近距離既有隧道爆破方案優化設計*

洪祥水，宗 輝，陳 佳，符瞻遠

(1.浙江交工金筑交通建設有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

0 引言

近年來，隨著交通網絡的不斷完善，新建隧道里程數逐年增多，受地形、地質條件的限制，新建隧道可能近距離上穿或下穿既有隧道。新建隧道爆破會對鄰近既有隧道造成影響，引起襯砌結構開裂、附屬構造物脫落、影響行車安全等問題，因此，優化新建隧道爆破設計方案、降低對既有隧道結構和行車安全的影響至關重要。

李軍等[1]的研究表明，襯砌允許安全振動速度與振動頻率具有密切關系。苗培乾[2]計算了鄰近鐵路構筑物與隧道之間的最近距離、爆破飛石飛散的安全距離，并分析了二者的關系。吳忠仕等[3]將現場測量數據與數值模擬結果進行了對比，分析了爆破作用下結構振動速度和應力。汪波等[4]研究了爆破對既有病害隧道動力響應的影響。張立人等[5]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進行隧道爆破振動測試分析，獲得爆破振動規律經驗公式。劉曉敏等[6]通過數值仿真分析及現場試驗等，研究了上下層疊近接隧道施工規律,優化了整體開挖方案，研發了包括減振爆破、注漿加固等工藝在內的極小凈距隧道后行洞開挖技術。吳波等[7]、伍海龍等[8]、魯嘯龍等[9]使用FLAC3D有限差分軟件對平行近接隧道爆破進行數值模擬分析，結果表明，靜力開挖對既有隧道的影響較小，位移-主應力曲線呈S形規律性變化。施有志等[10]、劉敦文等[11]、劉唐利等[12]、陳慶章等[13]、李鳳等[14]采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立雙隧道模型，模擬了鄰近隧道爆破對既有隧道的影響，研究結果表明，受臨空面隔振影響，未開挖區域振動速度略大于已開挖隧道后方區域。孫西濛等[15]針對爆破振動危害提出了控制措施。吳躍光[16]通過采取增加雷管段位、延長爆破時間、減少掏槽眼數量和裝藥量、減少同段裝藥量等優化措施，降低爆破振動速度。上述研究主要分析爆破振動對周邊結構動力響應的影響，對于近距離隧道，需進行有針對性的分析。

1 工程概況

新建畢浦隧道長370m，設計速度60km/h，與既有畢浦隧道間距僅17～26m，距洞口南側108m為S208省道。隧道進出口交叉路分別為油嶺線及俞畢線，建成后將與S208省道共同構成雙線交通形態，采用鉆爆法施工，根據炮眼布置進行定位打眼，確保周邊眼、掏槽眼位置和角度準確。

2 爆破預設計方案

隧道進洞52m后進入IV級圍巖，埋深逐漸變大，采用預留上、下臺階法開挖。通過MIDAS軟件建立有限元模型(見圖1，2)，考慮數值模型邊緣至少為4倍洞徑，模型長100m，寬134m，高度結合實際地形變化取為60～70m，埋深由洞口向洞內逐漸增大。隧道襯砌及錨桿采用彈性本構模型模擬，共劃分約10萬個單元。x向為水平縱向，y向為水平橫向，z向為豎直方向。

圖1 結構整體模型

圖2 新建隧道與既有隧道模型

上臺階爆破方案中，最大單段裝藥量為36kg，對應底板眼爆破段；一級掏槽眼6個，二級掏槽眼8個，孔深1.7m，單段總裝藥量8.4kg。因此，劃分為A，B工況進行模擬，其中，工況A為按底板眼控制，即按最大單段裝藥量考慮；工況B為按一級掏槽眼控制，即按單段總裝藥量考慮。

3 計算結果分析

3.1 工況A

計算得到工況A下結構整體振動速度云圖如圖3所示。由圖3可知，爆心最大振動速度達2 421cm/s。由于底板眼主要向豎直方向釋放能量，振動效應顯著，使地表振動速度達20cm/s。

圖3 工況A下結構整體振動速度云圖(單位：cm·s-1)

計算得到工況A下既有隧道振動速度云圖如圖4所示。由圖4可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為8.729 6，2.310 3，1.185 1cm/s，可知爆破應力波對既有隧道x向振動的影響最大，y向次之，z向最小，即底板眼爆破時，既有隧道以水平縱向振動為主，這與底板眼作用位置有關。計算得到工況A下既有隧道整體最大振動速度為10.305cm/s，小于限值要求(12cm/s)。

圖4 工況A下既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

3.2 工況B

計算得到工況B下結構整體振動速度云圖如圖5所示。由圖5可知，工況B下裝藥量雖較小，但爆破引起的結構振動速度較大，爆心最大振動速度達8.426m/s，地表振動速度同樣達20cm/s。

圖5 工況B下結構整體振動速度云圖(單位：m·s-1)

計算得到工況B下既有隧道振動速度云圖如圖6所示。由圖6可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為5.381，11.680，1.798cm/s，可知爆破應力波對既有隧道y向振動的影響最大，x向次之，z向最小，即掏槽眼爆破時，既有隧道以水平橫向振動為主。計算得到工況B下既有隧道整體最大振動速度為12.74cm/s，大于限值要求(12cm/s)，需進行爆破方案優化。

圖6 工況B下既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

4 爆破方案優化

4.1 減小最大單段裝藥量

由GB 6722—2014《爆破安全規程》規定的爆破振動安全允許距離公式可知，可通過減小炸藥量(延時爆破為最大單段裝藥量)控制既有隧道振動速度。目前，普遍采用減小最大單段裝藥量、縮短循環進尺和設置合理的微差時間降低爆破振動對相鄰結構的影響。考慮本工程緊鄰既有隧道，縮短循環進尺影響工期和施工成本。因此，通過增加爆破段的方式減小最大單段裝藥量，在不影響工期的情況下，保證既有隧道安全。

1)底板眼優化

爆破預設計方案中，底板眼段共20個，最大單段裝藥量為36kg。將底板眼段分為2段爆破，使最大單段裝藥量變為18kg。底板眼優化后的既有隧道振動速度云圖如圖7所示。由圖7可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為1.715，0.841，0.094cm/s，較工況A大幅減小。

圖7 底板眼優化后既有隧道振動速度云圖(單位：mm·s-1)

2)掏槽眼優化

爆破預設計方案中，一級掏槽眼共6個，單段總裝藥量8.4kg。將一級掏槽眼減少為4個，并適當調整間距和角度，將二級掏槽眼增至10個，將一、二級掏槽眼均分為2個爆破段。掏槽眼優化后的既有隧道振動速度云圖如圖8所示。由圖8可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為2.633，2.361，1.185cm/s，可知x，y向振動速度較工況B大幅減小。

圖8 掏槽眼優化后既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

4.2 減振控制

爆破預設計方案中，采用毫秒導爆管雷管延期爆破，且不同類型炮眼先后順序不同。毫秒爆破在一定程度上降低了最大起爆藥量，將炸藥能量在時間上進行了分散，如果延期時間過長，雖可使降振效果得到改善，但巖石破碎效果差；如果延期時間過短，將無法控制炸藥能量的合理分布，導致振動較大，嚴重影響施工安全。因此，需控制合理的延期時間，以達到良好的爆破效果。

由于電子雷管可精確控制各炮眼起爆時間，進行隧道爆破施工時，采用以下方法進行減振控制：①利用相鄰應力波錯峰減振性質進行控制，理想情況下，認為相鄰炮眼產生的應力波主振相幅值和頻率相近，當相鄰炮眼延期時間Δt=T/2(T為波形主振相周期)時，可使應力波波峰與波谷相遇，降低爆破對被保護建筑的危害。由于不同類型炮眼爆破參數不同，因此需分別設置相應的延期時間，實現逐孔起爆，確保相鄰炮眼應力波單獨作用于開挖巖體。②設置相鄰炮眼延期時間Δt>T，即人為錯開相鄰應力波主振相。爆破應力波屬于非平穩信號，其瞬時頻率時刻發生變化，無法準確判斷應力波主振相周期。增加相鄰炮眼延期時間，可有效避免應力波發生主振相疊加，使爆破振動強度明顯降低。如果延期時間過長，各炮眼獨立起爆，失去微差爆破意義，巖石破碎效果較差。因此，實際施工過程中，需兼顧巖石破碎效果和減振控制效果。

1)Δt=T/2

設置延期時間Δt=T/2時，計算得到既有隧道振動速度云圖如圖9所示。由圖9可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為4.441 9，9.117 8，1.542 7cm/s，均較工況B小。

圖9 Δt=T/2時既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

2)Δt=T

設置延期時間Δt=T時，計算得到既有隧道振動速度云圖如圖10所示。由圖10可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為4.164 3，8.548 0，1.349 9cm/s，均較工況B小。

圖10 Δt=T時既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

5 結語

1)通過增加爆破段，并調整炮眼數量、間距、角度等，達到減小最大單段裝藥量的目的，進而大幅減小既有隧道振動速度。

2)如果通過分段優化處理后，仍存在安全風險，可采用毫秒導爆管雷管延期爆破，且需控制合理的延期時間，以達到良好的爆破效果。

3)可利用相鄰應力波錯峰減振性質及人為錯開相鄰應力波主振相的方式，進行減振控制。實際施工過程中，需兼顧巖石破碎效果和減振控制效果。