明勝，楊龍，袁超

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路以及公路隧道的建設(shè)在我國西南等多山地區(qū)越來越普遍，由此帶來新建隧道與鄰近既有隧道相互位置關(guān)系所帶來的施工安全性問題。由于山嶺隧道多采用鉆爆法開挖，在新建隧道的爆破開挖過程中容易對鄰近既有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，從而對隧道的運(yùn)營產(chǎn)生威脅，因而如何對爆破開挖的影響進(jìn)行分析并進(jìn)一步控制優(yōu)化爆破方案就顯得尤為重要。目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析以及數(shù)值模擬等方法對隧道爆破開挖下鄰近既有隧道的動態(tài)響應(yīng)問題進(jìn)行研究[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元、有限差分等方法被廣泛運(yùn)用于工程實(shí)際的研究分析，文中通過構(gòu)建三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，分析隧道爆破開挖時(shí)，鄰近隧道的振動響應(yīng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，以滿足隧道的振動安全要求。

1 工程概況

某新建隧道全長675m，擬全線采用鉆爆法開挖，路線上跨既有鐵路隧道，最近垂直距離僅9.9m，新建隧道的爆破開挖勢必對既有隧道的安全存在顯著的影響，因而需要對新建隧道的爆破開挖對既有隧道的影響進(jìn)行評估。若既有隧道所受影響過大，則須對爆破方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以滿足全線采用鉆爆開挖方案的要求，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。隧道平面位置圖，如圖1 所示。

圖1 隧道平面位置圖

2 爆破方案

隧道爆破為配合新奧法施工方案，依據(jù)巖石裂隙發(fā)育程度、軟硬等情況，分別采用全斷面、臺階法開挖方法，并對周邊孔進(jìn)行光面爆破。隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖的開挖采用光面爆破，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的開挖采用控制爆破，盡量減少對圍巖的擾動；Ⅱ級、Ⅲ級圍巖段采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用臺階法施工。明洞與暗洞交接處7m 范圍開挖至隧道上斷面標(biāo)高，作為隧道進(jìn)洞施工平臺。在隧洞進(jìn)出洞口處的明挖部分依據(jù)地質(zhì)報(bào)告主要為巖土風(fēng)化層采用機(jī)械開挖。

爆破采用氣腿式風(fēng)鉆打孔，炮孔直徑42mm，周邊孔（預(yù)裂爆破炮孔和光面爆破炮孔）采用間隔裝藥，即將炸藥卷按設(shè)計(jì)間隔距離捆梆在竹片（條）上并全長貫穿導(dǎo)爆索，孔底略增加藥量，采用正向起爆。其余炮孔均采用連續(xù)不耦合裝藥，（必要時(shí)可采用耦合裝藥），采用反向起爆，并采用孔內(nèi)延期。

現(xiàn)場爆破炮孔布置如圖2 所示，主要爆破參數(shù)如表1 所示。

圖2 炮孔布置示意圖（單位：mm）

表1 爆破參數(shù)

3 新建隧道爆破開挖對既有隧道影響的數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析方法已成為求解科學(xué)技術(shù)問題的主要工具。近幾十年來，有限單元法的應(yīng)用已由平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力學(xué)平衡問題擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)，傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。分析采用有限元分析法，建立1:1 隧道三維數(shù)值模型，探究新建隧道鉆孔爆破作用下，臨近既有隧道的圍巖動態(tài)響應(yīng)及振動特征。

模型尺寸為420m×240m×100m（長×寬×高），如圖3 所示，包含新建隧道與既有隧道的典型區(qū)段，模型采用實(shí)體單元solid164 建立，共劃分80 萬單元，單元最大尺寸10m，最小尺寸0.5m。

圖3 隧道實(shí)體模型

進(jìn)行動力計(jì)算時(shí)，達(dá)到靜力平衡后將速度場清零，模型頂面設(shè)置為自由邊界，地面為法向約束邊界。其余側(cè)面均設(shè)為粘滯無反射邊界。粘滯邊界是通過在邊界的垂直方向和水平方向上設(shè)置獨(dú)立粘壺以吸收模型內(nèi)部的入射波。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 材料模型與參數(shù)

由于不考慮爆破對巖體近區(qū)的爆炸破壞效應(yīng)，模型采用線彈性本構(gòu)關(guān)系來描述巖體和混凝土的力學(xué)行為，模型范圍內(nèi)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，根據(jù)平洞揭示，均為V 級圍巖。各類材料物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 各類材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 爆炸荷載模擬

在動力計(jì)算中，動荷載的輸入可以采用加速度時(shí)程、速度時(shí)程、位移時(shí)程、應(yīng)力時(shí)程4 種方式。為預(yù)測真實(shí)爆炸荷載作用下既有隧道的影響，爆炸荷載采用真實(shí)爆炸壓力時(shí)程作用荷載，爆炸荷載作用于同排炮孔連線上。

不考慮雷管巖石誤差的情況下，炮孔遠(yuǎn)區(qū)的單炮孔爆炸荷載作用時(shí)程曲線更為接近三角形荷載作用曲線，如圖4 所示，根據(jù)大尺寸混凝土材料的爆破試驗(yàn)結(jié)果[4]，當(dāng)炮孔直徑為42mm，乳化炸藥藥卷直徑為32mm 時(shí)，炮孔外在碎裂/完整臨界界面上，裝藥長度為1m 左右時(shí)，爆炸荷載的加載時(shí)間大致為0.3ms，卸載時(shí)間大致為1.2ms，荷載峰值大致為60MPa。

圖4 炮孔連線作用面上爆炸荷載作用模型

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，隧洞采用臺階法分三步開挖。一般而言，爆破振動的大小與最大單段藥量有關(guān)，而分步開挖輪廓面上炮孔數(shù)量最大，總的炮孔裝藥量最多，為模擬爆破產(chǎn)生的最大影響，可將爆炸荷載分多次分別垂直施加在隧道斷面的不同位置，每次荷載間隔時(shí)間500ms，以減少不同段別炮孔的相互影響，荷載作用如圖5 所示。

圖5 爆炸荷載作用位置

根據(jù)爆破方案，采用單次掘進(jìn)1.5m 進(jìn)尺，1.6m 孔深，爆炸荷載強(qiáng)烈影響深度約為1.8m，第一次起爆（MS1）加載斷面輪廓線長度約為6.2m，第二次起爆（MS2）加載截面輪廓線長度約為14.5m，第三次（MS3）加載界面輪廓線長度約為21.6m，第四次（MS4）加載截面輪廓線長度約為16.3m，第五次（MS5）加載截面輪廓線長度約為11.4m。根據(jù)炮孔間距及單孔與單孔藥量考慮，第一次起爆藥量約為8.8kg，第二次起爆藥量約為17.6kg，第三次起爆藥量約為18.6kg，第四次起爆藥量約為15.8kg，第五次起爆藥量約為11.0kg。

3.2.3 既有隧道測點(diǎn)布置

新建隧道爆破開挖時(shí)，兩隧道平面交叉位置距離最近，平面最近距離約為9.9m，既有隧道所受影響最大，故選取此典型斷面既有隧道的圍巖及襯砌相關(guān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，對既有隧道的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，并對爆破施工方案進(jìn)行優(yōu)化控制，得到全段隧道爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。既有隧道襯砌監(jiān)測點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 既有隧道典型斷面測點(diǎn)布置

4 原爆破方案下既有隧道圍巖動態(tài)響應(yīng)

4.1 洞壁測點(diǎn)振動速度特征

相關(guān)研究表明，隨著地震波的傳播，質(zhì)點(diǎn)振動主頻在逐步衰減[5]，項(xiàng)目由于既有隧道離爆破位置較近，實(shí)際主頻大于50Hz，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動速度最大不超過20cm/s。

既有隧道典型斷面襯砌測點(diǎn)在爆破地震波到達(dá)后，測點(diǎn)出有限元節(jié)點(diǎn)的X，Y，Z，3個(gè)方向的速度迅速增大，并達(dá)到峰值。隨后經(jīng)多次振動后發(fā)生衰減，爆破荷載施加結(jié)束0.2s 后，襯砌的質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減至0左右。既有隧道振動數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 爆破時(shí)既有隧道典型斷面處襯砌振動速度 cm/s

計(jì)算結(jié)果表明，既有隧道典型斷面不同測點(diǎn)處的單個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值約為1.52～40.78cm/s，垂直方向振動速度最大。該典型斷面處的爆破振動速度已超過規(guī)范規(guī)定的最大值，采用原爆破方案進(jìn)行鉆爆施工極易對既有隧道襯砌產(chǎn)生破壞，故應(yīng)對原爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)降低最大單段藥量，必要時(shí)采用非爆破開挖。

新建隧道上跨既有隧道時(shí)，爆破開挖左右下，既有隧道洞頂襯砌所受影響最大，質(zhì)點(diǎn)振動速度最大可達(dá)40.78cm/s，同時(shí)，其振動速度的全歷程演化與爆破開挖階段緊密相關(guān)，掏槽孔爆破時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度最小，隨著臺階爆破的進(jìn)行，爆破藥量逐漸增大，使得質(zhì)點(diǎn)振動速度越大，下部巖體及底部巖體由于距離既有隧道較近，其影響也更為顯著。根據(jù)圖7 的3 號測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度的演化規(guī)律，質(zhì)點(diǎn)反向速度大于正向速度，即質(zhì)點(diǎn)向隧道內(nèi)部的振動速度更大，外部由于圍巖的限制左右，相對振動速度較小。

圖7 3 號測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度時(shí)程曲線（z 方向）

4.2 隧道襯砌應(yīng)力應(yīng)變分析

新建隧道爆破過程中，隨著離既有隧道的距離逐漸減小，并伴隨著炸藥當(dāng)量的逐漸增大，既有隧道襯砌頂部峰值應(yīng)力應(yīng)變逐漸增大，在底孔（MS4）爆破時(shí)取得最大值，最大拉應(yīng)力為0.32MPa，最大壓應(yīng)力為0.4MPa，最大拉應(yīng)變值為24.93με，最大壓應(yīng)變?yōu)?3.73με，應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)上保持同步，隨著爆炸荷載的作用，襯砌應(yīng)力應(yīng)變迅速增大至最大值，然后相對緩慢震蕩直至歸零。在性質(zhì)上，整個(gè)爆破過程中，壓應(yīng)力峰值大于拉應(yīng)力峰值，但拉應(yīng)變峰值大于壓應(yīng)變峰值，且應(yīng)力應(yīng)變的演化趨勢與振動速度保持一致，兩者存在協(xié)同效應(yīng)，如圖8 所示?？傮w而言，整個(gè)爆破過程中，既有隧道襯砌的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變值均低于混凝土的極限強(qiáng)度，既有隧道不存在結(jié)構(gòu)性的破壞。

圖8 原爆破方案下3 號測點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程曲線

5 優(yōu)化方案下既有隧道圍巖動態(tài)響應(yīng)

根據(jù)原爆破方案，兩隧道距離最近點(diǎn)出的計(jì)算結(jié)果，襯砌結(jié)構(gòu)上的最大振動速度到了40.78cm/s，因此采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，無法滿足兩隧道交叉段的爆破振動控制要求。因此需要通過對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，使得整個(gè)隧道均可以采用爆破方式開挖，提高效率，節(jié)約成本。

相關(guān)研究表明，隧道爆破振動主要與爆破時(shí)最大單段藥量有關(guān)，故爆破方案的優(yōu)化要點(diǎn)在于最大單段藥量的控制。經(jīng)驗(yàn)算，同時(shí)起爆炮孔數(shù)目為4個(gè)時(shí)，即最大單段起爆藥量為3.2kg 時(shí)，爆破振動可控制在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，優(yōu)化爆破方案下既有隧道襯砌振動速度如表4 所示。

表4 既有隧道典型斷面襯砌振動速度cm/s

圖9 優(yōu)化方案下3 號測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度時(shí)程曲線

同時(shí)，在全歷程的鉆孔爆破過程中，最大拉應(yīng)力為0.15MPa，最大壓應(yīng)力為0.17MPa，最大拉應(yīng)變?yōu)?0.81με，最大壓應(yīng)變?yōu)?.09με，相比較原方案均有顯著的降低，同時(shí)在應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程曲線上，表現(xiàn)為多段小峰值波形的疊加，曲線相對平滑，應(yīng)力應(yīng)變曲線在形態(tài)上依舊保持較好的同步性，最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)變依舊大于最大壓應(yīng)變，表明在應(yīng)力應(yīng)變演化趨勢上與原爆破方案一致，但應(yīng)力應(yīng)變與振動速度的協(xié)同性有所降低，表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變的最大值與振動速度最大值出現(xiàn)的時(shí)間與位置的差異，如圖10 所示。整體上在控制最大單段藥量的優(yōu)化爆破方案下，進(jìn)一步減小了爆破過程中的應(yīng)力波，新建隧道對既有隧道圍巖的影響得到了有效控制。

圖10 優(yōu)化爆破方案下3 號測點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程曲線

6 結(jié)語

基于有限元數(shù)值模型計(jì)算，對項(xiàng)目新建隧道鉆爆法開挖對鄰近既有隧道的影響分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)采用原鉆爆法方案開挖時(shí)，既有隧道襯砌振動速度最大可達(dá)40.78cm/s，超過了規(guī)范規(guī)定的最大值，會對既有隧道產(chǎn)生損傷，若隧道全段擬采用鉆爆法開挖，則需對原爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬測算，在裝藥結(jié)構(gòu)及單孔藥量不變的情況下，當(dāng)采用單段炮孔數(shù)量為4個(gè)，最大單段藥量為3.2kg 的優(yōu)化爆破方案時(shí)，爆破振動速度最大值約為15.94cm/s，滿足規(guī)范規(guī)定的振動速度最大值，其對隧道的影響在可控范圍內(nèi)。

（3）隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)采用鉆爆法進(jìn)行隧道施工時(shí)，新建隧道對既有隧道的影響可通過數(shù)值模擬計(jì)算等方式對爆破方案進(jìn)行評估以及優(yōu)化，以滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。