劉均紅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加帶來(lái)了地下空間利用的飛速發(fā)展，鐵路、交通及水利工程的大跨越，使得新建隧道臨近既有建筑物、小凈距平行隧道、上下交叉隧道等形式的地下近接工程越來(lái)越多。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道近接施工已有一定的個(gè)例研究［1-6］。以左權(quán)縣西安水電站1號(hào)引水隧洞下穿既有陽(yáng)涉鐵路半坡2號(hào)隧道工程為背景，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法和三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工的影響進(jìn)行研究，以期為類似隧道近接施工在理論和施工方法上提供參考。

1 工程概況

西安水電站位于左權(quán)縣麻田鎮(zhèn)西安村下游1.5 km，是清漳河干流的一個(gè)梯級(jí)電站，屬于山西省“十一五”期間35個(gè)應(yīng)急水源工程配套的水電站工程之一。1號(hào)引水隧洞為水電站主要建筑物，工程等級(jí)為Ⅴ等，建筑物級(jí)別為5級(jí)。隧洞全長(zhǎng)3 203 m，最大埋深約200 m，為無(wú)壓洞。

既有陽(yáng)涉鐵路半坡2號(hào)隧道位于清漳河左岸山坡，2002年底建成通車，隧道運(yùn)營(yíng)里程為 K161+600.21～K162+311.84，全長(zhǎng)711.63 m，為單線電氣化鐵路，洞內(nèi)采用次重型軌道，碎石道床，鋪設(shè)鋼筋混凝土軌枕，設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h。

1號(hào)引水隧洞在里程1+851.21位置交于既有半坡2號(hào)隧道K162+155.624處，交角為22.783°，豎向位置關(guān)系如圖1所示。交叉處圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)，引水隧洞高3.73 m，洞跨2.96 m，直墻圓拱形襯砌斷面，采用C20混凝土厚度為0.3 m;既有鐵路隧道斷面高8.03 m，洞跨5.40 m，采用直墻無(wú)仰拱模筑混凝土襯砌，拱部和邊墻采用C15混凝土，底板采用C10混凝土。交叉處既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)完好。

圖1 1號(hào)引水隧洞與既有半坡2號(hào)隧道的位置關(guān)系(單位:m)

2 經(jīng)驗(yàn)公式法確定引水隧洞控制爆破范圍

通常情況下，對(duì)于所研究的引水隧洞爆破施工，掏槽眼爆破振動(dòng)常常是最大的。掏槽眼爆破采用分段延時(shí)技術(shù)后多為單孔起爆，故可根據(jù)公認(rèn)的前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式［7］，通過對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)速度控制，得出爆破振動(dòng)安全距離

式中 R——爆心距測(cè)點(diǎn)距離，m;

Q——最大段裝藥量，kg，齊發(fā)爆破取總裝藥量，微差爆破或秒差爆破取最大裝藥量;

K——地質(zhì)系數(shù);

α——爆破地震波衰減系數(shù);

V——測(cè)點(diǎn)因爆破引起的振速，cm/s;

m——藥量指數(shù)。

2.1 振速控制標(biāo)準(zhǔn)

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)規(guī)定，交通隧道振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)為10～20 cm/s。根據(jù)國(guó)內(nèi)類似隧道工程近接施工的相關(guān)研究［8］，考慮到處于運(yùn)營(yíng)中隧道拱部錨固有電氣化設(shè)施等多種部件，為了確保安全，取既有鐵路隧道的振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)［V］=5 cm/s，并將既有隧道振速達(dá)到1/3［V］的區(qū)間作為爆破監(jiān)測(cè)的范圍。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)條件及《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)，經(jīng)驗(yàn)公式法參數(shù)選取見表1。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

引水隧洞施工掌子面距離交叉處既有鐵路隧道邊墻水平距離32 m時(shí)，鐵路隧道振動(dòng)速度為1.67 cm/s，達(dá)到速度控制標(biāo)準(zhǔn)的1/3，故引水隧洞掌子面在與鐵路隧道處前后共64 m，即引水隧洞在1+817～1+885區(qū)間施工時(shí)，需在鐵路隧道上進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

表1 經(jīng)驗(yàn)公式法參數(shù)

圖2 1號(hào)引水隧洞控制爆破范圍(單位:m)

3 數(shù)值模擬法確定既有鐵路隧道受爆破影響范圍

3.1 三維有限元模型的建立

根據(jù)已有資料，利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元模型。由于隧洞的影響范圍一般為3～5倍洞徑，因此，在引水隧洞外側(cè)兩邊各往外取15 m，同時(shí)考慮交叉隧道的影響，橫向共選取120 m，縱向取80 m;高度下限方向?yàn)橐矶吹酌嬉韵?0 m，上限方向?yàn)樯襟w表面，建立模型如圖3所示。

在網(wǎng)格劃分中，采用4節(jié)點(diǎn)的四面體單元，整個(gè)模型共產(chǎn)生單元79 632個(gè)，節(jié)點(diǎn)50 366個(gè)，其中既有隧道單元762個(gè)，節(jié)點(diǎn) 298個(gè)，新建隧洞1 298個(gè)，節(jié)點(diǎn)411個(gè)。

圖3 GTS模型

3.2 材料計(jì)算參數(shù)選取

本次計(jì)算參數(shù)參照勘察資料和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)選取，如表2所示。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

3.3 爆破荷載

爆破荷載簡(jiǎn)化為具有上升段和下降段的三角波形荷載［9-10］，假定爆破荷載作用在隧道開挖邊界面上，如圖4所示。圖中Pmax為爆破荷載的應(yīng)力峰值，與炸藥品種、裝藥結(jié)構(gòu)和圍巖性質(zhì)等因素有關(guān)，由式(2)求解。

圖4 數(shù)值計(jì)算爆破荷載三角波形

式中 Z—比例距離，Z=R/Q1/3;

R、Q——含義同公式(1)。

爆破荷載曲線典型的加載到峰值應(yīng)力的升壓時(shí)間為8～12 ms，卸載時(shí)間為40～120 ms，本計(jì)算取加載時(shí)間t1為10 ms，卸載時(shí)間(t2-t1)為90 ms。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)由表3可以看出，引水隧洞在交叉處下穿爆破施工時(shí)，垂直振速的最大峰值為3.448 cm/s，位于既有鐵路隧道底板位置，并沿墻腳往拱頂位置逐漸衰減，爆破施工對(duì)既有鐵路隧道的影響主要集中于底板部位;水平振速相對(duì)較小，峰值均小于0.5 cm/s，且保持平緩趨勢(shì)，在既有隧道截面垂直振速峰值均大于水平振速峰值。既有鐵路隧道受爆破施工影響的振速未超過安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax(kPa)采用如下經(jīng)驗(yàn)公式求解

表3 各考察點(diǎn)計(jì)算峰值振動(dòng)速度 cm/s

(2)通過選取既有鐵路隧道底板不同斷面處的振動(dòng)時(shí)程曲線進(jìn)行分析，如圖5所示。既有鐵路隧道底板垂直振速是隨著遠(yuǎn)離交叉處位置逐漸減弱的，在距離掌子面前29 m(K162+126.624)和后26 m(K162+181.624)斷面處，垂直振速分別為1.556 cm/s和1.587 cm/s，約為安全允許標(biāo)準(zhǔn)的1/3，隨后振動(dòng)減弱明顯。因此，研究引水隧洞在交叉處爆破施工對(duì)既有鐵路隧道的振動(dòng)影響時(shí)，應(yīng)在既有鐵路隧道K162+126～K162+182區(qū)段加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

圖5 既有鐵路隧道不同斷面處底板受爆破施工影響的垂直振速

4 施工影響處理措施

4.1 施工影響范圍

經(jīng)驗(yàn)公式法結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算方法得出新建1號(hào)引水隧洞的控制爆破范圍為1+817～1+885共68 m，既有半坡2號(hào)隧道需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的區(qū)段為K162+126～K162+182，共56 m。

4.2 施工方法

(1)施工單位須按照要求申報(bào)及施工，選擇在天窗時(shí)間內(nèi)爆破作業(yè)，并派專職安全員24 h巡查防護(hù)，隨時(shí)做好應(yīng)急措施。

(2)引水隧洞在控制爆破區(qū)段1+817～1+885范圍內(nèi)施工時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

①采用低威力、低爆速炸藥或小直徑不耦合裝藥，以減小隧道開挖邊界上的荷載作用;

②在選擇雷管段數(shù)時(shí)，加大相鄰兩段振動(dòng)的段位差，保證相鄰段主振相分開，避免振動(dòng)疊加，為后排爆破創(chuàng)造更加充分的臨空面，減輕爆破夾制作用;

③采用分段按順序起爆的方式，限制一次起爆的最大裝藥量值，減小爆破開挖進(jìn)尺，降低爆破振速，以減輕對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響。

4.3 監(jiān)控量測(cè)

臨近交叉作業(yè)時(shí)，既有鐵路隧道K162+126～K162+182區(qū)段應(yīng)由第三方專人做好監(jiān)控量測(cè)工作，并及時(shí)整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為爆破參數(shù)的適時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:

(1)隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速量測(cè);(2)隧道凈空位移收斂量測(cè);(3)隧道襯砌開裂及發(fā)展情況監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

(1)作為施工影響預(yù)測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬計(jì)算方法，可以分別得出引水隧洞控制爆破的范圍和既有鐵路隧道受爆破影響的范圍。

(2)引水隧洞施工過程，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示既有鐵路隧道襯砌完好，說明按照5 cm/s作為既有鐵路隧道的振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

(3)實(shí)踐證明對(duì)于近接既有鐵路隧道爆破施工時(shí)，采用分段微差爆破方法，可以最大限度地降低爆破振動(dòng)對(duì)既有鐵路隧道的影響。

(4)爆破施工期間，通過監(jiān)控量測(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，是此類地下近接工程成功修建的有力保障。

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