特長隧道豎井交叉段爆破施工安全開挖進尺研究

張齊勇，陳 念

(1.酉陽縣交通局公路工程質量監督站，重慶 409800； 2.重慶市銅梁區交通運行監測和應急調度中心，重慶 402560)

1 概述

最近幾年，由于國家的經濟逐漸發展，修建的交通隧道越來越多，越來越長，向著“長、大、深”的趨勢發展。根據我國公路隧道的相關規定：全長3 000 m以上的隧道稱為特長隧道。截止到2021年，公路特長隧道數量增長至1 292座，公路特長隧道長度達到572.85萬m。在數值模擬應用上，畢繼紅、鐘建輝[1]通過有限元軟件ANSYS建立了不同等級的圍巖和不同爆源的隧道模型，分析了以不同開挖進尺進行爆破施工時，隧道襯砌的動力響應規律；趙東平、王明年[2]通過有限元軟件FLAC3D建立了交叉隧道間距不同的幾個模型，對交叉隧道的交界面的振速進行分析總結；在理論研究方面，易長平、盧文波、張建華[3]對波函數進行了研究分析，根據波函數的展開公式推導出隧道受爆破作用時，圍巖應力與位移的表達式，求解出不同等級圍巖和不同爆破應力波頻率時，圍巖應力與振速的分布規律。僅依靠理論研究，對爆破施工的研究存在很大的缺陷，本文主要應用數值模擬研究特長隧道豎井交叉段爆破施工安全開挖進尺。

2 爆破荷載輸入

對于有限元軟件加入爆破荷載，綜合國內外相關學者的研究，有兩種方法：其一是應用ANSYS中LS-DYNA模塊來模擬炸藥爆破過程，能很好的反映爆炸一定范圍內的動力響應；其二是通過理論方式和計算出來的爆破荷載峰值，然后在軟件里用面壓力的形式加入爆破荷載。在國內最常用的一種計算爆破荷載應力峰值的經驗公式為[4]：

其中，Pmax為爆破荷載應力峰值,kPa；Z為比例距離；R為炮眼至荷載作用面的距離，m；Q為最大單段裝藥量。

理論計算法[5]：

當炸藥采用耦合裝藥并且以柱狀的方式裝藥時，炸藥的爆炸是采用分階段的，炸藥爆炸后會產生一個爆破峰值作用在巖體上，計算公式如下：

其中，ρ,ρ0分別為炸藥和巖石對應的密度，kg/m3；V,cp分別為爆破產生的振速和應力波的波速，m/s；Pd,Pmax分別為爆腔壓力和孔壁上最開始的最大壓力，MPa。

之后對爆破荷載的波形形式進行選擇。目前，軟件模擬的波形有三種，分別是指數型波形、近似拋物線波形以及三角形波形。本文所采用的是三角形波形，它能反映出在較短時間內達到爆破荷載峰值然后再卸載的過程。

3 爆破方案及監測點選取

本文依托工程為山區某特長公路隧道，結合地理條件、圍巖特性、地質構造等原因，在豎井與聯絡通道附近處，豎井采用全斷面開挖方式，主隧道與聯絡通道采用臺階法爆破施工。

本文研究的對象是特長隧道聯絡通道與主隧道交叉段附近，對主隧道與聯絡通道交叉段采用上下臺階法爆破，為了減小圍巖的穩定性，控制交叉段圍巖的變形，采用的爆破方案為上下臺階爆破方案。炸藥選用的是2號巖石，上斷面開挖面積是44 m2，下斷面開挖的面積為56 m2。

在主隧道與聯絡通道交叉段開挖完成之后，對主隧道進行爆破施工，施工進尺選擇0.5 m，1 m，1.5 m，2 m進行爆破模擬，為了更好的研究主隧道與聯絡通道交叉段圍巖在爆破荷載作用下的振速和應力分布情況以及位移的變化，本文主要觀察主隧道與聯絡通道交叉段以及未開挖的主隧道段的斷面的拱腰、拱底、拱頂。方案設計如圖1所示。模型材料物理力學參數取值見表1，網格劃分如圖2所示。

表1 模型材料物理力學參數取值表

當主隧道進行爆破開挖掘進時，為了更好的對已經開挖的聯絡通道與主隧道交叉段的圍巖進行振動速度與應力分析，本文將離爆源最近的斷面設立為監測點a，聯絡通道和主隧道交界斷面設為監測點b，豎井與聯絡通道交界面設為監測點c，分別提取每個監測斷面拱頂、拱腰、邊墻部位的振速與最大拉應力。模型隧道的監測斷面布置見圖3。

4 數值模擬結果及分析

根據前文的數值模擬分析，在主隧道進行爆破時，主隧道與聯絡通道交叉段圍巖會受到應力波的影響，圍巖發生擾動，在不同爆破開挖進尺條件下，模擬監測斷面的拱底、拱腰、拱頂，所以本文數據為在主隧道與聯絡通道交叉點斷面進行爆破時的速度與最大應力。

提取主隧道與聯絡通道交叉段不同開挖進尺條件下每次爆破后，交叉斷面的邊墻、拱腰、拱頂最大振速，將數據列入表格中，同時使用表格中的具體數據繪制出交叉段斷面的最大振速隨著爆破進尺的改變的變化趨勢圖(見圖4)，研究主隧道與聯絡通道交叉段振速的分布規律(見圖5)。

從圖5可以得出：

1)特長隧道的最大振速出現在監測點a的拱腰處，在相同開挖進尺條件下，監測點a斷面的最大振速分布情況為：拱腰>拱頂>邊墻。所以在之后的施工中，需要控制主隧道與聯絡通道的交叉段振速，并且重點關注主隧道的拱腰處。

2)監測點b為主隧道與聯絡通道交界面，監測點b的最大振速分布規律為：拱腰>邊墻>拱頂，在進行下一次爆破前，需要重點支護主隧道與聯絡通道交叉段邊墻和拱腰部。

3)監測點c為聯絡通道與豎井交界面，監測點c的最大振速分布規律為：拱腰>拱頂>邊墻，在進行爆破施工時，要注意控制對豎井與聯絡通道交叉段的拱腰部位的振速。

4)隨著爆破次數的增加，爆源離交叉段斷面越來越遠，交叉段斷面各部位的振速越來越低，這也符合離爆心距越遠，振速越小的衰減規律。前期爆破時，交叉段斷面的最大振速超過了安全振速范圍，所以在前期進行爆破時，需要及時進行初期支護，減小圍巖受爆破的擾動。

5)爆破開挖進尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m時，第一次爆破的振速越來越大，最大振速增加了25%，106%，145%，可以看出當開挖進尺由1 m增加到1.5 m時，第一次爆破后，交叉段拱腰處的圍巖最大振速突增，結合實際施工，在進行爆破開挖時，應該縮短開挖進尺，圍巖振速才能盡快達到安全振速范圍[6]。

6)當開挖進尺為0.5 m時，在進行第三次爆破之后，振速小于安全振速5 cm/s[8]，之后的爆破，交叉段圍巖不會受到影響，此時的安全爆破距離是1.5 m，當開挖進尺為1 m時，安全爆破距離是3 m，當開挖進尺為1.5 m時，安全爆破距離為4.5 m，當開挖進尺為2 m時，安全爆破距離為6 m，所以，當開挖進尺增大的時候，安全爆破距離也在增加，交叉段受到擾動的時間越長。

5 結語

1)主隧道進行爆破開挖時，隨著爆破次數的增加，爆源離主隧道與聯絡通道交叉段圍巖和聯絡通道與豎井交叉段圍巖越來越遠，主隧道與豎井交叉段圍巖以及聯絡通道與豎井交叉段圍巖的拱頂、拱腰、邊墻部位的振速峰值與拉應力峰值逐漸衰減，這也符合離爆心距越遠，振速越小的衰減規律。

2)在主隧道進行爆破開挖時，主隧道離爆源最近的斷面的拱腰受到的爆破振動最大，主隧道與聯絡通道交界面最大振速與拉應力分布規律為：拱腰>邊墻>拱頂，聯絡通道與豎井交界面的最大振速與最大拉應力分布情況為：拱腰>拱頂>邊墻，所以在進行主隧道爆破施工前，需要對已經開挖的聯絡通道和豎井進行初期支護，重點支護聯絡通道與主隧道交叉段的拱腰和邊墻部位，以及豎井與聯絡通道交叉段的拱頂和拱腰部位。

3)開挖進尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m時，第一次爆破時的最大振速和最大拉應力逐漸增加，最大振速增加了25%，106%，145%，最大拉應力增加了56%，174%，186%，開挖進尺由1 m到1.5 m時，增加的速度最快，允許振速的安全范圍也從1.5 m增加至3 m，4.5 m，9 m,最不利的安全系數隨著開挖進尺的增加逐漸減小，分別減小14%，22%，26%，為了保證施工安全，在進行爆破施工時，應當控制和縮短開挖進尺。