洪祥水，宗 輝，陳 佳，符瞻遠

(1.浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

0 引言

近年來，隨著交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，新建隧道里程數(shù)逐年增多，受地形、地質(zhì)條件的限制，新建隧道可能近距離上穿或下穿既有隧道。新建隧道爆破會對鄰近既有隧道造成影響，引起襯砌結(jié)構(gòu)開裂、附屬構(gòu)造物脫落、影響行車安全等問題，因此，優(yōu)化新建隧道爆破設(shè)計方案、降低對既有隧道結(jié)構(gòu)和行車安全的影響至關(guān)重要。

李軍等[1]的研究表明，襯砌允許安全振動速度與振動頻率具有密切關(guān)系。苗培乾[2]計算了鄰近鐵路構(gòu)筑物與隧道之間的最近距離、爆破飛石飛散的安全距離，并分析了二者的關(guān)系。吳忠仕等[3]將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比，分析了爆破作用下結(jié)構(gòu)振動速度和應力。汪波等[4]研究了爆破對既有病害隧道動力響應的影響。張立人等[5]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進行隧道爆破振動測試分析，獲得爆破振動規(guī)律經(jīng)驗公式。劉曉敏等[6]通過數(shù)值仿真分析及現(xiàn)場試驗等，研究了上下層疊近接隧道施工規(guī)律,優(yōu)化了整體開挖方案，研發(fā)了包括減振爆破、注漿加固等工藝在內(nèi)的極小凈距隧道后行洞開挖技術(shù)。吳波等[7]、伍海龍等[8]、魯嘯龍等[9]使用FLAC3D有限差分軟件對平行近接隧道爆破進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，靜力開挖對既有隧道的影響較小，位移-主應力曲線呈S形規(guī)律性變化。施有志等[10]、劉敦文等[11]、劉唐利等[12]、陳慶章等[13]、李鳳等[14]采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立雙隧道模型，模擬了鄰近隧道爆破對既有隧道的影響，研究結(jié)果表明，受臨空面隔振影響，未開挖區(qū)域振動速度略大于已開挖隧道后方區(qū)域。孫西濛等[15]針對爆破振動危害提出了控制措施。吳躍光[16]通過采取增加雷管段位、延長爆破時間、減少掏槽眼數(shù)量和裝藥量、減少同段裝藥量等優(yōu)化措施，降低爆破振動速度。上述研究主要分析爆破振動對周邊結(jié)構(gòu)動力響應的影響，對于近距離隧道，需進行有針對性的分析。

1 工程概況

新建畢浦隧道長370m，設(shè)計速度60km/h，與既有畢浦隧道間距僅17～26m，距洞口南側(cè)108m為S208省道。隧道進出口交叉路分別為油嶺線及俞畢線，建成后將與S208省道共同構(gòu)成雙線交通形態(tài)，采用鉆爆法施工，根據(jù)炮眼布置進行定位打眼，確保周邊眼、掏槽眼位置和角度準確。

2 爆破預設(shè)計方案

隧道進洞52m后進入IV級圍巖，埋深逐漸變大，采用預留上、下臺階法開挖。通過MIDAS軟件建立有限元模型(見圖1，2)，考慮數(shù)值模型邊緣至少為4倍洞徑，模型長100m，寬134m，高度結(jié)合實際地形變化取為60～70m，埋深由洞口向洞內(nèi)逐漸增大。隧道襯砌及錨桿采用彈性本構(gòu)模型模擬，共劃分約10萬個單元。x向為水平縱向，y向為水平橫向，z向為豎直方向。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 新建隧道與既有隧道模型

上臺階爆破方案中，最大單段裝藥量為36kg，對應底板眼爆破段；一級掏槽眼6個，二級掏槽眼8個，孔深1.7m，單段總裝藥量8.4kg。因此，劃分為A，B工況進行模擬，其中，工況A為按底板眼控制，即按最大單段裝藥量考慮；工況B為按一級掏槽眼控制，即按單段總裝藥量考慮。

3 計算結(jié)果分析

3.1 工況A

計算得到工況A下結(jié)構(gòu)整體振動速度云圖如圖3所示。由圖3可知，爆心最大振動速度達2 421cm/s。由于底板眼主要向豎直方向釋放能量，振動效應顯著，使地表振動速度達20cm/s。

圖3 工況A下結(jié)構(gòu)整體振動速度云圖(單位：cm·s-1)

計算得到工況A下既有隧道振動速度云圖如圖4所示。由圖4可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為8.729 6，2.310 3，1.185 1cm/s，可知爆破應力波對既有隧道x向振動的影響最大，y向次之，z向最小，即底板眼爆破時，既有隧道以水平縱向振動為主，這與底板眼作用位置有關(guān)。計算得到工況A下既有隧道整體最大振動速度為10.305cm/s，小于限值要求(12cm/s)。

圖4 工況A下既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

3.2 工況B

計算得到工況B下結(jié)構(gòu)整體振動速度云圖如圖5所示。由圖5可知，工況B下裝藥量雖較小，但爆破引起的結(jié)構(gòu)振動速度較大，爆心最大振動速度達8.426m/s，地表振動速度同樣達20cm/s。

圖5 工況B下結(jié)構(gòu)整體振動速度云圖(單位：m·s-1)

計算得到工況B下既有隧道振動速度云圖如圖6所示。由圖6可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為5.381，11.680，1.798cm/s，可知爆破應力波對既有隧道y向振動的影響最大，x向次之，z向最小，即掏槽眼爆破時，既有隧道以水平橫向振動為主。計算得到工況B下既有隧道整體最大振動速度為12.74cm/s，大于限值要求(12cm/s)，需進行爆破方案優(yōu)化。

圖6 工況B下既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

4 爆破方案優(yōu)化

4.1 減小最大單段裝藥量

由GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動安全允許距離公式可知，可通過減小炸藥量(延時爆破為最大單段裝藥量)控制既有隧道振動速度。目前，普遍采用減小最大單段裝藥量、縮短循環(huán)進尺和設(shè)置合理的微差時間降低爆破振動對相鄰結(jié)構(gòu)的影響?？紤]本工程緊鄰既有隧道，縮短循環(huán)進尺影響工期和施工成本。因此，通過增加爆破段的方式減小最大單段裝藥量，在不影響工期的情況下，保證既有隧道安全。

1)底板眼優(yōu)化

爆破預設(shè)計方案中，底板眼段共20個，最大單段裝藥量為36kg。將底板眼段分為2段爆破，使最大單段裝藥量變?yōu)?8kg。底板眼優(yōu)化后的既有隧道振動速度云圖如圖7所示。由圖7可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為1.715，0.841，0.094cm/s，較工況A大幅減小。

圖7 底板眼優(yōu)化后既有隧道振動速度云圖(單位：mm·s-1)

2)掏槽眼優(yōu)化

爆破預設(shè)計方案中，一級掏槽眼共6個，單段總裝藥量8.4kg。將一級掏槽眼減少為4個，并適當調(diào)整間距和角度，將二級掏槽眼增至10個，將一、二級掏槽眼均分為2個爆破段。掏槽眼優(yōu)化后的既有隧道振動速度云圖如圖8所示。由圖8可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為2.633，2.361，1.185cm/s，可知x，y向振動速度較工況B大幅減小。

圖8 掏槽眼優(yōu)化后既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

4.2 減振控制

爆破預設(shè)計方案中，采用毫秒導爆管雷管延期爆破，且不同類型炮眼先后順序不同。毫秒爆破在一定程度上降低了最大起爆藥量，將炸藥能量在時間上進行了分散，如果延期時間過長，雖可使降振效果得到改善，但巖石破碎效果差；如果延期時間過短，將無法控制炸藥能量的合理分布，導致振動較大，嚴重影響施工安全。因此，需控制合理的延期時間，以達到良好的爆破效果。

由于電子雷管可精確控制各炮眼起爆時間，進行隧道爆破施工時，采用以下方法進行減振控制：①利用相鄰應力波錯峰減振性質(zhì)進行控制，理想情況下，認為相鄰炮眼產(chǎn)生的應力波主振相幅值和頻率相近，當相鄰炮眼延期時間Δt=T/2(T為波形主振相周期)時，可使應力波波峰與波谷相遇，降低爆破對被保護建筑的危害。由于不同類型炮眼爆破參數(shù)不同，因此需分別設(shè)置相應的延期時間，實現(xiàn)逐孔起爆，確保相鄰炮眼應力波單獨作用于開挖巖體。②設(shè)置相鄰炮眼延期時間Δt>T，即人為錯開相鄰應力波主振相。爆破應力波屬于非平穩(wěn)信號，其瞬時頻率時刻發(fā)生變化，無法準確判斷應力波主振相周期。增加相鄰炮眼延期時間，可有效避免應力波發(fā)生主振相疊加，使爆破振動強度明顯降低。如果延期時間過長，各炮眼獨立起爆，失去微差爆破意義，巖石破碎效果較差。因此，實際施工過程中，需兼顧巖石破碎效果和減振控制效果。

1)Δt=T/2

設(shè)置延期時間Δt=T/2時，計算得到既有隧道振動速度云圖如圖9所示。由圖9可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為4.441 9，9.117 8，1.542 7cm/s，均較工況B小。

圖9 Δt=T/2時既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

2)Δt=T

設(shè)置延期時間Δt=T時，計算得到既有隧道振動速度云圖如圖10所示。由圖10可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振動速度分別為4.164 3，8.548 0，1.349 9cm/s，均較工況B小。

圖10 Δt=T時既有隧道振動速度云圖(單位：cm·s-1)

5 結(jié)語

1)通過增加爆破段，并調(diào)整炮眼數(shù)量、間距、角度等，達到減小最大單段裝藥量的目的，進而大幅減小既有隧道振動速度。

2)如果通過分段優(yōu)化處理后，仍存在安全風險，可采用毫秒導爆管雷管延期爆破，且需控制合理的延期時間，以達到良好的爆破效果。

3)可利用相鄰應力波錯峰減振性質(zhì)及人為錯開相鄰應力波主振相的方式，進行減振控制。實際施工過程中，需兼顧巖石破碎效果和減振控制效果。