìn)行填藥和爆破。第1個(gè)天窗點(diǎn)先對(duì)A部分進(jìn)行爆破，目的主要是掏槽，為后續(xù)爆破產(chǎn)生良好的臨空面；第2個(gè)天窗點(diǎn)再采用小藥量控制爆破方法對(duì)B部分進(jìn)行爆破施工[7](見圖2b)。

注：A為第1起爆區(qū)；B為第2起爆區(qū)，MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS15為雷管段數(shù)圖2 不同爆破方案炮孔布置Fig.2 Layout of blastholes in different blasting schemes

全斷面爆破方案與分天窗爆破方案各段裝藥量如表1所示。

表1 不同爆破方案各段裝藥量

3 有限元模擬

3.1 模型的建立

為了弱化邊界對(duì)數(shù)值模擬的影響，模型左右及上下邊界分別取3～5倍隧道洞徑，最終整個(gè)模型尺寸長(zhǎng)138 m，高84 m，左線隧道內(nèi)軌頂面高于既有隧道內(nèi)軌頂面1 m。為避免爆破地震波在邊界處反射，在建立模型過程中對(duì)邊界施加黏彈性邊界條件。

結(jié)合分天窗隧道爆破施工方式，爆破時(shí)間分為2個(gè)天窗點(diǎn)，第1個(gè)天窗點(diǎn)(00∶00～00∶30)的爆破區(qū)稱為第1起爆區(qū)，第2個(gè)天窗點(diǎn)(04∶00～04∶30)的爆破區(qū)稱為第2起爆區(qū)。遵循網(wǎng)格劃分原理，第1起爆區(qū)模型最終將網(wǎng)格劃分為15 712個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 359個(gè)單元；第2起爆區(qū)模型最終將網(wǎng)格劃分為15 846個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 493個(gè)單元。全斷面模型和第2起爆區(qū)模型相同。

模擬選取等級(jí)為Ⅲ級(jí)的圍巖作為分析對(duì)象，主要地層有3層，從上到下依次為人工填土層、卵石土、風(fēng)化花崗巖，巖體較為破碎。圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖、支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 爆破荷載的計(jì)算及加載

在目前的研究中，爆破荷載波形的選擇和加、卸載時(shí)間的計(jì)算主要有3種類型：三角形波性加載；指數(shù)型；諧波函數(shù)或平滑曲線型[8]。對(duì)于爆破荷載的計(jì)算，以往采用的計(jì)算方法多適用于單孔或者集中裝藥的情況，而沒有將整個(gè)爆破面的所有炮孔荷載考慮在內(nèi)。為了使計(jì)算結(jié)果更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次計(jì)算將整個(gè)爆破面考慮在內(nèi)，并將掏槽孔與非掏槽孔的荷載計(jì)算分開進(jìn)行。

依據(jù)爆破荷載簡(jiǎn)化理論，全斷面爆破荷載根據(jù)段位不同簡(jiǎn)化為8個(gè)三角形荷載；分天窗爆破的第1、2起爆區(qū)爆破荷載可以簡(jiǎn)化為6個(gè)三角形荷載，每個(gè)段位炸藥產(chǎn)生的荷載都具有加載段與卸載段[9]。為了最大程度降低不同段位爆破振動(dòng)的疊加效應(yīng)，段位之間時(shí)間間隔設(shè)置為50～100 ms[10]。荷載施加方式是將其視為均布荷載垂直作用在隧道開挖輪廓線上。全斷面爆破荷載時(shí)程如圖3所示，分天窗爆破荷載時(shí)程如圖4所示。

圖3 全斷面爆破荷載時(shí)程Fig.3 Time history of the full section blasting

圖4 分天窗爆破荷載時(shí)程Fig.4 Time history of the blasting of different reserved maintenance times

3.3 監(jiān)測(cè)位置的設(shè)定

對(duì)既有隧道拱頂、拱腰、拱腳及底部等部位進(jìn)行振速監(jiān)測(cè)，計(jì)算時(shí)間積分步長(zhǎng)為0.02 s，整個(gè)爆破過程計(jì)算總時(shí)間為1.2 s。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

注：1～8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Location of monitoring points

3.4 模擬結(jié)果分析

1)全斷面爆破方案。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置爆破振動(dòng)速度時(shí)程如圖6所示。

圖6 各監(jiān)測(cè)位置爆破振速時(shí)程Fig.6 Time history of vibration velocity at each monitored position

對(duì)比分析各監(jiān)測(cè)位置的爆破振速時(shí)程可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)水平方向的振動(dòng)速度都要大于豎直方向的振動(dòng)速度，且距離爆源水平方向越遠(yuǎn)，水平振動(dòng)速度越小；振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)在拱腰位置，為6.04 cm/s，超過最大振速允許值3 cm/s，而豎直方向最大振動(dòng)速度則出現(xiàn)在拱頂位置，為1.73 cm/s。

2)分天窗爆破方案。由于全斷面爆破在有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱腰位置的爆破振速將遠(yuǎn)超過最大振速允許值，影響既有隧道的安全運(yùn)營。而且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安排2次全斷面爆破，間隔時(shí)間最少需要5 h，與2次天窗點(diǎn)間隔時(shí)間不足4 h相比，采用全斷面爆破還將會(huì)失去一次爆破開挖的機(jī)會(huì)，影響工程進(jìn)度。為不影響既有隧道正常運(yùn)營，爆破需要在間隔時(shí)間較短的2個(gè)短天窗期進(jìn)行，因此必須對(duì)全斷面爆破方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)行分區(qū)、分天窗爆破。

既有隧道襯砌爆破振動(dòng)速度最大的位置為迎爆側(cè)面拱腰處，故此次分析主要對(duì)既有隧道迎爆側(cè)面拱腰位置的水平振速進(jìn)行分析，右側(cè)先行隧道及其他位置影響相對(duì)較弱暫不做考慮。第1起爆區(qū)和第2起爆區(qū)既有隧道迎爆側(cè)面拱腰處水平振動(dòng)速度時(shí)程如圖7所示。

圖7 分天窗爆破迎爆側(cè)面拱腰處水平振速Fig.7 Horizontal vibration velocity of the blasting of different reserved maintenance times at the arch waist of the blasting side

由圖7分析可知，第1天窗期爆破最大振動(dòng)速度為2.75 cm/s，第2天窗期爆破最大振動(dòng)速度為2.44 cm/s，都未超過最大振速允許值3 cm/s，處于安全范圍內(nèi)；第1起爆區(qū)最大振速比第2起爆區(qū)最大振速高12.7%，整個(gè)爆破過程中，第1天窗期掏槽孔爆破時(shí)振速最大。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比與爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

將振速測(cè)試儀安裝在離爆破點(diǎn)最近的既有隧道襯砌拱腰部位，在爆破區(qū)范圍內(nèi)每隔15 m安裝1臺(tái)，共布置10臺(tái)，并根據(jù)爆破施工進(jìn)度進(jìn)行前移。每次爆破施工完成后記錄最大一段的振動(dòng)速度峰值，并進(jìn)行整理分析。既有隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

注：1～10為監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖8 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.8 Layout of vibration monitoring points

目前，我國大多采用薩道夫斯基公式作為爆破振動(dòng)衰減公式來預(yù)測(cè)爆破振速或計(jì)算裝藥量，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。其計(jì)算公式為

(1)

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)可得式(2)

lnv=lnK+lnρ

(2)

設(shè)y=lnK，x=lnρ，a=α，b=lnK，則式(2)可表示為

y=ax+b

(3)

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，可得到參數(shù)a和b，進(jìn)而得到不同爆破方案的振動(dòng)衰減系數(shù)，其中K=eb，α=a。

各爆破方案裝藥量最大的一段分別為MS11、MS3、MS7，上述各段炮孔中心至各橫斷面迎爆側(cè)面拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為5～8)的距離都分別為15.57、21.62、33.80、47.62 m，同時(shí)取不同爆破方案5～8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)峰值振速，進(jìn)而進(jìn)行線性擬合，并與數(shù)值模擬峰值振速進(jìn)行對(duì)比。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振速及衰減系數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大振速與數(shù)值模擬最大振速的對(duì)比可知，兩者之間的相對(duì)誤差較小，數(shù)值計(jì)算的精度整體符合要求。同時(shí)，由表3分析也不難發(fā)現(xiàn)系數(shù)K在采用分天窗爆破時(shí)要比全斷面爆破小，且分天窗第2次爆破比第1次爆破要小，這是因?yàn)榈?次爆破在掏槽時(shí)受到的夾制作用較大，而在第2次爆破時(shí)由于臨空面的增加，夾制作用變小，且由于地質(zhì)條件大致相同，各爆破方案的振動(dòng)衰減系數(shù)α則相差不大。

4.2 方案比選

通過對(duì)比分析兩種爆破方案下的既有臨近隧道襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振速可以看出，全斷面爆破方案下的爆破振動(dòng)速度最大值為6.04 cm/s，已經(jīng)超過最大爆破振動(dòng)安全允許值3 cm/s，且與短天窗間隔條件下的爆破方案相比，將會(huì)失去一次爆破開挖的機(jī)會(huì)，影響工程進(jìn)度。相比之下，分天窗爆破方案下的最大振動(dòng)速度僅為2.75 cm/s，不僅滿足施工最大振動(dòng)速度的要求，還可以充分利用2個(gè)天窗期進(jìn)行爆破施工，加快施工進(jìn)度，安全經(jīng)濟(jì)高效，故分天窗爆破方案較全斷面爆破方案更優(yōu)。

5 結(jié)論

1)全斷面爆破方案爆破振動(dòng)速度最大值為6.04 cm/s，超過了最大振速允許值3 cm/s，而分天窗爆破方案爆破振動(dòng)速度最大值為2.75 cm/s，處于安全范圍內(nèi)，且可以充分利用2個(gè)天窗期進(jìn)行施工，經(jīng)濟(jì)高效，故采用分天窗爆破方案更優(yōu)。

2)兩種爆破方案下的水平方向最大爆破振動(dòng)速度都要遠(yuǎn)大于豎直方向最大爆破振動(dòng)速度，且距離爆源水平方向越遠(yuǎn)，水平振動(dòng)速度越小。