新建分洪隧洞下穿既有公路隧道控制爆破范圍研究

以某新建分洪隧洞為例考慮非控制爆破參數對既有隧道的影響，通過經驗公式法及數值模擬對控制爆破范圍進行探討。結果表明：非控制爆破參數對控制爆破范圍的確定影響明顯，范圍的選擇可綜合經驗公式法及數值模擬結果確定。

交叉下穿； 爆破施工； 控制爆破范圍

U455.6 A

［定稿日期］2022-02-18

［作者簡介］黃柯（1992—），男，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程方面設計及研究工作。

隨著隧道工程日益增多，隧道間交叉下穿的情況也在增加，與既有隧道相近的新建隧道爆破施工必然會對其產生影響。眾多學者已對此類影響進行研究。隗建波等［1］根據某新建隧道上跨既有隧道工程，通過數值分析研究了隧道二次襯砌的振動特征，評估了既有隧道的安全性同時提出了結構處理及安全防護措施建議。賈磊等［2］建立了爆破施工對既有襯砌振動影響的數值模型，研究了不同條件下爆破對既有隧道的影響，得出既有隧道迎爆側拱腳、墻腰部位受影響最大等結論。仇文革等［3］結合引水隧洞下穿鐵路隧道爆破施工工程，采用數值模擬及現場爆破振動監測，研究鉆爆法施工產生的振動對既有鐵路隧道的影響，得到爆炸振動隨炸藥藥量減小、觀察距離增大而減小，掌子面接近既有隧道時產生的豎向振速大于遠離時振速等結論。

為確保既有隧道安全，施工中常采用控制爆破，但控制爆破范圍研究相對較少。閆鴻浩等［4］根據理論計算及現場實踐，采用先行預裂帶和增設掏槽隔振空眼等手段，測試發現其可有效降低爆破振速，另結合實測數據反推經驗公式所需參數得出該工況下的振動影響距離為38 m。趙豐等［5］基于新建鐵路隧道上跨既有公路隧道工程，結合理論公式及數值模擬方法得出爆破距離與既有隧道襯砌拱頂振速的關系，據此可根據控制振速確定爆破施工安全距離。有關控制爆破范圍的研究基本以控制爆破參數為切入點，或依據規范選定大致范圍作為控制爆破范圍，很少關注非控制爆破區爆破對既有隧道的影響，而某些隧道施工存在全斷面爆破開挖工況，屬于非控制爆破，全線采用控制爆破不必要且增加工期。非控爆區爆破參數往往要強于控爆區爆破參數幾倍，在較近時對既有隧道的影響不能忽略，因此控制爆破范圍的選定也應當考慮非控爆區爆破參數。本文以某新建分洪隧洞下穿既有公路隧道為例，采用經驗公式及數值模擬方法，對控制爆破范圍的選定進行探討。

1 工程概況

某新建分洪隧洞線路中下穿既有高速公路隧道，交叉角度約 90°，如圖1所示。隧洞洞徑3.6 m×5.3 m，隧洞采用噴C30混凝土臨時支護，直墻及洞頂噴射C30素混凝土厚10 cm。隧洞與既有隧道交叉處最短垂直距離為37 m，如圖2所示。該段范圍內地層巖性為弱風化少斑中細粒晶洞正長花崗巖，屬于中硬巖類，隧洞圍巖綜合考慮為3級圍巖。

交叉段既有公路隧道采用復合式支護結構，初支為砂漿錨桿和8 cm厚鋼筋網噴混凝土，二襯采用35 cm厚C25 防水素混凝土。隧道已處于運營期間，經現場踏勘隧道襯砌整體狀況良好，但在右線局部出現掉塊。

2 控制爆破參數確定

隧洞施工需保證在控爆區域中距既有隧道最近處爆破施工引起振動在允許振速范圍內。根據GB 6722-2014《爆破安全規程》［6］規定，交叉段保護對象類別為交通隧道，結合隧道襯砌結構現狀及運營情況，安全允許振速取3 cm/s。

根據規范爆破振動安全允許距離按式（1）計算。

R=KV1αQ13（1）

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V為保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；K，α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，應通過現場試驗確定；在無試驗數據的條件下，可參考表1選取。

根據現場條件選取K為200，α取1.6，以兩隧道最近實際距離37 m為安全距離。根據式（1）可算得最大單段藥量為19.27 kg。

3 控制爆破范圍公式解

在非控制爆破區域采用爆破參數為單循環進尺2～3 m，全斷面爆破開挖每進尺總炸藥量100～150 kg。

根據式（1）計算得測點距爆源中心距離R為64.06～73.33 m，隧洞與既有隧道右線及左線垂直最近距離分別為37 m、38.5 m，換算可得水平距離為距右線52.29～63.31 m，距左線51.20～62.41 m。

按最不利情況考慮，左右線均可按65 m作為控制爆破范圍邊界。

4 數值模擬

4.1 計算模型

為進一步研究控制爆破范圍的選定，同時與公式解相互驗證，采用MIDAS/GTS/NX有限元軟件建立三維數值模型。模型橫向取300 m，縱向取200 m，豎向取252 m，采用粘彈性邊界，以四面體單元劃分，共劃分174 079個單元，28 079個節點，如圖3所示。

4.2 模擬工況

模擬計算按最不利情況考慮，同時考慮公式解得的控制爆破范圍，故選取距既有隧道左右邊75 m、65 m、55 m處作為非控爆模擬點位，選取既有隧道左右線正下方點作為控爆模擬點，如圖4所示。

4.3 爆破計算參數

巖體在爆破瞬時動荷載作用下，表現出的力學特性有所變化。依據王思敬、戴俊等［7-8］推導出在爆破荷載作用下材料的彈模、泊松比參數變化公式，結合本工程圍巖參數得物理力學參數見表2。

4.4 爆破荷載

計算中假定爆破壓力為垂直于隧洞洞壁的面壓力。作用的荷載采用美國National Highway Institute里提及的公式，每1kg炸藥的爆破壓力見式（2）、式（3）：

Pdet=4.5×10-4ρV2e/（1+0.8ρ）（2）

PB=Pdetdcdh3（3）

式中：Pdet為爆破壓力（MPa）；Ve為爆破速度（m/s）；ρ為炸藥密度（g/cm3）；PB為孔壁面上壓力（MPa）；dc為火藥直徑（mm）；dh為孔眼直徑（mm）。

上式決定了爆破發生時的最大爆炸壓力。實際上作用于孔壁上的動壓力隨時間是變化的，通常取為指數型的時間滯后函數。根據計算經驗和工程實踐本次采用的時程動壓力公式見式（4）。

PD（t）=4PB（e-Bt/ 2-e-2Bt）（4）

其中B=163.38，為荷載常量。

根據以上各式，取炸藥爆速為2 000 m/s，密度為1 g/cm3，假定為耦合裝藥，dc=dh。可得每1 kg炸藥產生的最大爆炸壓力PB=1000 MPa，加載到峰值壓力的升壓時間為6 ms，爆破荷載時間歷程如圖5所示。

5 計算結果分析

模型中分洪隧洞與公路隧道交叉處為公路隧道進洞100 m處斷面下，監測以進洞100 m為中心，前后以10 m間隔選取3個斷面處共計7處作為監測斷面。根據掌子面位置不同，選取監測斷面內不同部位作為監測點，統計計算結果。

5.1 右線75 m計算

取分洪隧洞掌子面在距隧道右線75 m時非控爆工況，左、右線隧道各監測斷面右拱腳為監測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖6、圖7所示。

由圖6可知襯砌最大振速在右線進洞50 m右拱腳附近，這與爆破掌子面位置及爆破力施加方向有關，襯砌最大振速為2.34 cm/s，未超過允許振速。由圖7可知隧道右線受爆破影響比左線大，左右線隧道均表現為隨進洞距離增大振速變小。

5.2 右線65 m計算

取掌子面在距隧道右線65 m時非控爆工況，監測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖8、圖9所示。

由圖8可知襯砌最大振速在右線進洞70 m右拱腳附近，為2.66 cm/s，未超過允許振速。由圖9可知各處峰值時刻相較于前一工況略有前移，右線隧道各處振速都有提高，左線振速變化不明顯。

5.3 右線55 m計算

取掌子面在距隧道右線55 m時非控爆工況，監測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖10、圖11所示。

由圖10可知襯砌最大振速在右線進洞70 m右拱腳附近，為3.17 cm/s，已超過允許振速。由圖11可知各處峰值時刻相較于前一工況略有前移，左右線隧道各處振速都有提高。

5.4 右線底部計算

取掌子面在隧道右線下方時控爆工況，左線各監測斷面右拱腳及右線各監測斷面底板中心為監測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖12、圖13所示。

由圖12可知襯砌最大振速在右線隧道進洞100 m底板附近，為2.29 cm/s，未超過允許振速。由圖13可知由于爆破點位于右線隧道正下方，右線隧道受爆破影響明顯比左線大，且右線隧道各處均有峰值快速衰減后出現二次峰值情況，距離爆破點越近處越明顯。

5.5 左線底部計算

取掌子面在隧道左線下方時控爆工況，右線各監測斷面左拱腳及左線各監測斷面底板中心為監測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖14、圖15所示。

由圖14可知襯砌最大振速在左線隧道進洞80 m底板附近，為2.51cm/s，未超過允許振速。由圖15可知由于爆破點位于左線隧道正下方，左線隧道受爆破影響明顯比右線大，且左線隧道各處同樣出現二次峰值情況。

5.6 左線55m計算

取掌子面在距隧道左線55 m時非控爆工況，左、右線隧道各監測斷面左拱腳為監測點。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖16、圖17所示。

由圖16可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳附近，這與隧道覆土厚度及爆破力施加方向有關，襯砌最大振速為2.31 cm/s，未超過允許振速。由圖17可知左線隧道受爆破影響明顯比右線大，左右線均表現為隨進洞距離增大振速變小。相較于右線55 m工況，隧道振速明顯降低。

5.7 左線65 m計算

取掌子面在距隧道左線65 m時非控爆工況，監測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖18、圖19所示。

由圖18可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳附近，為1.77 cm/s，未超過允許振速。由圖19可知各處峰值時刻相較于前一工況略有后移，左線各處振速顯著降低，右線振速變化不明顯。

5.8 左線75 m計算

取掌子面在距隧道左線75 m時非控爆工況，監測點選取同上。計算得隧道襯砌振速峰值時刻、監測點振速時程如圖20、圖21所示。

由圖20可知襯砌最大振速在左線隧道進洞70 m左拱腳處附近，為1.37 cm/s，未超過允許振速。由圖21可知各處峰值時刻相較于前一工況略有后移，左右線各處振速明顯降低。

6 結論

（1）控制爆破范圍應當同時考慮控制爆破參數、非控制爆破參數及相關規范要求確定。

（2）依據GB 6722-2014《爆破安全規程》中公式得本工程案例控制爆破范圍可取公路隧道左右線邊界外65 m。

（3）依據數值模擬結果，本工程案例控制爆破范圍可取公路隧道右線邊界外65 m，左線邊界外55 m。

（4）通過本工程案例驗證了經驗公式及數值模擬方法的可行性，工程實際中建議綜合2種方法所得結果確定控制爆破范圍。

（5）驗證了掌子面靠近既有隧道時隧道襯砌受爆破影響產生的振速大于相同距離處掌子面離開時隧道襯砌振速這一結論的正確性。

參考文獻

［1］ 隗建波，劉浩，莫陽春. 上跨公路隧道爆破施工對既有鐵路隧道的影響分析［J］. 科技經濟導刊，2017（13）：3.

［2］ 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.

［3］ 仇文革，凌昊，龔倫，等.引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工振動影響及對策［J］.中國鐵道科學，2009，30（6）：46-53.

［4］ 閆鴻浩，趙曉磊，李曉杰，等.城市地鐵淺埋隧道下穿危房爆破設計及振動區域劃分探索［J］.施工技術，2016，45（1）：82-87.

［5］ 趙豐，薛亞東，李碩標，等.新建鐵路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距離研究［J］.鐵道科學與工程學報，2016，13（7）：1365-1371.

［6］ 爆破安全規程： GB6722-2014［S］.

［7］ 王思敬，吳志勇，董萬里，等.水電工程巖體的彈性波測試［M］.北京：科學出版社，1980.

［8］ 戴俊.巖石動力學特性與爆破理論［M］.北京：冶金工業出版社，2002.