新建隧道爆破施工對既有隧道交叉段影響分析

王洪存 王曉衛 張揚波

[摘? 要]：正確認識鄰近隧道爆破施工下既有隧道交叉段襯砌結構的動力響應特性，對于保證隧道的安全穩定、指導工程安全高效進行有著重要的意義。文章以梧塢高鐵隧道與西甑山公路隧道交叉段為工程背景，通過建立近接隧道交叉段爆破振動三維數值模型，分析既有隧道振速、應力分布規律，確定近接隧道施工中應關注的重點部位及范圍。研究結果表明：既有隧道拱頂、拱肩爆破振動響應較為敏感，是施工中對其應重點關注，應加強監測，必要時采取相應措施，以保證既有隧道襯砌結構的安全穩定。

[關鍵詞]：上穿隧道; ANSYS/LS-DYNA; 爆破施工; 振動響應

U455.6A

隨著我國基礎設施的不斷發展，新建鐵路、公路等交通線路也在日益增多。在修建這些線路時，會不可避免的出現近接交叉隧道、平行小凈距隧道等情況，這些隧道由于間距較小而存在近接施工問題，尤其是新建隧道爆破施工下，若設計、施工不當會對既有隧道結構產生不利影響，進而影響其安全性、使用性[1-5]。

目前，國內外眾多學者對近接隧道爆破施工展開了一系列研究，并取得了相應成果。吳波等[6]結合現場監測和數值模擬，研究了新建隧道爆破荷載作用下既有隧道振動特性及應力分布特征。葉培旭等[7]以錢倉山隧道為依托，通過現場監測研究近接隧道爆破施工的振動影，得到了交叉距離、巖體完整性是影響既有隧道結構振速主要因素。彭道富等[8]根據現場實測資料，采用統計回歸的方法研究不同近接距離爆破對既有隧道振速的影響，得到了最大振動速度與近接爆破距離之間的內在規律。郭東明等[9]采用數值模擬和模型試驗的方法研究鄰近隧道爆破施工下既有隧道的動態破壞，得到了既有隧道的破壞形態、裂紋出現部位以及最小安全間距。賈磊等[10]通過建立近接隧道爆破施工三維數值模型，研究了不同開挖進尺、埋深、間距下既有隧道襯砌結構的振動響應規律。

本文以梧塢高鐵隧道與西甑山公路隧道交叉段為依托，采用LS-DYNA動力有限元程序建立上方新建高鐵隧道爆破施工下既有公路隧道數值模型，通過分析既有隧道振速、應力分布規律，確定近接隧道施工中應關注的重點部位及范圍，可為今后類似近接隧道工程施工提供一定指導與參考。

1 模型的建立

1.1 工程概況

義東高速（S45）東陽段西甑山隧道為6車道分離式特長隧道，設計行車速度100 km/h，行車道寬度3×3.75 m，單洞建筑界限總寬14.50 m，緊急停車帶建筑界限總寬17.50 m，隧道開挖斷面約為162 m2。

1.2 計算模型

根據地勘資料和相關設計資料，兩隧道交叉段為Ⅲ級圍巖，公路隧道兩線間距為12.8 m，公路隧道拱頂與高鐵隧道仰拱中心凈距為8 m。根據現場施工進度，交叉段公路隧道二次襯砌已施作完成，高鐵隧道先后上跨公路隧道右線、左線，采用三臺階法爆破開挖，整體模型及裝藥孔布置如圖1、圖2所示。模型頂部、隧道掌子面及已開挖隧道表面采用自由邊界，其余邊界均設置為無反射邊界，模型如圖2所示。

1.3 計算材料與參數

模型主要空氣、巖體、襯砌和炸藥等材料組成，其主要物理力學參數如表1所示。

2 數值計算結果分析

2.1 橫斷面振速響應規律分析

依據中心斷面各監測點的綜合振速時程曲線確定峰值振速。測點布置如圖3所示，振速分布如圖4所示。

由圖4可知，當新建隧道掌子面位于交叉段中心時，爆破振動對前方既有隧道（左線）的振動影響強結構處于安全狀態。于后方隧道（右線），左線襯砌振動響應強度約為右線相對稱位置處的2～6倍。右線隧道襯砌監測點振速均小于1.0 cm/s，左線隧道襯砌質點振速整體較大，振速最大值在左拱肩，為5.2 cm/s，且拱頂、拱肩爆破振動響應較為敏感，是施工中對其應重點關注，應加強監測，必要時采取相應措施，以保證既有隧道襯砌結構的安全穩定。

2.2 橫斷面襯砌應力響應分析

提取中心斷面各監測部位的應力時程曲線，對公路隧道左、右線襯砌在橫斷面上的應力響應特性進行分析，如圖5所示。《隧道工程施工要點集》中指出，新建隧道對既有隧道的影響以襯砌應力增加的容許值為判據，其中，拉應力容許值為1.0 MPa，壓應力容許值為5.0 MPa。

由圖5可知，公路隧道左、右線襯砌結構在爆破荷載作用下均產生一定的附加應力，第一、三主應力的大小及分布較一致。整體上，左線襯砌應力響應大于右線，主要是由于其處于應力波傳播的正方向上，強度較大的應力波傳播至左線時能量衰減較少所致。右線拉、壓應力增量最大值分別為0.044 MPa、0.043 MPa，均位于右拱腳處，最小值位于背爆側的拱腳、邊墻處，主應力最大值出現于襯砌右拱腳處由于半徑較小而存在應力集中現象，是工程中需要重點關注的部位。左線拉、壓應力增量最大值分別為0.157 MPa、0.188 MPa，均位于右拱肩處，最小值位于仰拱處。左右線襯砌附加應力最大值均遠小于應力容許值，結構處于安全狀態。

以上結果表明，爆破荷載作用下，既有隧道襯砌結構附加應力的大小及分布主要受爆心距、應力波反射、結構自身狀態等因素的控制。爆心距越大，附加應力越小。應力波的反射會削弱入射波的強度，附加應力會有一定降低。襯砌單元在應力波入射方向上有約束時產生的附加應力較無約束時大。

2.3 軸向振速響應規律分析

為了進一步分析襯砌結構受上方爆破荷載作用下沿既有隧道軸向的振速變化規律，提取既有隧道不同斷面處不同監測位置的綜合振速最大值，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：①左右線隧道各監測點質點振速沿軸向均呈現先增大后減小的趨勢，在交叉斷面出現最大振速值，且振速曲線基本關于中心斷面對稱，說明沿既有隧道軸向隨著距爆源距離的增大，結構受爆破振動影響不斷減小，反之距爆源越近，結構振動響應越強烈，質點振速值越大;②左右線隧道不同斷面監測點振速均表現為迎爆側大于背爆側，此現象主要是因為迎爆側爆心距較背爆側小，及左右線已開挖洞室的臨空面效應造成應力波無法沿最短路徑傳播而衰減作用較大造成的。

3 結論

本文以梧塢高鐵隧道近距離上跨雙線大斷面西甑山公路隧道為工程背景，采用ANSYS/LS-DYNA對新建隧道掌子面位置、既有隧道襯砌結構對爆破振動的影響進行系統分析，主要得到結論：

（1）既有隧道右線拉、壓應力增量最大值分別為0.044 MPa、0.043 MPa，左線拉、壓應力增量最大值分別為0.157 MPa、0.188 MPa，其最大值均遠小于應力容許值，結構處于安全狀態。

（2）爆破荷載作用下，既有隧道襯砌結構附加應力的大小及分布主要受爆心距、應力波反射、結構自身狀態等因素的控制。

（3）在距中心斷面前后各10 m區域內，隧道橫斷面不同位置的振速差異較大，振速大小主要由爆心距和監測點位置決定;10 m外區域不同位置質點振速逐漸趨于一致，振速大小主要由爆心距控制，結構位置的影響較弱。

參考文獻

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[2] 劉加堯.臨近既有線的新隧道開挖爆破減震技術[J].工程爆破，2000（2）：78-81+77.

[3] 劉加堯.臨近既有線的新隧道開挖爆破減震技術[J].工程爆破，2000（2）：78-81+77.

[4] 徐振洋，楊軍，陳占揚.臨近隧道爆破振動的能量分布特征研究[J].爆破器材，2013，42（3）：5-10.

[5] 曹明星，劉子陽，張東，等.立體交叉隧道爆破振動響應分析[J].工程爆破，2020，26（5）：93-99.

[6] 吳波，蘭揚斌，楊建新，等.新建隧道爆破對臨近隧道振動特性的影響研究[J].中國安全科學學報，2019，29（11）：89-95.

[7] 葉培旭，楊新安，凌保林，等.近距離交叉隧洞爆破對既有隧道的振動影響[J].巖土力學，2011，32（2）：537-541.

[8] 彭道富，李忠獻，楊年華.近距離爆破對既有隧道的振動影響[J].中國鐵道科學，2005（4）：73-76.

[9] 郭東明，劉康，張偉，等.不同間距鄰近爆破載荷下隧道破壞規律及動態響應研究[J].北京理工大學學報，2018，38（10）：1000-1005.

[10] 賈磊，解詠平，李慎奎.爆破振動對鄰近隧道襯砌安全的數值模擬分析[J].振動與沖擊，2015，34（11）：173-177+211.