新建隧道近接既有隧道爆破施工減振措施研究

張志威，梅 頂，吳建鵬

(浙江交工金筑交通建設有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

臨金高速公路臨安至建德段是浙皖兩省溝通聯系的重要通道，對貫徹落實長三角一體化國家戰略、帶動周邊經濟發展具有重大意義。畢浦隧道是分水連接線工程的唯一隧道，為一座分離式隧道，建成后將與S208省道既有畢浦隧道一起構成雙線交通形態。眾多專家學者對小凈距隧道展開研究并取得一定成果[1-3]。為了有效地控制目標建筑物或保護對象的質點振動速度，不同學者提出了應用于各類工程實際的爆破減振措施[4-6]，采用合理有效的減振措施，是達到順利施工的關鍵。本文以畢浦隧道為工程背景，采用Midas-GTS軟件進行數值模擬，研究了在施工過程中使用的減振措施減振規律。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建畢浦隧道位于畢浦隧道進口位于瑤琳鎮永安村油車邊，油嶺線起點附近，處于省道S208上下行路線之間，洞口北側為省道S208西行方向畢浦隧道，線間距為17 m～26 m，洞口南側距離108 m為省道S208東行方向，省道S208上下行均為兩車道。畢浦隧道是分水連接工程的唯一隧道，建成后將與S208省道一起構成雙線交通形態，如圖1所示。

畢浦隧道Ⅴ級圍巖占比22%，Ⅳ級圍巖占比為78%，地層以中風化砂巖為主，不同圍巖分布段落情況如表1所示。

表1 新建畢浦隧道圍巖統計表

由于實際施工方案Ⅳ級圍巖炸藥量遠大于Ⅴ級圍巖，故取Ⅳ級圍巖進行研究。

1.2 爆破設計

隧道開挖爆破采用孔內毫秒導爆管雷管延期，孔外用同段別導爆管雷管簇連采用，俗稱“大把抓”法，用導爆管雷管一次擊發起爆。起爆方式由掏槽孔最先起爆，輔助孔次之，周邊孔應同時起爆，底孔最后起爆。

采用中空直眼螺旋掏槽和復式楔形掏槽，按設計開挖輪廓線布置周邊炮眼，間距為40 cm～60 cm，輔助眼間距為50 cm～80 cm。8臺～10臺YT-28型氣腿式鑿巖機鉆眼平行作業。Ⅳ級圍巖采用上下臺階法，循環進尺上臺階控制在2 m，下臺階控制在2.5 m。炮孔布置和引爆網絡如圖2所示。

2 爆破監測

為保證既有隧道安全，需要對爆破造成的鄰近隧道振動情況進行監測。由于現場條件所限，儀器放置隧道拱腳位置進行監測。監測點布置見圖3，相鄰監測點的距離P=5 m，當條側線放置5臺儀器。

根據不同爆破位置，現場共進行3次爆破振速監測，按照監測方案并結合現場情況以及理論分析，監測數據見表2。由于振速已接近規范要求，為保證爆破施工安全，需設計減隔振措施，保證施工的合理化和安全性。

表2 爆破振動實測振速峰值表

3 數值模擬計算

3.1 模型的建立

通過Midas-GTS建立有限元模型，考慮邊緣至少為4倍洞徑，模型總寬為134 m，縱向長度取100 m，高度結合實際地形變化取70 m，從洞口向洞內埋深逐步增大。其中圍巖采用摩爾庫侖本構，隧道襯砌結構以及錨桿采用彈性本構模擬。數值模型如圖4所示。

3.2 減振措施和布置方法

3.2.1 控制爆破原理

控制爆破主要選擇兩種方法：第一種是使用微差爆破的方法進行，采用電子雷管，按照延時的順序設置孔內電子雷管延期時間，與導爆管雷管起爆順序相同，用母線對斷面雷管進行連接，考慮到電子雷管內部芯片抗物理擠壓能力較差，應適當減少段別延秒時間差，采用電子雷管專用起爆器進行引爆。第二種是采用布置減震孔對爆破形成的振動進行減震處理，通過在拱部周邊布設減震孔形成減震隔離帶和小導坑超前開挖所創造爆破凌空面達到減震之目的，其原理就是利用爆破凌空面和減震隔離帶在爆破時對爆破震動能量的大量吸收及消耗，使隔離帶后面的區域受到的震動大大減小，從而確保了爆破安全。

3.2.2 施工方法

布眼見圖5。在拱部周邊共布設三環，孔間距為300 mm×300 mm，梅花形布設，第一環沿開挖輪廓線外側300 mm布設，第二環沿開挖輪廓線布置，減震孔間隔布設一排φ40 mm周邊眼，在開挖輪廓線內側300 mm布置第三環減震孔，減震孔間布設二圈眼，所有減震孔均不裝藥。

3.3 圍巖及結構物理力學參數選取

根據畢浦隧道工程概況，對材料參數保守取值：圍巖的動彈性模量取值為靜彈性模量的5倍，襯砌結構動彈性模量較靜彈性模量提高25%，動泊松比較靜泊松比降低20%，圍巖數據選取表如表3所示；混凝土動彈性模量取值為靜彈性模量的1.25倍，數據選取表如表4所示。

表3 有限元建模圍巖參數選取

表4 有限元支護結構參數選取

3.4 邊界條件的選取與計算

時程分析應采用黏性邊界模型生成后，Midas-GTS軟件系統根據模型尺寸以及物理力學性質自動計算，從而建立邊界條件約束，其中X，Y，Z方向的阻尼常數分別為：411.24 kN·s/m，799.32 kN·s/m，411.24 kN·s/m，此外X，Y方向彈簧剛度為0，Z方向的彈簧剛度為2 050 689.42 kN/m。

3.5 爆破沖擊荷載的確定

一般耦合裝藥爆破壓力都加載在孔壁的垂直方向上，荷載公式見式(1)，式(2)，1 kg藥量爆破荷載時程曲線見圖6。

(1)

(2)

其中，Pdet為孔內壓力,kbar；PB為孔壁的壓力,kbar；Sge為火藥的比重；dc為炸藥直徑,mm；dh為炮眼直徑,mm；ve為爆破速度,ft/s。

因作用在孔壁上的動壓力隨時間而變化，需采用爆破時程壓力的計算公式計算(見式(3))。

(3)

其中，B為荷載常量；PD為每1 kg裝藥量的動壓力。

本隧道模擬中火藥的比重Sge取值0.8 g/m3；炸藥直徑dc取值32 mm；炮眼直徑dh取值42 mm；ve為爆破速度3 050 m/s，換算成英式單位為10 006.56 ft/s。同時，1 kbar=105kPa。由公式計算可知：此次爆破模擬孔內壓力Pdet為20.42 kbar，即2.042×106kPa，孔壁壓力PB為9.03 kbar，即9.03×105kPa。本次有限元模擬，選取爆破荷載上升時間12 ms，總時間120 ms。通過對荷載系數B的調整控制爆破荷載上升時間為12 ms，其中1 kg藥量爆破荷載時程曲線圖見圖6，峰值時刻出現在0.012 s，爆破動力荷載最大值為8.23×105kPa。

3.6 計算結果分析

3.6.1 數值模型驗證

計算結果見表5。對比現場檢測和數值模擬數據，平均誤差10%左右，證明此數值模型可以較好地模擬隧道爆炸施工情況。

表5 爆破振動實測與數值模擬振速峰值對比表 cm/s

3.6.2 參數分析

1)微差爆破。

由于現場環境十分復雜，各炮孔之間距監測點的位置存在差異，同時應力波的傳播還受到場地環境、爆心距、隧道埋深等多種因素影響，采用全周期Δt=T的微差爆破，數值模擬結果見表6。由微差爆破數值模擬結果可知，平均減振率為22.55%，效果明顯，且微差爆破之后的最大峰值滿足爆破安全規程要求。

表6 微差爆破數值模擬振速峰值表 cm/s

2)減振孔。

通過數值模擬計算，計算結果見表7。

表7 設置減振孔爆破振動實測振速峰值表 cm/s

由表7可知，當設置單排減振孔時，減振率在20.266%～21.327%，其平均值為20.955%；雙排減振孔的減振率為37.616%～44.615%，平均減振率為41.212%; 三排減振孔的減振效果最好，減振率可以達到58.124%～63.898%，平均降振率為61.157%，即三條隔振溝可以降振一半還多。

4 結論

通過對畢浦隧道爆破施工下采集的數據以及數值模擬結果的處理和分析，并結合當地區域地質構造情況，綜合整理得到以下結論：1)根據新建畢浦隧道和既有隧道的空間位置關系，基于Midas-GTS軟件建立了基于等效荷載理論的三維數值模擬方法，通過計算，發現兩者誤差較小，說明用Midas-GTS數值模擬軟件分析隧道爆破對臨近建筑物的影響是可行的。2)由微差爆破數值模擬結果可知，平均減振率為22.55%，效果明顯，且微差爆破之后的最大峰值滿足《爆破安全規程》要求。3)對爆破振動速度進行分析，設置單排、雙排和三排減振孔平均減振率分別為20.955%，41.212%和61.157%。可以看出減振效果與減振孔排數相關性很大，而且距離減振孔更近的測點效果更明顯。