丁玉仁
(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司,平潭 350400)
基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加,帶來了公路、鐵路及水利工程隧道建設(shè)項(xiàng)目的高速發(fā)展, 地下空間得到了更大程度的利用。在市政、交通及水利行業(yè)工程建設(shè)大跨越式發(fā)展中,小凈距平行隧道、新建隧道臨近既有建筑物、新建隧道下穿側(cè)穿既有隧道等形式的地下近接工程越來越多。采用鉆爆法施工的隧道近距離穿越既有隧道時(shí),由爆破開挖引發(fā)的既有隧道振動(dòng)安全問題日益凸顯, 關(guān)于近接隧道爆破施工的振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)、 振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)及爆破控制措施受到工程爆破領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員的重點(diǎn)關(guān)注。
近年來, 國內(nèi)外學(xué)者在隧道近接開挖爆破振動(dòng)影響分析方面做了很多研究。仇文革[1]系統(tǒng)地劃分了廣義地下工程近接施工的類型, 為各類近接施工影響分析提出了分析判斷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);龔倫等[2]結(jié)合工程監(jiān)測結(jié)果,驗(yàn)證了數(shù)值模擬爆破分析結(jié)果的可行性, 并得出爆破施工重點(diǎn)監(jiān)測范圍;馮仲仁[3]、劉敦文等[4]研究了近接施工隧道間距和爆破裝藥量對爆破引起振動(dòng)的影響;劉拓[5]、劉均紅[6]結(jié)合引水隧洞下穿既有高速公路、鐵路隧道的案例,通過數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式方法, 得出引起既有隧道質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的大小分布情況及振速與爆源距離的關(guān)系; 針對交叉隧道開挖爆破振動(dòng)的不利影響,陳慶[7]、于建新等[8]通過對爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果的回歸分析, 提出了相應(yīng)的爆破振動(dòng)控制技術(shù)措施。隧道工程地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)措施影響爆破施工振動(dòng)波的傳播, 不同環(huán)境條件下的近接爆破施工影響會(huì)有著很大差異。
本文以平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿福銀高速公路竹岐隧道為工程背景,利用經(jīng)驗(yàn)公式法和三維數(shù)值模擬方法開展引水隧洞下穿高速公路隧道的爆破施工影響分析, 為爆破施工控制措施提供依據(jù), 以確保既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和行車交通的安全運(yùn)行。
閩江竹岐-大樟溪引水線路金水湖-溪源溪隧道在閩侯縣竹岐鄉(xiāng)附近(樁號JX2+450)下穿福銀高速公路竹岐隧道,交叉段總體埋深200~300m,兩條隧道交叉角度為55.7°, 交叉位置福銀高速公路隧洞路面高程約為54.00m,引水隧洞隧洞頂高程為19.55m,隧洞頂與高速公路路面凈距34.45m,新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。 交叉段落洞身段圍巖為正長斑巖,圍巖微風(fēng)化-新鮮,弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度大于80MPa,屬工程堅(jiān)硬巖類,交叉影響段圍巖巖體為Ⅲ級圍巖。 該區(qū)為基巖山區(qū),賦存的地下水較貧乏,地下水與地表水循環(huán)深度不大。
圖1 新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關(guān)系示意圖
本工程新建引水隧洞開挖洞徑為5.5m,斷面采用平底圓型,底寬為4m。 既有高速公路隧道為分離式雙線雙洞隧道, 單洞行車道寬度為2×3.75m, 水平向直徑約11.6m,豎向高度約8.1m,左右洞軸距為37.62~50m。 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖如圖2 所示。
圖2 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖(單位:cm)
根據(jù)國內(nèi)《爆破安全規(guī)程》[9]規(guī)定,地下建筑如水工隧道、交通隧道、礦山巷道等振動(dòng)判據(jù)采用保護(hù)對象所在地的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(取三個(gè)垂直分量中的最大值)。高速公路隧洞可參照交通隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)選取, 即在爆破振動(dòng)影響下,質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度不得大于10~20cm/s。 日本《接近既有隧道施工對策指南》[10]中對健全度為A2、A1(變異程度有發(fā)展趨勢) 的隧道爆破振動(dòng)速度的限制值為3cm/s。
綜合國內(nèi)外安全規(guī)程、指南等相關(guān)規(guī)定,隧道爆破開挖采用質(zhì)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度來推斷高速公路隧道的受害限界,結(jié)合工程實(shí)際情況,考慮到處于運(yùn)營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,取既有高速公路隧道的振動(dòng)速度安全控制標(biāo)準(zhǔn)[V]=3cm/s,并將既有隧道振速達(dá)到1/3[V]=1cm/s 的區(qū)間作為爆破監(jiān)測的范圍。
為了模擬引水隧洞爆破施工對既有福銀高速竹岐隧道的影響,本節(jié)采用MIDAS/GTS 軟件建立三維有限元模型。 計(jì)算時(shí)為減小“邊界效應(yīng)”[11],模型沿高速公路隧道縱向截取160m,橫向截取230m,模型左邊界距公路隧道左洞軸線100m,模型上邊界按隧道實(shí)際埋深取205~230m,下邊界距公路隧道左洞100m,建立如圖1、圖3 三維計(jì)算模型,共劃分單元67591 個(gè)。
圖3 三維計(jì)算模型示意圖
本文數(shù)值模擬采用全斷面法開挖, 根據(jù)工程實(shí)際情況,由于高速公路隧道已先期通車,為分析引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產(chǎn)生的最大影響, 本模擬分析過程采用既有高速公路隧道已貫通, 引水隧洞已開挖至與高速公路左洞交叉點(diǎn)處位置, 采用1m 單循環(huán)進(jìn)尺繼續(xù)爆破開挖的施工過程。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn), 模型對已經(jīng)施工完成的福銀高速竹岐隧道模擬其二次襯砌, 對已開挖段引水隧洞模擬其初期支護(hù), 二者均采用板單元模擬, 并定義為彈性材料屬性。對圍巖和地層采用實(shí)體單元建模,隧道所在巖層采用德魯克-普拉格本構(gòu)模型, 其余巖土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。
模型的邊界條件為: 特征值分析除地表為自由邊界外,其余各邊界通過曲面彈簧定義為彈性邊界;爆破振動(dòng)時(shí)程分析中除地表為自由邊界外, 其余各邊界取帶阻尼彈性系數(shù)的粘彈性邊界曲面彈簧。
本次計(jì)算參數(shù)參照地勘資料和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)選取[12],如表1 所示。
由于數(shù)值模擬的簡化, 將掌子面多個(gè)藥孔微差爆破產(chǎn)生的爆破荷載以均布壓力荷載形式作用在隧道壁上, 方向垂直于洞壁。 爆破荷載采用美國National Highway Institute 里提及的公式, 即每1kg 炸藥的爆破壓力如下[13]:
表1 巖土層及隧道襯砌計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)
式中:Pdet為爆破壓力,kPa;Ve為炸藥爆速,cm/s;ρ 為炸藥比重,g/cm3;PB為孔壁面上壓力,kPa;dc為火藥直徑;dh為孔眼直徑。
實(shí)際上作用于孔壁上的動(dòng)壓力隨時(shí)間是變化的,通常取為指數(shù)型的時(shí)間滯后函數(shù)。 根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐本報(bào)告中采用的時(shí)程動(dòng)壓力公式如下:
式中,B 為荷載常量。
根據(jù)式(1)~(3),取炸藥爆速為300000cm/s,炸藥密度為1g/cm3,當(dāng)耦合裝藥時(shí),dc=dh。 本模擬過程假定引水隧洞爆破開挖最大單段裝藥量為10kg,炸藥產(chǎn)生的最大爆炸壓力為PB=208.91MPa,加載到峰值壓力的升壓時(shí)間為6ms,爆破荷載時(shí)間歷程如圖4 所示。
圖4 爆破荷載時(shí)程函數(shù)
3.4.1 引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產(chǎn)生的振動(dòng)速度影響
為探究引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 單循環(huán)進(jìn)尺爆破開挖對高速隧道質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的影響,選取公路隧道橫斷面各考察點(diǎn)布置如圖5 所示。
由于引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處爆破開挖引起左洞的峰值振速明顯大于右洞, 提取高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處橫斷面各考察點(diǎn)的水平和豎向峰值振動(dòng)速度,如表2 所示。
圖5 高速公路隧道橫斷面各考察點(diǎn)布置圖
表2 各考察點(diǎn)計(jì)算峰值振動(dòng)速度(cm/s)
由表2 可得, 既有高速隧道截面豎向振速峰值均大于水平振速峰值, 高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處橫斷面的豎向峰值振速為0.854cm/s,位于左洞隧道的底板中點(diǎn)位置,并沿拱腳往拱頂位置逐漸衰減,爆破施工對既有高速隧道的影響主要集中于底板位置。
為探究高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向的振速響應(yīng), 選取沿高速公路隧道左洞軸線方向距離交叉點(diǎn)不同位置處(引水隧洞未開挖側(cè)為正)的底板中點(diǎn)豎向峰值振動(dòng)速度,如圖6 所示。
由圖6 可得,高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向底板中點(diǎn)豎向振動(dòng)速度在交叉點(diǎn)處達(dá)到最大,為0.854cm/s,并沿與交叉點(diǎn)距離的增大而逐漸衰減。
綜合上述結(jié)論, 引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為0.854cm/s,位于高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處底板中點(diǎn)位置, 峰值振速小于監(jiān)測振速安全控制標(biāo)準(zhǔn)1cm/s, 新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產(chǎn)生的影響較小。
3.4.2 引水隧洞爆破開挖爆破振動(dòng)影響范圍
圖6 公路隧道左洞距交叉點(diǎn)不同位置處底板中點(diǎn)豎向峰值振速圖
圖7 爆破振動(dòng)速度等值面圖
為了能更直觀地觀察引水隧洞爆破開挖振動(dòng)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)影響范圍, 提取引水隧洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺爆破 開 挖 引 起 振 動(dòng) 速 度 為V=0.1cm/s、0.5cm/s、0.8cm/s、1.0cm/s、3.0cm/s、5.0cm/s 的振速等值面圖如圖7 所示。由圖7 可知,隨著質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的提高,等值面逐漸向引水隧洞交叉開挖點(diǎn)處縮小。其中爆破振速監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)V=1.0cm/s 等值面的影響半徑約為29.7m(5.4D),安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)V=3.0cm/s 等值面的影響半徑約為16.2m(2.95D),均小于兩隧道之間的最小凈距34.45m(6.26D)。
本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法和三維數(shù)值模擬計(jì)算方法,對平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿既有福銀高速公路竹岐隧道進(jìn)行爆破施工影響分析,得出了以下結(jié)論:
(1)通過三維數(shù)值模擬計(jì)算方法,得出當(dāng)爆破最大段裝藥量為10kg 時(shí),引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為0.854cm/s,新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產(chǎn)生的影響較小。
(2)三維數(shù)值模擬計(jì)算得出的引水隧洞爆破振速監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)V=1cm/s 影響半徑約為5.4D (D 為新建隧洞外徑), 安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)V=3cm/s 影響半徑約為2.95D,均小于兩隧道之間的最小凈距6.26D(34.45m)。
考慮到爆破施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素, 為確保既有高速公路竹岐隧道安全,提出以下建議:
(1)施工單位在正式爆破開挖前,應(yīng)對引水隧洞與高速公路竹岐隧道交叉段進(jìn)行爆破專項(xiàng)設(shè)計(jì), 然后根據(jù)爆破專項(xiàng)方案進(jìn)行爆破震動(dòng)現(xiàn)場試驗(yàn),根據(jù)測試結(jié)果,對高速公路竹岐隧道安全控制標(biāo)準(zhǔn)、 數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果及參數(shù)取值的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)成果,優(yōu)化爆破方案,確保高速公路竹岐隧道結(jié)構(gòu)安全。
(2)爆破開挖過程中,制定完整的監(jiān)測方案,確定合理的安全控制值、預(yù)警值;同時(shí)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破方案,信息化、動(dòng)態(tài)化施工。
(3)建議制定完善的應(yīng)急預(yù)案,協(xié)調(diào)好各方面的力量保證引水隧洞爆破開挖時(shí)高速公路竹岐隧道的安全。 細(xì)化預(yù)警值、警戒值,并明確處理方案。