楊 波，王海亮，褚夫蛟，周明聰，肖景鑫，張 棟

(1.中鐵二局集團(tuán)成都新技術(shù)爆破工程有限公司，成都 610031；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；4.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中，盾構(gòu)隧道間聯(lián)絡(luò)道的爆破對(duì)臨近盾構(gòu)隧道的影響一直是地下工程建設(shè)中的難點(diǎn)，盾構(gòu)隧道間聯(lián)絡(luò)道的爆破開挖難度大，干擾因素多，容易對(duì)隧道的穩(wěn)定性造成較大影響[1-2]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)隧道坍塌，進(jìn)而造成一系列嚴(yán)重的后果。因此，隧道爆破施工的穩(wěn)定性已經(jīng)引起諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注。翟富強(qiáng)[3]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，監(jiān)測(cè)新建隧道爆破施工對(duì)臨近隧道的影響指標(biāo)，驗(yàn)證了爆破振速和主振頻率兩項(xiàng)指標(biāo)在控制爆破施工全過程控制中的應(yīng)用可行性。黃小武等[4]通過模態(tài)分析地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)，研究了管片結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，得出地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)對(duì)低頻觸地振動(dòng)比較敏感?？禋g歡等[5]通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算的方法研究了平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出隧道爆破時(shí)的開挖進(jìn)尺對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性有較大影響。Dapeng Zhu等[6]采用數(shù)值模擬的方法分析了新建隧道對(duì)相鄰隧道的影響，得出新建引水隧洞使兩條隧洞之間圍巖的塑性區(qū)擴(kuò)大。V.K. Dang[7]使用有限元軟件Abaqus / Explicit分析了隧道混凝土襯砌和圍巖在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)，得出新隧道與爆破位置的距離越小，現(xiàn)有隧道的襯砌就越危險(xiǎn)。吳波等[8]通過數(shù)值模擬研究不同開挖方法、不同開挖進(jìn)尺、不同圍巖等級(jí)下爆破對(duì)隧道整體安全系數(shù)的影響。上述學(xué)者對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，但是對(duì)于聯(lián)絡(luò)道爆破施工對(duì)臨近盾構(gòu)隧道的影響分析和不同爆破位置對(duì)隧道管片穩(wěn)定性研究甚少。

本文針對(duì)盾構(gòu)隧道間聯(lián)絡(luò)道爆破開挖影響隧道穩(wěn)定性的問題，通過數(shù)值模擬建立聯(lián)絡(luò)道與隧道管片的數(shù)值模型，以聯(lián)絡(luò)道掌子面與隧道間不同距離L作為研究工況，獲取不同爆破位置對(duì)隧道管片穩(wěn)定性的影響。由此對(duì)盾構(gòu)隧道間聯(lián)絡(luò)道爆破開挖影響隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 項(xiàng)目概況

青島市地鐵8號(hào)線大洋站～青島北站區(qū)間連接北岸紅島高新區(qū)和青島東岸城區(qū)，穿越膠州灣海域。其中海域盾構(gòu)段2.9 km(泥水盾構(gòu)施工)，爆破施工包含6～8號(hào)聯(lián)絡(luò)通道，爆破作業(yè)段位于海域，平均水深4～8 m間變化，爆破周圍及地面無建(構(gòu))筑物、管線等重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。作業(yè)部位高程約-40 m，其上覆巖層主要為凝灰?guī)r，巖層上覆蓋層數(shù)不等的中粗砂、泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥等。

聯(lián)絡(luò)道爆破施工時(shí)，由于爆破施工部位離隧道盾構(gòu)安裝的管片較近，為防止爆破沖擊導(dǎo)致管片失穩(wěn)，要求不能損傷管片和使管片發(fā)生位移，鄰近管片部位不能采用爆破方式，須機(jī)械開挖。在聯(lián)絡(luò)道開挖初期，對(duì)開挖端隧道進(jìn)行了管片切割，先進(jìn)行矩形小斷面的開挖方式，以減小爆破對(duì)管片的沖擊，繼而矩形斷面擴(kuò)挖至拱形斷面。以8號(hào)聯(lián)絡(luò)道為例，聯(lián)絡(luò)道從盾構(gòu)隧道左洞始挖，其拱形斷面高4.9 m，寬4.5 m，爆破設(shè)計(jì)如圖1所示，相關(guān)爆破參數(shù)如表1所示。為了解聯(lián)絡(luò)道開挖對(duì)盾構(gòu)隧道管片的影響，需對(duì)爆破施工進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到在聯(lián)絡(luò)道爆破荷載作用下臨近隧道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 8號(hào)聯(lián)絡(luò)道炮孔布置

表1 聯(lián)絡(luò)道爆破參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模擬8號(hào)聯(lián)絡(luò)道爆破開挖情況，為得到較為全面的盾構(gòu)隧道管片動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，建立完整的隧道右洞管片模型，分別模擬拱形聯(lián)絡(luò)道掌子面距離右洞L=0、0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時(shí)爆破開挖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)聯(lián)絡(luò)道與盾構(gòu)隧道的關(guān)系以及所在區(qū)域的地質(zhì)情況，結(jié)合隧道管片結(jié)構(gòu)及配筋設(shè)計(jì)資料，建立有限元模型如圖2所示，并劃分網(wǎng)格，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高為35 m×30 m×22 m，除隧道外模型介質(zhì)均為微風(fēng)化凝灰?guī)r，建模所用材料參數(shù)如表2所示。

圖2 有限元模型

表2 模型所用材料參數(shù)

1)上覆靜荷載。8號(hào)聯(lián)絡(luò)道上部除微風(fēng)化凝灰?guī)r外還有中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥及海水，根據(jù)地質(zhì)剖面圖及各層位介質(zhì)的厚度、密度，通過公式P=ρgh(式中P為荷載；ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度；h為介質(zhì)厚度)計(jì)算得到模型上覆荷載為626.416 kPa。

2)爆破動(dòng)荷載。目前對(duì)隧道爆破振動(dòng)影響的研究中，關(guān)于爆破沖擊荷載的相關(guān)參數(shù)尚無較為完善的方法和理論加以確定。結(jié)合前人研究，采用目前應(yīng)用較為廣泛的三角形荷載方式來模擬爆破荷載時(shí)程曲線[9-10]，最大爆壓計(jì)算公式為

(1)

式中：Z為比例距離，Z=R/Q；R為爆心至荷載作用面的距離。

三角形荷載的時(shí)間計(jì)算公式為

(2)

(3)

結(jié)合隧道爆破方案，模擬計(jì)算聯(lián)絡(luò)道爆破開挖下的振動(dòng)響應(yīng)，由于周邊孔采用不耦合裝藥，會(huì)減弱炸藥爆炸對(duì)炮孔壁的沖擊，從而降低爆破荷載，因此荷載以1.6 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計(jì)算基礎(chǔ)，模擬所采用的爆破荷載時(shí)程曲線如圖3所示，所建荷載均勻施加在開挖輪廓面上。

圖3 聯(lián)絡(luò)道爆破荷載時(shí)程

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 主應(yīng)力分析

提取不同爆破工況下隧道右洞管片的最大、最小主應(yīng)力，以0 m距離為例，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 最大主應(yīng)力云圖

圖5 最小主應(yīng)力云圖

從圖5中可以看出，主應(yīng)力的極值主要分布在管片迎爆側(cè)，且在聯(lián)絡(luò)道開挖范圍內(nèi)。由于開挖范圍內(nèi)的管片需要切除，因此以開挖范圍外所受到的最大、最小主應(yīng)力作為研究對(duì)象，提取最大數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 管片主應(yīng)力變化

由圖6可知，隨著距離的增大隧道管片所受的應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，由于管片混凝土采用C55等級(jí)，內(nèi)置HPB300鋼筋(屈服強(qiáng)度為300 MPa)，只有當(dāng)距離為0時(shí)，應(yīng)力遠(yuǎn)超管片混凝土強(qiáng)度。當(dāng)距離為0.5 m時(shí)，最大主應(yīng)力為50.19 MP，而最小主應(yīng)力僅為28.42 MPa，此時(shí)管片所受應(yīng)力小于其強(qiáng)度。由此可知當(dāng)開挖掌子面與管片有一定距離時(shí)，中間的巖石可當(dāng)作緩沖層，從而減小爆破對(duì)管片的沖擊。從數(shù)據(jù)上看，聯(lián)絡(luò)道爆破開挖掌子面最終位置與管片距離應(yīng)大于0 m。

2.2.2 螺栓應(yīng)力分析

結(jié)合上述結(jié)論，提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時(shí)，管片間螺栓的軸向應(yīng)力。由于管片連接所用螺栓材質(zhì)均采用316L不銹鋼，螺栓根據(jù)《緊固件機(jī)械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.6-2014)[11]選擇A4L-80P等級(jí)，經(jīng)查表得到此類螺栓屈服強(qiáng)度最小為170 MPa。以此為參照，獲取不同距離下螺栓爆破響應(yīng)的安全性。以L=0.5 m為例，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。所有工況下開挖斷面外的螺栓應(yīng)力情況如圖8所示。

圖7 螺栓軸應(yīng)力云圖(L=0.5 m)

圖8 軸向應(yīng)力變化

對(duì)圖8中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到距離L與開挖輪廓外的最大軸向應(yīng)力σ軸間的關(guān)系式：

σ軸=-49.474L+240.58(r2=0.996 9)

(4)

由式(4)可知，數(shù)值模擬所得到的軸線最大應(yīng)力與距離L幾乎呈線性關(guān)系。由于螺栓的屈服強(qiáng)度為170 MPa，代入公式(4)可得到臨界距離L≈1.43 m。因此，在聯(lián)絡(luò)道爆破開挖輔助孔最大一次齊爆藥量為1.6 kg時(shí)，掌子面與隧道管片距離不小于1.43 m，管片連接螺栓是安全的。

2.2.3 管片位移

提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時(shí)管片間的接觸位移，以L=0.5 m為例，模擬結(jié)果如圖9所示，所有工況下聯(lián)絡(luò)道開挖輪廓外的最大管片相對(duì)位移如圖10所示。

圖9 管片相對(duì)位移云圖(L=0.5 m)

圖10 管片相對(duì)位移

對(duì)圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可得到距離L與開挖輪廓外的最大相對(duì)位移Δx間的關(guān)系式：

Δx=0.188 3L2-1.175 9L+4.178 8

(r2=0.974 8)

(5)

由式(5)可知，輪廓外管片間的最大相對(duì)位移與距離L呈2次多項(xiàng)式關(guān)系。從圖10中亦可看出聯(lián)絡(luò)道掌子面與管片距離不大于1 m時(shí)，管片在爆破振動(dòng)作用下產(chǎn)生的相對(duì)位移大于3 mm。由上述分析得知要保持管片連接螺栓的穩(wěn)定，掌子面與管片的距離不小于1.43 m，將此值帶入式(5)中，得到此時(shí)的管片相對(duì)位移為2.88 mm。由此可知當(dāng)爆破振動(dòng)導(dǎo)致的管片相對(duì)位移不大于2.88 mm時(shí)，盾構(gòu)隧道管片是相對(duì)穩(wěn)定的。

2.2.4 爆破振動(dòng)

以隧道內(nèi)水平距離開挖爆心3 m處作為監(jiān)測(cè)對(duì)象(見圖11)，通過數(shù)值模擬提取此位置處的三向最大振速，建立振速與距離L的關(guān)系如圖12所示。

圖11 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖12 最大振速

從圖12中可以看出，測(cè)點(diǎn)振速隨著距離L的增大呈減小趨勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到最大振速v與距離L的關(guān)系式：

v=-2.645 3L3+17.093L2-36.757L+62.461

(r2=0.996 1)

(6)

結(jié)合上述分析得到的安全距離1.43 m，帶入式(6)得到此時(shí)的振速v=37.09 cm/s。根據(jù)爆破安全規(guī)程[12]，交通隧道爆破最大安全振速為20 cm/s，此時(shí)的振速明顯超過爆破安全規(guī)程規(guī)定的安全振速，但從對(duì)螺栓應(yīng)力和管片位移的分析結(jié)論可知，螺栓強(qiáng)度和管片位移均在安全允許范圍內(nèi)，雖然振速大于規(guī)程數(shù)據(jù)，管片仍然是安全穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

1)通過數(shù)值模擬得到了在L=0 m時(shí)，爆破對(duì)管片的沖擊應(yīng)力超過了管片強(qiáng)度，可知此工況下聯(lián)絡(luò)道爆破開挖對(duì)管片的穩(wěn)定性十分不利。因此不考慮零距離接觸爆破。

2)提取L=0 、0.5 、1.0 、1.5 、2.25 、3.0 m時(shí)管片連接螺栓的軸向應(yīng)力，并建立距離L與螺栓軸向應(yīng)力σ軸的相互關(guān)系，以螺栓屈服強(qiáng)度170 MPa作為臨界點(diǎn)，得到當(dāng)距離L不小于1.43m時(shí)，螺栓是安全穩(wěn)定的。由于分析是在最大一次齊爆藥量為1.6 kg的工況下進(jìn)行的，而若藥量降低，爆破荷載則會(huì)減小，安全距離L也會(huì)隨之減小。

3)提取管片間相對(duì)位移Δx并建立與距離L間的關(guān)系，將分析螺栓應(yīng)力得到的臨界距離L帶入管片相對(duì)位移的關(guān)系式，得到了此時(shí)的管片位移為2.88 mm，由此可知當(dāng)爆破導(dǎo)致的管片相對(duì)位移不大于2.88 mm時(shí)，管片是相對(duì)穩(wěn)定的。

4)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行分析，以水平爆心距3 m作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取不同工況下此點(diǎn)的三向最大振速，通過分析得到當(dāng)安全距離為1.43 m時(shí)最大振速約為37.09 cm/s，這時(shí)的振速雖然超過了爆破安全規(guī)程的規(guī)定，但螺栓強(qiáng)度和管片位移都符合安全規(guī)程的要求，施工質(zhì)量可以得到保證，管片依然安全穩(wěn)定。