薄壁連拱隧道后行洞不同爆破開挖工法對先行洞影響對比分析

何俊 王安民 錢伊默 彭維圓 王少飛

高速公路建設過程中，受地形限制，薄壁連拱隧道被多次采用。薄壁連拱隧道中隔墻厚度較小（常小于2.0 m），后行洞施工爆破振動對先行洞襯砌影響較大，后行洞采用合適的爆破開挖工法盡量降低其對先行洞的影響，對先行洞結構安全至關重要。結合“石格拉2號隧道”薄壁連拱段實例，對后行洞采用“三臺階法開挖”和采用“三臺階分區分塊法開挖”2種工況進行爆破振動分析，分別研究了上、中、下各臺階開挖時爆破對先行洞初支及二襯振動速度的影響。

連拱隧道； 分區分塊法； 三臺階法； 爆破影響； 先后行洞； 有限元法

U455.6 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金項目］云南省交通運輸廳科技創新及示范項目（項目編號：云交科教便［2019］36號），公路隧道創新團隊：云南省科技和人才平臺計劃（項目編號：2017HC025）

［作者簡介］何俊（1989—），男，碩士，工程師，注冊土木工程師（巖土），主要從事隧道設計及研究工作。

1 薄壁連拱隧道施工

云南省位于我國西南邊陲，山地高原地形占全省總面積的88.64%。伴隨著全省經濟迅猛發展，高速公路建設里程也屢創新高，受地形限制，薄壁連拱隧道在數條高速公路中被多次采用。薄壁連拱隧道中隔墻厚度較小（常小于2.0 m），后行洞施工爆破振動對先行洞襯砌影響較大，后行洞采用合適的開挖工法盡量降低其對先行洞的影響，對先行洞結構安全至關重要，因此薄壁連拱隧道后行洞開挖工法的選擇及優化就變成急需解決的眾多薄壁連拱隧道施工問題之一［1-2］。

本文主要結合“石格拉2號隧道”薄壁連拱段實例進行對比計算分析。該隧道為設計速度為80 km/h的雙向四車道高速公路隧道，整體采用“分離式—小徑距—連拱”的形式，右幅起點里程K109+495，全長4 905 m；左幅起點里程ZK109+575，全長4 832 m，最大埋深約665 m；其中出口段采用薄壁連拱，設計標高間距為3.0 m，測設線間距為1.0 m。隧道區范圍內主要地層為第四系殘坡積（Q4el+dl）層、二迭系上統玄武巖組（P2β）玄武巖，其中玄武巖為硬質巖。

本文通過有限元分軟件MIDAS GTS NX分別對：后行洞采用“三臺階法開挖”和采用“三臺階分區分塊法開挖”2種工況進行爆破振動分析；研究了上、中、下各臺階開挖時爆破對先行洞初支及二襯振動速度的影響，并采用理論計算分析對數值模擬結果進行了驗證，由此對比2種工法的優劣及適應性，以期更好地指導薄壁連拱隧道設計和施工。

2 模型建立

2.1 計算模型

本文采用“石格拉2號隧道”出口薄壁連拱隧道段SB5a型襯砌（先行洞：27.0 cm厚C25噴混+60.0 cm厚C30鋼混；后行洞：27.0 cm厚C25噴混+50.0 cm厚C30鋼混；中隔墻：85.0 cm+55.0 cm厚C30鋼混）［3-4］作為計算模型，襯砌斷面如圖1所示，襯砌開挖高度為1 029.0 cm，開挖寬度為1 237.0 cm+1 197.0 cm=2 434.0 cm。

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX進行計算分析。工況1計算模型如圖2所示。

工況2計算模型如圖3所示。

本文模擬工況均按先行洞開挖、初支和二襯都完成并達到設計強度后，再進行后行洞爆破開挖。模型圍巖均按Ⅴ級強風化玄武巖考慮［5-6］。

2.2 爆破荷載

本文爆破荷載采用MIDAS GTS NX爆破荷載生成器生成，爆破循環進尺為1.0 m［7］ ，單位炸藥用量為2.14 kg/m3，爆破荷載時程曲線如圖4所示。

3 計算結果及分析

本文選取各階段結構的最大水平速度作為后行洞爆破開挖對先行洞的影響的對比分析指標。

通過MIDAS GTS NX計算，得到2種工況下上、中、下臺階爆破開挖時，先行洞初支及二襯的最大水平速度分別如圖5～圖10所示， 最大水平速度統計結果如表1～表3所示。

因為薄壁連拱隧道中墻處初支為一臨時支撐結構，后行洞二襯澆筑前需要將其拆除，且后行洞爆破開挖對先行洞初支影響最大部位均位于中墻處，其整體對先行洞結構安全影響較小，故本文選擇對先行洞二次襯砌進行理論對比計算分析。

經查閱相關資料、文獻，本文選擇與結合工程具有一定相似性，由西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室舒磊博士、仇文革教授等結合云南省鹽津縣白水江三級電站引水隧洞下穿內昆鐵路手扒巖隧道工程總結推導的開挖爆破振動計算公式［8-10］作為理論計算依據，具體如式（1）、式（2）所示。

v=aQ0.9843R1.383（1）

a=0.9695N+0.1334（2）

式中：v為爆破振動速度（cm/s） ；a為考慮圍巖級別影響的修正系數 ；Q為起爆藥量（kg） ；R為質點與爆源間的距離（m）；N為圍巖級別，取1～6的整數。

“三臺階分區分塊法”和“三臺階法”理論對比計算分析參數取值如表4所示。

備注：Q1～Q3分別為上、中、下臺階的起爆藥量；R1～R3分別為上、中、下臺階的各起爆區形心到2.1～2.3節計算分析的先行洞二襯水平速度最大點的距離；v為各開挖階段對應的先行洞二襯最大爆破振動速。

根據式（1）、式（2），后行洞上臺階采用“三臺階分區分塊法”爆破開挖時，相對于“三臺階法”，先行洞二襯最大爆破振動速度變化幅度P1如式（3）所示 。

P1=v11-v12v12×100%=0.480.98430.671.383-1=-15.51%（3）

同理可求出P2、P3，其結果如表5所示。

由表5可知，數值模擬與理論計算結果基本吻合。

4 結論及建議

根據本文的計算分析結果，后行洞由“三臺階法”優化為“三臺階分區分塊法”爆破開挖時，上、中、下臺階各階段先行洞初支及二襯的最大水平速度的變化幅度、二襯最大水平速度出現部位匯總如表6所示，先行洞初支和二襯最大水平速度比率如表7所示。

由本文的計算分析及匯總表6～表7得出的結論及建議：

（1）薄壁連拱隧道后行洞施工采用“三臺階分區分塊法”相對于傳統“三臺階法”，其爆破振動對先行洞初支及二襯的水平振動速度的影響均能顯著降低，降低幅度約為13%～32%，建議后行洞施工過程中優先選用“三臺階分區分塊法”。

（2）后行洞爆破施工對先行洞二襯振動影響主要集中在中墻拱肩部位，建議設計過程中對先行洞中墻拱肩部位進行局部補強，施工過程中嚴格控制中墻拱肩施工質量。

（3）后行洞爆破施工對先行洞初支振動影響顯著大于對二襯振動影響，上、中、下臺階對應的倍數分別約為1.69、3.17、9.96，上臺階最小，中臺階次之，下臺階最大，建議在先行洞中墻初支與二襯接觸部位設置減震隔離層，以減小先行洞初支振動向二襯的傳遞。

參考文獻

［1］ 李志厚，雷華.云南省公路連拱隧道的技術進步［J］.隧道建設，2007（S2）：218-223.

［2］ 李志厚，陳俊武，何佳銀.單洞工法復合式中墻連拱隧道工程建設技術［M］.北京：人民交通出版社，2020.

［3］ 中華人民共和國交通運輸部. 公路隧道設計規范 第一冊 土建工程： JTG 3370.1-2018［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

［4］ 中華人民共和國交通運輸部. 公路隧道設計細則：JTG/T D70-2010［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］ 王海濤.MIDAS/GTS巖土工程數值分析與設計［M］.大連：大連理工大學出版社，2013.

［6］ 何俊. 高速鐵路隧道洞口緩沖結構抗減震措施研究［D］.成都： 西南交通大學，2016.

［7］ 中華人民共和國交通運輸部. 公路隧道施工技術規范： JTG/T 3660-2020［S］.北京：人民交通出版社有限公司，2020.

［8］ 舒磊，仇文革. 下穿隧道爆破施工對既有隧道的振動影響及對策研究［J］. 鐵道標準設計，2013（7）.

［9］ 黃華. 下穿隧道爆破施工引起既有山區高速公路路基的動力響應及控制研究［D］.重慶：重慶大學，2014.

［10］ 謝曉峰. 立交下穿隧道爆破施工對既有隧道動力響應研究［D］.長沙：長沙理工大學，2013.