文勇

(中鐵十八局集團有限公司，天津市 300222)

近距離爆破產(chǎn)生的爆破振動可能會引起既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂，對其安全性產(chǎn)生很大的影響。在既有運營鐵路隧道正常運行的條件下，新建隧道若要進行爆破開挖施工作業(yè)，一方面要確保既有運營線鐵路隧道及行車安全；另一方面，新建隧道可利用的爆破施工天窗時間間隔短，而常規(guī)爆破作業(yè)方法無法同時保障上述兩方面要求。因此，有必要提出短天窗點間隔臨近既有隧道先行導(dǎo)洞微振爆破網(wǎng)絡(luò)，即分天窗爆破方案，以解決現(xiàn)有爆破方案振動影響大、施工進度慢、施工成本高等問題。

閆軍等通過溫州繞城高速公路橫山隧道開展現(xiàn)場振動測試，掌握了小凈距隧道爆破對鄰近隧道二襯結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；仇文革等采用LS-DYNA顯示動力分析，研究了引水隧洞鉆爆法下穿施工對既有鐵路隧道的影響，認為單段起爆藥量、監(jiān)測點位置與爆源的距離對既有隧道的影響大小具有直接的關(guān)系；朱正國等以南京地鐵小凈距隧道為例，通過對確保小凈距先行隧道安全穩(wěn)定的后行隧道爆破施工技術(shù)的研究，得到了先行隧道襯砌振速隨施工過程進行的變化規(guī)律；為解決連拱隧道爆破施工對相鄰斷面二次襯砌造成的影響，周建春等通過開展爆破振動監(jiān)測和基于襯砌結(jié)構(gòu)安全的現(xiàn)場評估，提供了相應(yīng)的施工工序優(yōu)化技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在爆破荷載施加、爆破振動、爆破應(yīng)力傳播規(guī)律、隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動安全準則等方面取得了一系列成果，但是對于短天窗點間隔條件下的先行導(dǎo)洞微振爆破方案卻未有過研究。因此，該文利用有限元軟件對采用此種爆破方案不同進尺下襯砌結(jié)構(gòu)的振速及主應(yīng)力進行分析，以此驗證采用此方案的安全性及合理性。

1 工程概況

福州至平潭鐵路新苔井山隧道左、右線均為單洞單線隧道，位于福廈線既有苔井山隧道兩側(cè)。左線隧道距既有運營鐵路隧道16～35 m，其中最大埋深約78.7 m，全長2 243 m；右線隧道距既有運營鐵路隧道8.3～30 m，其中最大埋深約75.5 m，全長2 295 m，且新建隧道與既有隧道間存在1～4 m的高差，新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系圖(單位：m)

2 臨近隧道爆破施工數(shù)值模型

2.1 爆破施工方案的設(shè)計

為不影響既有線正常運營，爆破需在其天窗期進行，既有線天窗期分為兩個，且間隔時間較短。短天窗點間隔臨近既有隧道先行導(dǎo)洞微振爆破炮孔布置如圖2所示。其中，隧道工作面中部設(shè)有先行導(dǎo)洞炮孔，周邊設(shè)有擴挖炮孔、解壓炮孔和周邊炮孔，底部設(shè)有底部炮孔。爆破施工作業(yè)過程包括：在天窗期之前完成炮孔布設(shè)和鉆孔作業(yè)，再分別利用兩個天窗期，對待挖隧道進行填藥布置和爆破。在運營隧道處于第1個天窗期(00:00～00:30)時，對隧道中部的先行導(dǎo)洞炮孔(A部分)實施爆破；在運營隧道處于第2個天窗期(04:00～04:30)時，對隧道周邊的擴挖炮孔、解壓炮孔、周邊炮孔和底部炮孔(B部分)進行爆破。

圖2 爆破炮孔布置圖(單位：m)

2.2 模型的建立

左線距離既有線最近處結(jié)構(gòu)凈距為11.51 m，其相對應(yīng)的右線與既有線凈距為29.955 m，故選取此斷面來研究左線隧道爆破施工對既有隧道的不利影響。分析過程中為了弱化邊界對數(shù)值模擬的影響，模型左右及上下邊界分別取3～5倍隧道洞徑。最終整個模型尺寸長度138 m，高度84 m，左線隧道內(nèi)軌頂面高于既有隧道內(nèi)軌頂面1 m。為避免爆破地震波在邊界處反射，在建立模型過程中對邊界施加黏彈性邊界條件。不同天窗起爆區(qū)模型如圖3所示。

圖3 不同起爆區(qū)整體模型

2.3 材料及參數(shù)的選取

模擬所選取的分析對象主要地層有3層，圍巖等級為Ⅲ級，隧道襯砌為C25整體式混凝土。圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)

3 爆破對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振速影響分析

爆破藥量是控制振動速度的重要條件，對于安全運營有著重要意義，且當(dāng)實際爆破藥量小于計算藥量時,現(xiàn)場監(jiān)測爆破振速均不超過控制值。所以為控制既有隧道襯砌的爆破振動速度，左線施工采用的是小進尺，因為施工進尺越大，爆破荷載就越大，爆破振速也就越大。故根據(jù)現(xiàn)場情況分別選取1.4、1.5、1.6、1.7 m共4種不同進尺進行分析，以找到同時滿足施工進度要求及振動速度限制的最優(yōu)合理進尺。分析結(jié)果主要考慮應(yīng)力及振動速度兩方面。

3.1 不同進尺爆破荷載計算

對于爆破荷載的計算，以往研究采用的計算方法多適用于單孔或者集中裝藥的情況，而沒有將整個爆破面的所有炮孔荷載考慮在內(nèi)。為使計算結(jié)果更加符合現(xiàn)場實際情況，此次計算將整個爆破面考慮在內(nèi)，并且將掏槽孔與非掏槽孔的荷載計算分開進行。在目前的研究中，關(guān)于爆破荷載的簡化最主要有兩種方式，分別為指數(shù)形荷載曲線和三角形波形加載。依據(jù)爆破荷載簡化理論，爆破荷載可以按照段位不同簡化為相應(yīng)的三角形荷載。第1、2個天窗起爆區(qū)爆破荷載可以按照炸藥段位簡化為6個三角形荷載，爆破荷載直接作用在隧道開挖輪廓線上。

不同進尺第1、第2起爆區(qū)爆破荷載如圖4所示。

圖4 不同進尺爆破荷載時程曲線

3.2 監(jiān)測點位置

根據(jù)上述不同進尺所對應(yīng)的爆破荷載及相應(yīng)模型，對不同工況進行分析，監(jiān)測點位置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點位置

3.3 不同進尺下的各監(jiān)測點振速

不同進尺下的各監(jiān)測點振速如圖6所示。

圖6 不同進尺下的各監(jiān)測點振速圖

對比分析不同進尺第1起爆區(qū)及第2起爆區(qū)振動速度值，可以看出4種工況下第1起爆區(qū)各關(guān)鍵點水平方向及豎直方向的振速都要大于第2起爆區(qū)，說明第1起爆區(qū)爆破對既有隧道襯砌的影響更大；迎爆側(cè)的振速峰值要明顯大于背爆側(cè)振速峰值，且迎爆側(cè)最大振速從拱腰位置處向拱頂、拱腳逐漸減小，而背爆側(cè)最大振速則從拱腰向拱頂、拱腳逐步增大。

隨著開挖進尺逐漸增大，爆破荷載峰值相應(yīng)增大，各監(jiān)測點振速峰值也越來越大。進尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所對應(yīng)的最大振動速度分別為2.75、2.87、3.02、3.18 cm/s。由于運營線襯砌產(chǎn)生破壞是振動速度超過允許值造成的，而進尺1.7 m時迎爆側(cè)拱腰振速已達到3.18 cm/s，超過該工程微差爆破最大振速限值3 cm/s，故選取1.6 m作為合理進尺。

3.4 各監(jiān)測點振速實測數(shù)據(jù)

X、Y方向最大振速數(shù)值模擬值與現(xiàn)場最大振速實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表2。

表2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測最大振速對比

由表2可知：數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，兩者之間的相對誤差較小，基本符合要求。

4 爆破對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響分析

4.1 不同進尺第一主應(yīng)力分析

不同進尺各監(jiān)測點第一主應(yīng)力如圖7所示。

由圖7可知：進尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所對應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為1.123、1.189、1.255、1.320 MPa。表明開挖進尺越大，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力越大，且最大主應(yīng)力都出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰位置處，背爆側(cè)拱腰位置次之。

圖7 不同進尺各監(jiān)測點第一主應(yīng)力圖

4.2 合理進尺下的主應(yīng)力分析

所選定的最優(yōu)進尺1.6 m下既有隧道最大主應(yīng)力空間分布圖如圖8所示。

爆破振動作用下隧道結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生拉伸破壞，由圖8可知：合理進尺下，既有隧道第一主應(yīng)力最大值位于迎爆側(cè)拱腰處，為1.255 MPa，且由拱腰位置向拱頂及隧道底部兩側(cè)逐漸減小，背爆側(cè)規(guī)律大致相同。根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，最大拉應(yīng)力值未超過C25混凝土的極限抗拉強度標準值1.78 MPa，說明合理進尺下的分天窗爆破方案是安全、合理、可靠的。

圖8 進尺1.6 m既有隧道第一主應(yīng)力空間分布圖(單位：MPa)

新建隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破地震波通過與既有隧道間的圍巖首先傳播到既有隧道迎爆側(cè)，爆破地震波因傳播方向和距離不同，在既有隧道迎爆側(cè)產(chǎn)生的爆破施工附加應(yīng)力隨距起爆點的距離增加而減?。患扔兴淼缹π陆ㄋ淼辣剖┕ぎa(chǎn)生的爆破地震波的傳播具有一定的阻隔作用，從而消減了爆破地震對遠離新建隧道的既有隧道背爆側(cè)的影響。

5 結(jié)論

通過分析不同進尺下既有隧道各點的振速及主應(yīng)力分布情況，得出以下結(jié)論：

(1)新建隧道采用先行導(dǎo)洞微振爆破方案進行施工時，先行導(dǎo)洞區(qū)相較于擴挖起爆區(qū)對既有隧道襯砌的影響更大。

(2)采用合理進尺1.6 m進行微振爆破施工時，臨近隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大振速僅為3.02 cm/s，處于微振爆破振速限制的合理范圍內(nèi)；迎爆側(cè)拱腰處第一主應(yīng)力最大值為1.255 MPa，未超過C25混凝土的極限抗拉強度標準值1.78 MPa，故采用優(yōu)化后的先行導(dǎo)洞微振爆破方案是安全可靠的。

(3)采用1.6 m合理進尺下的先行導(dǎo)洞微振爆破不僅可降低爆破對既有運營隧道產(chǎn)生的振動影響，確保既有鐵路行車安全，還可充分利用短天窗期進行施工作業(yè)，為以后類似工程提供借鑒。