新建隧道爆破施工對(duì)既有輸水隧道的影響

摘要：以某隧道為研究背景，以隧道拱頂位移以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為角度，通過(guò)數(shù)值模擬的方式分析隧道爆破開挖過(guò)程對(duì)輸水隧道所產(chǎn)生的影響。結(jié)果顯示：雙洞同時(shí)爆破對(duì)隧道拱頂位移有較大影響，隧道位移及振動(dòng)速度與爆破荷載最大值有著一定關(guān)系。在輸水隧道正上方進(jìn)行爆破會(huì)產(chǎn)生更大的拱頂襯砌位移，爆破導(dǎo)洞位置的選擇與隧道位移和振動(dòng)速度存在較大關(guān)系。

關(guān)鍵詞：隧道;有限元分析;隧道位移;爆破施工

0" "引言

交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展也帶動(dòng)了地下空間的開發(fā)，但同時(shí)也導(dǎo)致新建隧道周圍多存在較多結(jié)構(gòu)物[1]。因地質(zhì)條件的影響，新建隧道往往會(huì)較為靠近既有隧道，而新建隧道在爆破開挖的過(guò)程中所出現(xiàn)的地震波，容易對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)造成一定的影響，不利于其結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定[2]。

地下工程在施工時(shí)存在較多的不確定性以及復(fù)雜性，當(dāng)前在對(duì)爆破施工與既有隧道變形關(guān)系的研究多采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法。謝曉峰[3]等人以數(shù)值模擬的方式對(duì)新建下穿隧道，在與既有隧道保持不同近距下施工時(shí)對(duì)既有隧道所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，得出既有隧道在近距不同時(shí)與鉆爆開挖間的聯(lián)系。劉敦文[4]等人采用數(shù)值模擬的方式，探討了隧道襯砌變形與不同間距鉆爆開挖的影響。于天生[5-6]等人通過(guò)有限元分析軟件模擬了隧道爆破開挖的全過(guò)程。梁志輝等人通過(guò)數(shù)值模擬的方式，分析了開挖方案不同時(shí)隧道圍巖的變形規(guī)律[7-8]。為進(jìn)一步完善前人的研究，本文通過(guò)有限元模擬的方式，分析既有隧道受新建隧道爆破時(shí)的影響。

1" "工程概況

某雙洞單向雙車道隧道左右洞距離為18m，左右線凈距為13.4m。該隧道與輸水隧道有74°夾角。該隧道設(shè)計(jì)高程距離輸水隧道拱頂11.028m，與輸水隧道仰拱底的距離約為8.22m。為使輸水隧道的安全性得到有效保障，決定現(xiàn)場(chǎng)以機(jī)械加鉆爆開展施工。為便于后續(xù)施工，決定先開鑿臨空面，即通過(guò)爆破的方式開鑿起拱線上方導(dǎo)洞。在導(dǎo)硐完工后通過(guò)機(jī)械開挖的方法再進(jìn)行圍巖的施工。隧道橫斷面如圖1所示。

2" "爆破荷載

2.1" "計(jì)算模型

計(jì)算模型中，以既有隧道縱向?yàn)闄M軸，以隧道鉛垂向作為縱軸。新舊隧道空間位置呈現(xiàn)垂直。從設(shè)計(jì)資料可以知道，新建隧道斷面跨度約為15.55m， 高度為11.61m。多數(shù)情況下，施工對(duì)隧道圍巖位移所產(chǎn)生的影響約為3～5倍的開挖寬度，故所建立模型長(zhǎng)度為100m、高度為 90m。輸水隧道的埋置深度約為32m，運(yùn)營(yíng)期間水壓約為0.4MPa，內(nèi)徑為4m。

為使計(jì)算結(jié)構(gòu)足夠科學(xué)，對(duì)所建模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)致的劃分，單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為0.5m。以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的巖體參數(shù)進(jìn)行建模，為更貼合實(shí)際，以3倍的圍巖巖體動(dòng)彈模型建立模型，以1.25倍的動(dòng)彈模量建立襯砌模型，具體可參見表1。

2.2" "爆破沖擊荷載

為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須確保爆破荷載參數(shù)合理可靠。一般情況下，可采用三角形波的方式進(jìn)行爆破荷載的計(jì)算[9]。經(jīng)計(jì)算可得，峰值荷載為16.54MPa。

3" "穩(wěn)定性分析

基于新建隧道與輸水隧道間8.228m的最近距離考慮，設(shè)置如表2所示的4種工況，以數(shù)值模擬的方式對(duì)輸水隧道受爆破施工所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

3.1" "位移特征

4種工況下輸水隧道拱頂襯砌位移如圖2所示。從圖2可知，相比于工況二，工況一在左右導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行爆破的情況下有33.07MPa的爆破荷載，工況二在單洞爆破的情況下只有16.54MPa的爆破荷載。工況一和工況二條件下的位移峰值分別為4.18mm和3.19mm。相比于單洞爆破，對(duì)輸水隧道的拱頂襯砌位移而言，同時(shí)進(jìn)行雙洞爆破對(duì)其有更大的影響，且輸水隧道拱頂襯砌位移與爆破荷載的數(shù)值存在較大聯(lián)系。

對(duì)比工況一和工況三可知，工況一和工況三的位移最大值分別為4.18mm和5.03mm，表明以輸水隧道正上方作為爆破點(diǎn)時(shí)會(huì)引發(fā)更大的拱頂襯砌位移，輸水隧道的位移與導(dǎo)洞設(shè)置位置有較大聯(lián)系。

4種工況有著基本一致的位移變化。工況三中有5.07mm的位移值，為最不利工況，工況一引起的最大位移值為4.18mm，工況二引起的最大位移為3.17mm，工況四則為3.46mm。

3.2" "質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

拱頂沉降以及邊墻水平變形是圍巖變形的主要參數(shù)[10]。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，得到4種工況下輸水隧道邊墻質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖3所示。其中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度以橫軸和縱軸表示，單位為cm/s。

由圖3可知，工況三拱頂最大位移質(zhì)點(diǎn)約有12.60cm/s的振動(dòng)速度，為最不利工況。工況一和工況二的最大振動(dòng)速度分別為6.93cm/s和3.90cm/s，雙洞同時(shí)爆破比單洞爆破有著更快的振動(dòng)速度，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度受爆破荷載的影響較大。工況一和工況三分別有6.94cm/s和12.63cm/s的最大振動(dòng)速度，說(shuō)明在輸水隧道上方進(jìn)行爆破施工，會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)速度，輸水隧道的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與爆破位置存在較大聯(lián)系。

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨時(shí)間變化如圖4所示。由圖4可知，工況三下有12.62cm/s的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，工況一下的最大振動(dòng)速度為6.93cm/s，工況二有3.89cm/s的最大速度，工況四有4.50cm/s的最大速度。除了工況三外，其余三種工況的振動(dòng)速度均在規(guī)程所要求的10cm/s內(nèi)，但出于對(duì)水壓存在會(huì)對(duì)振動(dòng)速度造成影響的考慮，可針對(duì)具體施工工序進(jìn)行考慮之后再開展施工，4種爆破工況所產(chǎn)生的影響均處于安全范圍內(nèi)。

4" "隧道爆破振動(dòng)控制措施

4.1" "爆破降振措施

隧道在爆破時(shí)會(huì)導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)，既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況與爆破的方式和規(guī)模等均有聯(lián)系，基于爆破振動(dòng)相關(guān)研究以及自身經(jīng)驗(yàn)，從本項(xiàng)目出發(fā)提出如下措施進(jìn)行降振：

4.1.1" "合理選擇爆破方式

當(dāng)前能夠有效減振并發(fā)揮阻隔作用的是預(yù)裂爆破。相比于光面爆破，預(yù)裂爆破在正式爆破掌子面前，需要提前爆破設(shè)計(jì)輪廓線，在輪廓線上形成貫穿巖體的裂縫，之后再進(jìn)行主體的爆破。預(yù)裂爆破能夠使部分巖體獨(dú)立，并能夠在一定程度上，利用預(yù)先爆破的裂縫降低振動(dòng)波的能量，以此發(fā)揮減振效果，并保護(hù)周邊巖體。故在本項(xiàng)目中，能夠通過(guò)預(yù)裂爆破的方式開展爆破施工，以控制爆破的影響程度。

4.1.2" "合理選擇爆破順序和參數(shù)

通過(guò)微差爆破的方式能夠減小爆破施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。在微差爆破施工時(shí)，微差間隔時(shí)間是其核心所在，在較大程度上影響著爆破效率。起爆順序是否合理決定了爆炸振動(dòng)波是否會(huì)出現(xiàn)疊加危害，并且能夠提供給后續(xù)爆破施工更多的自由面，以此使爆破振動(dòng)效果有所減弱。

爆破施工中，爆破裝藥量是否得當(dāng)有著重要影響。首先是炸藥種類，炸藥不同爆破速度和能量也有所不同，以此在巖體上產(chǎn)生的作用也有所不同。因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取炸藥種類。從理論上可知，炸藥量與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度成正比例關(guān)系，因此應(yīng)在確保爆破效果情況下，對(duì)單段炸藥的裝藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.1.3" "合理選擇裝藥方式

對(duì)于爆破振動(dòng)效應(yīng)而言，爆破自由面對(duì)其有著較好的夾制作用，能夠使爆破作用充分發(fā)揮，即炸藥用量減小時(shí)能夠使爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響隨之減小。在掏槽孔中，掌子面是其唯一的自由面，有著較大的爆破夾制效果。為使爆破夾制作用有所減小，可充分利用分段裝藥等方式使自由面數(shù)量有所增加，以使爆破振動(dòng)所產(chǎn)生的影響有所減小。

4.2" "爆破安全保證措施

4.2.1" "爆破器材管理

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》對(duì)爆破器材進(jìn)行嚴(yán)格的管理。遵照相關(guān)程序進(jìn)行采購(gòu)，并通弄過(guò)合理合規(guī)程序進(jìn)行購(gòu)買。在使用前應(yīng)遵守相關(guān)規(guī)定測(cè)試爆破物品質(zhì)量，并進(jìn)行檢查。

4.2.2" "施工質(zhì)量管理

在爆破前應(yīng)詳細(xì)勘察爆破點(diǎn)條件以及周邊構(gòu)造物情況，并做出相應(yīng)的評(píng)估，以提供給爆破參數(shù)一定的參考。具體施工時(shí)，應(yīng)對(duì)爆破規(guī)模及裝藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制。應(yīng)根據(jù)有關(guān)技術(shù)要求開展施工，以確保施工質(zhì)量。正式施工前應(yīng)該先開展試爆施工，在充分確定爆破參數(shù)之后再開展施工。

4.2.3" "防護(hù)工作

爆破施工時(shí)產(chǎn)生的能量會(huì)在瞬間出現(xiàn)飛石等，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)需覆蓋上安全網(wǎng)等，并嚴(yán)格落實(shí)施工人員佩戴安全帽等措施。正確設(shè)置警戒線等，確保安全警戒工作落實(shí)到位，嚴(yán)格控制警戒半徑在300m以上。

4.2.4" "人員管理

作為有著極強(qiáng)專業(yè)性的工作，爆破施工需由具備專業(yè)認(rèn)證的人員負(fù)責(zé)，并需要強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的培訓(xùn)學(xué)習(xí)工作，確保安全培訓(xùn)到位，作業(yè)人員均能進(jìn)行規(guī)范性操作，保障所有施工現(xiàn)場(chǎng)人員的安全。

5" "結(jié)語(yǔ)

本文以某隧道為研究背景，以隧道拱頂位移以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為角度，通過(guò)數(shù)值模擬的方式分析隧道爆破開挖過(guò)程對(duì)輸水隧道所產(chǎn)生的影響。通過(guò)分析，得出以下結(jié)論：

雙洞同時(shí)進(jìn)行爆破施工對(duì)輸水隧道拱頂位移有更大的影響，輸水隧道位移及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與爆破荷載的最大值的聯(lián)系較大。通過(guò)爆破輸水隧道的正上方開展施工時(shí)，會(huì)導(dǎo)致拱頂襯砌出現(xiàn)過(guò)大的位移，且導(dǎo)洞的爆破位置也會(huì)影響到輸水隧道的位移和振動(dòng)速度。

輸水隧道在工況三下存在最大的拱頂位移和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，為最不利工況，因此建議不要以同時(shí)爆破雙導(dǎo)洞的方式進(jìn)行施工，可采用工況四作為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的控制值。

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