上下平行近距離隧道爆破施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響

張麗娟

（福建省精創(chuàng)交通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，福建福州350001）

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)日漸完善，各支線縱橫交錯(cuò)。新舊隧道近接施工的案例越來越多。當(dāng)新建隧道與既有隧道間距較小時(shí)，在保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下，修建新隧道已成為工程建設(shè)者亟待解決的難題。許多專家、學(xué)者基于工程實(shí)例，研究分析隧道爆炸引起的臨近結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)響應(yīng)，提出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)及防護(hù)措施等[1]。其中，在建隧道與既有隧道兩者空間關(guān)系以相交或水平相鄰為主，全線走向上下平行的案例較少。基于三維有限元數(shù)值模擬，研究某新建隧道施工時(shí)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)平行近接的既有隧道圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特性，得到爆破對(duì)既有隧道的影響規(guī)律，為上下平行近接礦山法隧道施工提供參考。

1 近距離爆破對(duì)既有隧道的影響機(jī)制

巖土體爆破過程復(fù)雜，理論研究普遍認(rèn)為爆破破壞是反射拉應(yīng)力波與爆生氣體壓力共同作用的結(jié)果，即應(yīng)力波引起最初的巖土體裂隙，隨后爆生氣體滲入裂隙，使其進(jìn)一步擴(kuò)展。該理論認(rèn)為兩者都是引起巖土體破壞的重要原因，特別是在介質(zhì)破壞過程的不同階段起著重要作用[2]。

當(dāng)新建隧道與既有隧道間距較小，既有隧道位于新建隧道爆破壓應(yīng)力波影響范圍內(nèi)，新建隧道必須考慮可能產(chǎn)生的、對(duì)相鄰既有隧道的不利影響[3]。新建隧道與既有隧道的空間位置、隧道間距等都是影響既有隧道安全性的重要因素。兩者的空間位置分成兩類：相交和平行。其中,兩者空間相交時(shí)，爆破對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的區(qū)域面積較小。在垂直相交的情況下，影響的區(qū)域面積最小。兩者空間平行時(shí)，影響的區(qū)域面積較大，既有隧道的整個(gè)迎爆面均為影響區(qū)域面。因此，新建隧道與既有隧道走向平行時(shí)是比較復(fù)雜和不利的情況。尤其兩者走向上下平行時(shí)，既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力還會(huì)隨著上方新建隧道巖土體卸載而發(fā)生變化，相互響應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜?；谀称叫杏谙路郊扔兴淼赖牡V山法隧道施工進(jìn)行爆破影響性分析與評(píng)價(jià)。

2 工程概況

在福泉高速連接線拓寬工程中，某新建隧道與福州地鐵某區(qū)間隧道走向近似平行，新建隧道位于既有地鐵隧道上方。新建隧道為單洞隧道，隧道埋深3.2m，全長305m，采用礦山法施工。新建隧道在隧道進(jìn)口FDHK4+775 處，隧道埋深4.4m，與既有隧道凈距約18.6m；在隧道洞身FDHK4+900 處，隧道埋深17.1m，與既有隧道凈距約19.6m；在隧道出口FDHK5+060 處，隧道埋深3.2m，與既有隧道凈距約17.3m。新建隧道出口處與既有隧道間距最小，以隧道出口處作為分析的重點(diǎn)，研究新建隧道爆破對(duì)既有隧道的影響,兩者橫剖面關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 新建隧道出口處與既有隧道橫剖面關(guān)系圖

新建隧道所處山體屬剝蝕殘丘地貌，山體呈圓緩形。地鐵隧道底部位于中風(fēng)化花崗巖地層中，出口段的圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。新建隧道進(jìn)出洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段長為93m，采用CD 法施工，單次循環(huán)炮眼深度控制在100cm 左右，設(shè)計(jì)進(jìn)尺為80cm，炮眼直徑采用φ38～42mm，各道工序間隔300～500cm。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）中爆破振動(dòng)安全距離公式，最大單響裝藥量計(jì)算公式如下：

式（1）中：V——安全允許振速取2.5cm/s；K——堅(jiān)硬巖取150；a——堅(jiān)硬巖取1.4；R——爆破振動(dòng)安全距離為18.3m（取洞頂離爆破點(diǎn)的距離）；Q——爆破時(shí)最大一段的藥量（kg）。

根據(jù)式（1），可求得Q= 0.95kg。因此，該工程單次爆破最大裝藥量為0.95kg。

3 平行近距爆破對(duì)既有隧道的影響分析與評(píng)價(jià)

采用MIDAS GTS NX 有限元程序，建立三維有限元模型。在建隧道與既有隧道的最小凈距位于出口段，以出口段為主要研究對(duì)象建立模型，分析討論：在新建隧道出口段兩隧道距離最小處爆破時(shí)，既有隧道影響區(qū)域范圍內(nèi)的速度響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)；在新建隧道不同位置爆破時(shí)，既有隧道的速度響應(yīng)以及出口段距離最小處速度響應(yīng)規(guī)律。

3.1 計(jì)算假設(shè)

其一，不考慮結(jié)構(gòu)面的影響，假設(shè)巖土體為連續(xù)、均勻的介質(zhì)。

其二，爆破荷載簡化成作用在隧道襯砌壁上的均布荷載，作用方向垂直于洞壁。

3.2 計(jì)算模型

新建隧道與既有隧道走向近似平行，兩者于新建隧道出口處凈距最小。通過考慮該工程的影響范圍，并根據(jù)實(shí)際地形地貌條件，建立120m×100m×75m 的三維有限元模型。在模型設(shè)置中，巖土體視為理想彈塑性體，采用四面體實(shí)體單元模擬；既有隧道及新建隧道襯砌均按各向同性彈性材料考慮，采用三角形板單元模擬。三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

3.2.1 巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 邊界條件

模型邊界條件主要考慮兩個(gè)動(dòng)力邊界條件：特征值分析的彈性邊界和時(shí)程分析的黏彈性邊界。

（1）特征值分析的彈性邊界

地表定義為自由邊界，其余各面邊界通過曲面彈簧定義為彈性邊界。各面法向基床系數(shù)取《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）中推薦的圍巖彈性抗力系數(shù)，切向基床系數(shù)取值為零。

（2）時(shí)程分析的黏彈性邊界

在動(dòng)力分析過程中，基于單側(cè)波動(dòng)概念的黏彈性邊界，既可以約束動(dòng)力問題中的零頻分量，也可以模擬人工邊界外半無限介質(zhì)的彈性恢復(fù)性能。采用黏彈性邊界作為時(shí)程分析的邊界條件，具有良好的穩(wěn)定性和較高的精度。

3.2.3 爆破荷載

MIDAS GTS NX 中爆破荷載采用美國National Highway Institute 提及的公式，計(jì)算得到爆破發(fā)生時(shí)的最大爆破壓力。每kg 炸藥的爆破壓力公式如下[4]：

式（2）～（3）中：Pdet——爆破壓力（kPa）；Ve——爆破速度（cm/s）；ρ——炸藥比重（g/cm3）；PB——孔壁面上壓力（kPa）；dc——火藥直徑；dh——孔眼直徑。

而實(shí)際上，作用于孔壁上的爆破壓力并非常數(shù)，而是隨著時(shí)間變化，通常用指數(shù)型的時(shí)間滯后函數(shù)來表達(dá)。參考類似的工程實(shí)際以及相關(guān)的計(jì)算內(nèi)容，計(jì)算采用的時(shí)程動(dòng)壓力公式如下[5]：

式（4）中：B=16338，為荷載常量。

以上各式中，炸藥爆速取值為200000cm/s，密度為1g/cm3，假定為耦合裝藥，可得dc=dh。通過計(jì)算，每kg 炸藥產(chǎn)生的最大爆破壓力PB=20.9MPa，加載到峰值壓力的升壓時(shí)間約為6ms。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)不同爆破位置的情況進(jìn)行探討：

其一，爆破1 位置位于新建隧道出口段FDHK5+060 處，即新建隧道與既有隧道凈距離最小處，分析既有隧道影響區(qū)域范圍內(nèi)的速度響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)。

其二，以爆破點(diǎn)1 為起始點(diǎn)，沿新建隧道走向，每間隔15m 設(shè)置一個(gè)爆破點(diǎn)，分析不同爆破點(diǎn)爆破時(shí)既有隧道的速度響應(yīng)，以及不同爆破點(diǎn)爆破時(shí)，對(duì)爆破點(diǎn)1 位置對(duì)應(yīng)的既有隧道的速度響應(yīng)。

3.3.1 位置1 結(jié)果分析

（1）速度響應(yīng)分析

提取0.10s 時(shí)間下既有隧道的速度響應(yīng)云圖見圖3。

圖3 既有隧道速度響應(yīng)云圖

從圖3 可知，既有隧道振速最大值為0.068cm/s，位于新建隧道起爆位置附近，隧道拱頂部位振速最大。隨著時(shí)間推移，隧道振速急劇增大而后緩慢減小，受爆破振動(dòng)影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，影響逐漸減小。

（2）應(yīng)力響應(yīng)分析

對(duì)應(yīng)于響應(yīng)時(shí)間0.10s 時(shí)，既有隧道振速最大，隧道襯砌受到最大剪應(yīng)力及最大主應(yīng)力作用。提取既有隧道襯砌的最大剪應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力分別為43.39kPa 和76.69kPa，小于C25 噴射混凝土的抗剪、抗拉強(qiáng)度。既有隧道襯砌受到爆破荷載作用的抗拉和抗剪強(qiáng)度均在安全范圍之內(nèi)。

3.3.2 不同爆破位置結(jié)果分析

（1）以爆破位置1 為起始點(diǎn)，沿新建隧道走向，每隔15m 設(shè)置一個(gè)爆破點(diǎn)，分析各個(gè)爆破位置在時(shí)間為0.10s 時(shí)，既有隧道的最大速度響應(yīng)，見圖4。

圖4 不同爆破位置引起的結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度響應(yīng)曲線

從圖4 分析可得，既有隧道與新建隧道兩者之間距離是重要的影響因素之一。隧道走向近乎上下平行時(shí)，單點(diǎn)爆破均會(huì)引起下方既有隧道產(chǎn)生較大的振動(dòng)速度。上下平行隧道間距變化不大，前后爆破位置引起的最大振動(dòng)速度變化不大，振動(dòng)速度最大值位于兩者距離最小處。因此，上下平行隧道近距離施工時(shí)，需全線嚴(yán)格控制前后爆破的時(shí)間差、爆破進(jìn)尺、單次爆破量等因素，避免引起下方既有隧道的振動(dòng)疊加，造成既有隧道結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）分析各個(gè)位置爆破在時(shí)間為0.10s 時(shí)，爆破位置1 處既有隧道的速度響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 各個(gè)位置爆破時(shí)，位置1 處既有隧道速度響應(yīng)曲線

從圖5 可以看出，當(dāng)爆破點(diǎn)位于位置1 正上方時(shí)，既有隧道速度響應(yīng)最大。隨著爆破點(diǎn)與其距離增大時(shí)，位置1 處結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)逐漸減小。

綜上所述，新建隧道與既有隧道上下平行建設(shè)時(shí)，新建隧道于不同的位置爆破，既有隧道均會(huì)受到較大的影響，其中爆破點(diǎn)正下方的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大，應(yīng)力最大，受影響最大。兩隧道間距是影響既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的重要因素之一，間距越小處，既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)越大。因此，制定合理的爆破方案，可以降低既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度，減小結(jié)構(gòu)受力情況，確保了既有結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)語

新建隧道與鄰近既有隧道上下平行時(shí)，既有隧道受新建隧道爆破影響的范圍大，新建隧道全線施工爆破均會(huì)對(duì)下方隧道產(chǎn)生影響。其中影響最大的是兩者凈距最小處。

新建隧道爆破點(diǎn)正下方的既有隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大，應(yīng)力值最大。隨著時(shí)間增大，傳播距離變大，應(yīng)力波對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響逐漸減弱。

上下平行近接爆破施工的隧道，需全線采取有效的措施，降低爆破荷載的峰值壓力，減小爆破擾動(dòng)。在整個(gè)建設(shè)過程中，特別是在隧道出口段、入口段等對(duì)既有隧道影響明顯的位置處施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制前后爆破的時(shí)間差，加大相鄰雷管段的段位差，控制單次爆破量等，降低爆破產(chǎn)生的最大振速，避免振動(dòng)疊加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。

在實(shí)際的工程中，爆破振動(dòng)效應(yīng)受諸多因素影響，而數(shù)值分析根據(jù)假設(shè)條件做了一定的簡化。因此，在數(shù)值分析的結(jié)論基礎(chǔ)上，還應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。