趙豐,薛亞東,李碩標(biāo) ，趙瀚翔

(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

?

新建鐵路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距離研究

趙豐1, 2,薛亞東1, 2,李碩標(biāo)1, 2，趙瀚翔1, 2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

新建塔石嶺鐵路隧道上跨既有公路隧道，采用全斷面爆破施工，為了確保既有公路隧道運(yùn)營(yíng)的安全，需要明確控制爆破開挖的安全施工距離?；谝延械膸r體中爆破振動(dòng)速度衰減理論模型，首先計(jì)算安全施工距離范圍，為驗(yàn)證模型與參數(shù)的合理性，開展相應(yīng)的有限元計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果得出了爆破距離與既有隧道襯砌拱頂振動(dòng)速度的關(guān)系，據(jù)此可根據(jù)振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到相應(yīng)的爆破施工安全距離，從而為工程爆破設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

交叉隧道；控制爆破；安全距離

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的隧道工程投入建設(shè)。在近距離交叉隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[1-3]，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)爆破過程中既有隧道的振動(dòng)響應(yīng)做了詳細(xì)分析[4-6]，但對(duì)于上跨隧道控制爆破安全距離的研究還比較少。在保證既有隧道運(yùn)營(yíng)安全的前提下，如何合理控制上跨隧道控制爆破施工的距離對(duì)縮短工程工期、減少工程造價(jià)有著直接的影響。

臨近工程爆破不可避免會(huì)對(duì)既有的巖石產(chǎn)生振動(dòng)影響，振動(dòng)沖擊波可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞或者出現(xiàn)襯砌掉塊，嚴(yán)重威脅隧道運(yùn)營(yíng)安全[8]。對(duì)于爆破振動(dòng)的影響評(píng)價(jià)因素(或指標(biāo))，許多國(guó)家，如中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等，采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為衡量爆破振動(dòng)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和觀測(cè)表明，爆破振動(dòng)破壞程度與質(zhì)點(diǎn)速度的相關(guān)性最好，且與其他物理量相比，振速與巖土性質(zhì)有較穩(wěn)定的關(guān)系[9]，因而學(xué)者提出了施工控制的重點(diǎn)是爆破振動(dòng)的影響[10-13]。有關(guān)爆破振動(dòng)速度的研究，目前主要有實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及數(shù)值模擬法等?？紤]爆破設(shè)計(jì)的安全與合理，本文通過理論分析計(jì)算上跨隧道的安全施工距離，并通過數(shù)值模擬，分析不同爆破工況下既有隧道二次襯砌控制點(diǎn)的振速變化規(guī)律，從而把握新建隧道控制爆破施工的安全距離范圍[11]。

1　工程概況

擬建塔石嶺隧道位于浙江省龍泉市龍泉鎮(zhèn)境內(nèi)，為鐵路單線單洞隧道,隧道全長(zhǎng)3672.89m，斷面底寬7.6m，高8.5m，受路線的總體走向和地形地貌等條件控制，該隧道設(shè)計(jì)路線在里程DK151+185處上跨既有公路(S228省道)坑底嶺隧道，坑底嶺隧道底寬11m，高7m，兩隧道呈64°斜交，最短垂直距離為17m，交叉處地質(zhì)條件為Ⅲ級(jí)圍巖，具體如圖1所示。為了減少對(duì)既有隧道的影響，需要在兩隧道交叉點(diǎn)處一定范圍內(nèi)進(jìn)行控制爆破，綜合考慮造價(jià)、工期等各方面因素，控制爆破安全距離的選取是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2　理論分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)[7]，對(duì)于交通隧道，規(guī)定安全振動(dòng)速度應(yīng)小于15cm/s。考慮到既有隧道已運(yùn)營(yíng)多年，襯砌強(qiáng)度有所下降，且隧道交叉區(qū)域附近存在斷層構(gòu)造，因此建議本工程既有隧道襯砌的振動(dòng)速度不大于5cm/s。

對(duì)于爆破振動(dòng)波在傳播過程中的衰減規(guī)律已有如下研究：

圖1　隧道位置剖面圖Fig.1 Cross section of tunnel position

1)薩道夫斯基公式

蘇聯(lián)科學(xué)家薩道夫斯基由試驗(yàn)歸納出與巖石介質(zhì)性質(zhì)、爆源有關(guān)的系數(shù)K和衰減指數(shù)α，得到目前工程爆破計(jì)算地面振動(dòng)速度普遍采用的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：v為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(cm/s)； Q為爆破裝藥量kg；齊發(fā)爆時(shí)取為總藥量，分段爆破時(shí)取為最大一段藥量；R為測(cè)點(diǎn)距爆源中心的距離m；K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)和方法有關(guān)的系數(shù)；a為爆破振動(dòng)波隧距離衰減的指數(shù)。

我國(guó)《爆破安全規(guī)程》[7]列出了K和a的計(jì)算選取范圍(見表1)。K和a的取值也可以通過不同巖石的類型選取[8]。

表1　K 值和α值與巖石的關(guān)系

2)美國(guó)礦業(yè)局對(duì)20個(gè)采石場(chǎng)和建設(shè)工地的爆破振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，提出了振速的計(jì)算公式：

(2)

式中：K和α分別為現(xiàn)場(chǎng)的特征系數(shù)和衰減指數(shù)，其他符號(hào)意義同前。

3)P.B.Attwell(奧特維爾)等人對(duì)歐洲采石場(chǎng)的爆破振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，提出的振速公式如下：

v=K(Q/R2)α

(3)

式中符號(hào)意義同前。

4)日本旭化成工業(yè)株式會(huì)社提出：

(4)

式中：K是與爆破條件、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，掏槽爆破時(shí)，K=500～1 000；臺(tái)階爆破時(shí)K=200～500；α為指數(shù)，爆區(qū)為黏土層時(shí)α=2.5～3.0，爆區(qū)巖石時(shí)，α=2.0；R為測(cè)點(diǎn)距爆源中心的距離m，30m

根據(jù)建議標(biāo)準(zhǔn)，控制既有隧道二次襯砌的振動(dòng)速度為5cm/s。交叉處地質(zhì)條件為Ⅲ級(jí)圍巖，參考表1可得到K與α的取值范圍，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔資料以及在現(xiàn)場(chǎng)所做的地層聲波測(cè)試[12]，并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，可大致估計(jì)所在地層的完整性。本工程計(jì)算參數(shù)取值如下：K=200～220，α=1.6，該工程分段爆破最大單段藥量為Q=16kg。利用上述4個(gè)公式分別反算得到的控制爆破安全距離范圍見表2。

表2　計(jì)算得到的控制爆破安全距離

3　數(shù)值模擬

3.1模擬方案

為了進(jìn)一步研究新建隧道爆破開挖距離對(duì)既有隧道的影響，并與已有經(jīng)驗(yàn)公式相互驗(yàn)證，采用MIDAS/GTS/NX大型數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)相關(guān)資料和爆破計(jì)算理論，分別設(shè)置在隧道交叉點(diǎn)正上方開挖、距正上方右側(cè)10m開挖、距正上方右側(cè)20m開挖、距正上方右側(cè)35m開挖和距正上方右側(cè)50m開挖五種種模擬方案，每種方案全斷面開挖的進(jìn)尺為3m。模擬計(jì)算方案示意圖見圖2。

圖2　模擬計(jì)算方案示意圖Fig.2 Simulation calculation program diagram

3.2有限元模型

根據(jù)本工程中隧道的尺寸、間距、以及爆破振動(dòng)影響的范圍，確定模型長(zhǎng)×寬×高=150m×100m×87m，計(jì)算模型網(wǎng)格見圖3。

圖3　有限元網(wǎng)格圖Fig.3 FEM model

3.3模型參數(shù)

模型中圍巖及隧道襯砌的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3　有限元分析參數(shù)表

3.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

模擬時(shí)，在既有公路隧道拱頂?shù)囊r砌上沿縱向布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)新建隧道爆破開挖過程中對(duì)既有隧道襯砌的影響，測(cè)點(diǎn)間距25m，測(cè)點(diǎn)2位于兩隧道交叉處正下方，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

3.5本構(gòu)模型的選取

Hoke-Brown本構(gòu)模型廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)工程，但在實(shí)踐中所需的擾動(dòng)因子D和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI2個(gè)參數(shù)比較難以準(zhǔn)確獲取。利用擾動(dòng)巖體波速Vp和巖石縱波波速比值的平方計(jì)算擾動(dòng)因子D，利用巖體縱波波速Vp與巖體RMR值的關(guān)系來計(jì)算巖體的GSI值，推導(dǎo)得到改進(jìn)后的Hoke-Brown本構(gòu)模型：

圖4　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement of monitoring points

(5)

(6)

(7)

(8)

定義擾動(dòng)因子：

(9)

式中，σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；Vi、Ei和kvi分別為巖體波速、變形模量和完整性系數(shù);V0和E0分別為巖石(巖塊)波速、變形模量。一般情況下，取i=1，V1、E1和kv1分別表示巖體的波速、變形模量和完整性系數(shù)；在多次擾動(dòng)(多次爆破)情況下，取i=2，3，4…n，分別表示在多次(i-1次)擾動(dòng)后巖體的波速、變形模量和完整性系數(shù)等性質(zhì)。

3.6邊界條件

在數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件方面，有固定邊界，黏性邊界和彈性邊界。結(jié)合衢寧鐵路塔石嶺隧道采用爆破施工，爆破振動(dòng)波對(duì)于固定邊界會(huì)引起振蕩反射波，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，因此采用黏彈性邊界較為適合。黏性采用比較通用的瑞利(Rayleigh)阻尼，根據(jù)文獻(xiàn)[5]確定臨界阻尼ξmiin=0.01，體系基頻?0=50Hz。

3.7模型加卸荷計(jì)算

爆破動(dòng)載的模擬，通常采用在設(shè)置的爆破區(qū)域邊界上施加相同當(dāng)量的爆破動(dòng)壓力荷載，美國(guó)公路研究所(NationalHighwayInstitute(US)，1991)建議考慮爆破振動(dòng)衰減隨時(shí)間作用的動(dòng)壓力公式：

(10)

(11)

式中：Pdet為爆破荷載kN/m2；PB為作用在孔壁面上的退耦爆破壓力MPa; Ve為爆破速m/s；dc為裝藥直徑mm；dh為裝藥孔直徑mm；Sge為容重kN/m3。

在上述公式的基礎(chǔ)上，考慮時(shí)間函數(shù)關(guān)系，Statfield提出了改進(jìn)爆破荷載計(jì)算公式：

(12)

式中：B為荷載系數(shù)，為每1kg裝藥量產(chǎn)生的動(dòng)壓力，可取16 338。單段藥量的荷載見圖5。

圖5　爆破荷載歷程Fig.5 History of blasting load

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1正上方開挖

塔石嶺隧道掌子面在已建隧道正上方以全斷面法爆破施工，既有隧道襯砌上3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖6所示。襯砌位移量時(shí)程曲線如圖7所示。

圖6　振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.6 Vibration velocity time history curve

圖7　襯砌位移量時(shí)程曲線Fig.7 Lining displacement time history curve

正上方3m進(jìn)尺全斷面開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度最大值達(dá)到20.95cm/s，超過了建議的允許振動(dòng)速度, 既有隧道襯砌位移最大值達(dá)到2.109×10-5，變形不會(huì)影響既有隧道安全。

4.2右側(cè)10 m開挖

塔石嶺隧道掌子面在已建隧道右側(cè)10m處全斷面法爆破施工，既有隧道襯砌上3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖8所示。襯砌位移量時(shí)程曲線如圖9所示。

圖8　振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.8 Vibration velocity time history curve

正上方右側(cè)10m處3m進(jìn)尺全斷面開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度最大值達(dá)到11.00cm/s，超過建議的允許振動(dòng)速度, 既有隧道襯砌位移最大值達(dá)到2.011 5×10-5，變形不會(huì)影響既有隧道安全。

4.3右側(cè)20 m開挖

塔石嶺隧道掌子面在已建隧道右側(cè)20m處全斷面法爆破施工，既有隧道襯砌上3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖10所示。襯砌位移量時(shí)程曲線如圖11所示。

圖9　襯砌位移量時(shí)程曲線Fig.9 Lining displacement time history curve

圖10　振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.10 Vibration velocity time history curve

圖11　襯砌位移量時(shí)程曲線Fig.11 Lining displacement time history curve

正上方右側(cè)20m處3m進(jìn)尺全斷面開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度最大值達(dá)到4.30cm/s，小于建議的允許振動(dòng)速度。既有隧道襯砌位移最大值達(dá)到7×10-6，不會(huì)影響既有隧道安全。

通過數(shù)值模擬，可得到不同開挖距離下拱頂襯砌質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，如表4所示。

表4　參數(shù)值分析

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行擬合，得到爆破距離與振動(dòng)速度之間的關(guān)系曲線，如圖12所示。

圖12　襯砌振動(dòng)速度與距離的擬合曲線Fig.12 Line of the fitting curve of velocity and distance

該擬合曲線的函數(shù)方程為：

y=y0+A1e-x/t1

(13)

式中：x為爆破開挖的距離；y為既有隧道拱頂襯砌質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度；y0，A1和t1為常數(shù)，分別為-0.27，21.38和14.25，擬合相似度為0.99。

將理論模型計(jì)算的結(jié)果與數(shù)值分析模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)用薩道夫斯基計(jì)算得到的安全距離與模擬的距離最為接近，而用其他公式計(jì)算的距離與模擬有較大的偏差。

5　結(jié)論

1)在正上方爆破開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度的最大值達(dá)到20.952cm/s，在正上方右側(cè)10m爆破開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度的最大值達(dá)到11cm/s，均大于5cm/s；在正上方右側(cè)20m爆破開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動(dòng)速度的最大值為4.3cm/s，小于5cm/s；在正上方右側(cè)35m及50m爆破開挖時(shí)既有隧道襯砌振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于5cm/s。結(jié)合理論分析結(jié)果，建議在塔石嶺隧道掌子面距離交叉點(diǎn)20m左右的范圍內(nèi)施工時(shí)，需采用控制爆破的方式以保證既有隧道的安全。

2)通過擬合曲線可得到爆破距離與既有隧道襯砌拱頂振動(dòng)速度的關(guān)系，據(jù)此可根據(jù)振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到相應(yīng)的爆破施工安全距離，從而為工程爆破設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

3)通過實(shí)例驗(yàn)證了爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律采用數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式兩種方法計(jì)算的合理性與各自的不足，建議在爆破振動(dòng)分析中結(jié)合兩種分析方法以取得可指導(dǎo)實(shí)踐的結(jié)論。

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Analysis on control blasting safety distance of the new railway tunnel overpasses the established highway tunnel

ZHAO Feng1, 2，XUE Yadong1, 2，LI Shuobiao1, 2，ZHAO Hanxiang1, 2

(1.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineering(TongjiUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200092,China;2.DepartmentofGeotechnicalEngineeringCollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

ProposedTashilingrailwaytunneloverpassestheestablishedhighwaytunnelandisdesignedtoadoptthewholesectionblastingconstruction.Inordertoensurethesafetyoftheexistinghighwaytunneloperation,itisnecessarytodefinethesafetyconstructionofcontrolledblastingexcavationdistance.Basedontheexistingtheoreticalmodelofblastingvibrationvelocityattenuationinrockmass,itwasthefirsttocalculatethesafetyconstructionoftheprojectscope.Next,thecorrespondingfiniteelementcalculationandanalysiswereusedtoverifytherationalityofthemodelandparameter.Theresultsindicatetherelationshipbetweenexplosiondistanceandthevibrationvelocityofthetunnelvaultlining.Accordingtothesafetystandardsofvibrationvelocity,thecorrespondingblastingconstructionsafetydistancecanbeobtainedthroughcalculation,soastoprovidescientificbasisforengineeringblastingdesign.

crossedtunnel;controlblasting;safetydistance

2015-08-12

浙江省交通廳科技資助項(xiàng)目(2015J22)

薛亞東(1971-)，男，山西芮城人，副教授，博士，從事隧道及地下工程研究；E-mail：yadongxue@126.com

TU455

A

1672-7029(2016)07-1365-07