特大水工隧洞下穿交通隧洞質(zhì)點(diǎn)振速控制研究

高巖堂，李有才，李少輝，李通拉嘎

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122）

0 引言

二十世紀(jì)九十年代以來,隨著國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,交通與其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到蓬勃發(fā)展,平行、交叉隧道工程增多。當(dāng)兩條隧道距離比較小時(shí),開挖爆破產(chǎn)生振動(dòng)的影響和新奧法支護(hù)必然引起圍巖應(yīng)力重分布,新建交通隧道在施工時(shí)有可能導(dǎo)致既有隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至損壞[1-3]。可見,控制隧道爆破引起的振動(dòng)對(duì)保證順利施工和既有隧道的安全而言十分必要。

隨著社會(huì)及城市的發(fā)展,尤其在東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),為了滿足生產(chǎn)生活需要,水利工程逐漸增多。在平面和立體布置上,新建水工隧洞與已有的軌道交通、公路、鐵路、礦山等隧洞近距離并行或立體上交叉等問題不可避免,兩者之間的矛盾也日益凸顯[4]。

華東院承建的阮家洋溪分洪隧洞（下穿應(yīng)急段）穿越三條交通隧洞,本文對(duì)施工過程中如何有效控制質(zhì)點(diǎn)振速開展研究。

1 工程背景

1.1 工程概述

臨海市阮家洋溪分洪工程（下穿段）項(xiàng)目,主要包括下穿應(yīng)急段分洪隧洞和其施工支洞,見圖1。下穿段分洪隧洞過流斷面為城門洞型,開挖最大斷面尺寸為16.4 m×16.4 m（寬×高）,長500 m,為浙江省在建開挖斷面最大的水工隧洞；為了施工應(yīng)急段而設(shè)的施工支洞,斷面為城門洞型,斷面尺寸為6 m×5 m（寬×高）,長度為424 m。

圖1 阮家洋溪分洪工程下穿段平面布置圖

分洪隧洞段主要為流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r,青灰色夾肉紅色,巖質(zhì)堅(jiān)硬致密,抗風(fēng)化能力強(qiáng),洞室圍巖多為微新巖體,巖體較完整,呈次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主,局部鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu),圍巖以Ⅱ~Ⅲ為主,斷層破碎帶圍巖為Ⅳ類。

本隧洞從已運(yùn)行的臺(tái)金高速長石隧道和正在建設(shè)的金臺(tái)鐵路官園隧道下穿布置,隧洞和長石隧道、官園隧道之間巖體凈距分別為24.6 m、30 m,見圖2。特大斷面下穿隧洞開挖爆破對(duì)上述隧道的影響是臺(tái)金高速管理處、金臺(tái)鐵路公司、水利部門、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工等各方關(guān)注重點(diǎn)。

分洪隧洞施工期的開挖爆破控制在要求標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi),不能影響長石隧道和官園隧道的長期運(yùn)行。

1.2 質(zhì)點(diǎn)振速控制難題

施工期對(duì)既有隧道位移、爆破振動(dòng)振速、襯砌開裂等監(jiān)控指標(biāo)要求高,需兼顧洞室開挖對(duì)已建鐵路、公路隧道的影響,尤其是對(duì)于爆破振動(dòng)的監(jiān)測,要按照要求提前布好監(jiān)測點(diǎn),及時(shí)整理分析監(jiān)測數(shù)據(jù),為爆破參數(shù)的適時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）[5]及《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5135-2013）[6]對(duì)于水工隧洞開挖爆破質(zhì)點(diǎn)振速的允許值是10 cm/s~15 cm/s,但是臺(tái)金高速管理處要求長石隧道的最大質(zhì)點(diǎn)振速不超過6 cm/s、金臺(tái)鐵路公司要求官園隧洞的最大質(zhì)點(diǎn)振速不超過4 cm/s。

2 質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)值模擬

2.1 質(zhì)點(diǎn)振速計(jì)算公式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）第13.2.4條款[5],爆破振動(dòng)安全距離如下式：

反推安全距離內(nèi)爆破質(zhì)點(diǎn)振度如下式：

式中：R為爆破振動(dòng)安全距離,m；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速,cm/s；Q為炸藥量,齊發(fā)爆破時(shí)取總裝藥量,分段起爆時(shí)取最大段裝藥量,kg；K、a為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的地質(zhì)系數(shù)和地震波衰減指數(shù)。

長石隧道與分洪隧洞最小垂直距離24.6 m,官園隧洞與分洪隧洞最小垂直距離30 m,R分別取值24.6 m、30 m；根據(jù)分洪隧洞爆破采用分段起爆,單響最大藥量為20.8 kg,Q取值20.8 kg；對(duì)分洪隧洞地形、地質(zhì)等條件分析,根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）,K 取值200、a取值1.7。

2.2 質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)值模擬計(jì)算

分洪隧洞與長石隧道,采用MIDAS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模,網(wǎng)格劃分采用四面體單元進(jìn)行自動(dòng)劃分,共有200057個(gè)單元,43082 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),計(jì)算模型見圖3。根據(jù)設(shè)計(jì)最大單響藥量進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振度計(jì)算,長石隧道內(nèi)最大質(zhì)點(diǎn)振速發(fā)生在底板部位,最大值為5.93 cm/s。

圖3 分洪隧洞和長石隧洞整體計(jì)算模型示意圖

分洪隧洞與官園隧道,采用MIDAS-GTS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模,網(wǎng)格劃分采用四面體單元進(jìn)行自動(dòng)劃分,共有150308 個(gè)單元,40797 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),計(jì)算模型見圖4。根據(jù)設(shè)計(jì)最大單響藥量進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振度計(jì)算,官園隧道內(nèi)最大質(zhì)點(diǎn)振速發(fā)生在底板部位,最大值為3.31 cm/s。

圖4 分洪隧洞和官園隧洞整體計(jì)算模型示意圖

3 爆破設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 爆破設(shè)計(jì)

分洪隧洞與長石隧道及金臺(tái)鐵路官園隧道段開挖尺寸為16.4 m×16.4 m,分上、中、下三層鉆爆法施工。上層采用中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)擴(kuò)挖跟進(jìn)的光面爆破施工順序,采用YT-28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔；中、下層開挖采用各分左右半幅落底的施工順序開挖,見圖5。

圖5 分洪隧洞應(yīng)急段開挖步驟圖

對(duì)長石隧道和官園隧洞振動(dòng)影響,主要是在上層中導(dǎo)洞的開挖過程中,故分洪隧洞開挖的重難點(diǎn)在上層中導(dǎo)洞的爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù),上層中導(dǎo)洞爆破設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 上層中導(dǎo)洞爆破設(shè)計(jì)圖

爆破設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下：總孔數(shù)154 個(gè)、最大單響藥量24.0 kg（Ms7 段位主爆孔）、總裝藥量125.7 kg、爆破設(shè)計(jì)方量129.4 m3、炸藥單耗量0.971 kg/m3。

3.2 爆破試驗(yàn)

2019 年1 月20 日,阮家洋溪分洪隧道下游段根據(jù)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。爆破施工掌子面里程為K1+684.359,與長石隧道最近水平距離為32 m。本階段爆破振速監(jiān)測最大點(diǎn)為臺(tái)向BC3,最大振速值為3.150 cm/s,實(shí)測最大振速在安評(píng)報(bào)告（＜6.0 cm/s）的控制范圍之內(nèi)。

臺(tái)向BC3 點(diǎn)的最大振速發(fā)生在Ms7 段位的炸藥爆破時(shí),振動(dòng)波形圖見圖7。

圖7 臺(tái)向BC3點(diǎn)的最大振速波形圖

3.3 爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

鑒于生產(chǎn)性試驗(yàn)的質(zhì)點(diǎn)振速小于允許質(zhì)點(diǎn)振速（6 cm/s）,于是對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,減少鉆孔數(shù)量、適量提高單響藥量,長石隧道影響段的爆破優(yōu)化見圖8。

圖8 上層中導(dǎo)洞爆破優(yōu)化圖

爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后的主要參數(shù)如下：總孔數(shù)140個(gè)、最大單響藥量22.4 kg（Ms3 段位掏槽孔）、總裝藥量129.0 kg、爆破設(shè)計(jì)方量129.4 m3、炸藥單耗量0.997 kg/m3。

與長石隧道最近水平距離為20 m時(shí),按照優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行爆破開挖,爆破振速監(jiān)測最大點(diǎn)仍為臺(tái)向BC3,最大振速值為4.892 cm/s（發(fā)生在Ms3段位掏槽孔的炸藥爆破）,振動(dòng)波形圖見圖9。

圖9 優(yōu)化后臺(tái)向BC3點(diǎn)的最大振速波形圖

3.4 官園隧道下穿爆破

由于官園隧道最大質(zhì)點(diǎn)振速允許值為4 cm/s,下穿官園隧道正下方時(shí)仍采用原爆破設(shè)計(jì),進(jìn)尺控制在2 m左右。

4 結(jié)語

在中導(dǎo)洞開挖過程中,最大質(zhì)點(diǎn)振速發(fā)生在第二序位掏槽孔的爆破過程時(shí),這與已有研究相一致。為了提高爆破效果,可以適當(dāng)提升中間段位主爆孔的單響藥量。

通過對(duì)東南沿海地區(qū)凝灰?guī)r地質(zhì)特大斷面隧洞鉆爆法施工對(duì)垂直交叉公路、鐵路隧道結(jié)構(gòu)影響研究分析,為東南沿海地區(qū)隧洞工程的承接做好相應(yīng)技術(shù)儲(chǔ)備,為今后下穿隧洞和隧道工程項(xiàng)目的承接打下基礎(chǔ),進(jìn)而擴(kuò)大到全國、走出國門,對(duì)華東院的轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義。