許建凱，王 保，劉賜文，楊先奎，龍立敦，李少方，李浩然

(1.貴州甕開高速公路發(fā)展有限公司，貴州 貴陽 550306；2.中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511466;3.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650501;4.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550001)

隧道爆破施工的振動(dòng)荷載會(huì)對鄰近設(shè)施或建筑物產(chǎn)生影響。特別地，當(dāng)隧道爆破施工與鄰近工程存在交叉施工時(shí)，如若不采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?huì)對鄰近工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響，產(chǎn)生一系列安全隱患，對鄰近工程施工安全帶來極大的威脅。隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，公路隧道的數(shù)量日益增加，隧道已經(jīng)成為了一種必不可少基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施。隧道錨作為懸索橋的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)體系，其主要功能是對懸索進(jìn)行錨固。由于一些特殊地形限制，會(huì)出現(xiàn)橋隧相連接的情況，尤其當(dāng)遇到在懸索橋與隧道連接的地方，隧道的開挖與開設(shè)的隧道錨之間會(huì)存在相互影響。錨塞體作為懸索橋的4大部件之一，其安全性十分關(guān)鍵[1]，在某些情況下，由于地形的限制，隧道與隧道錨的間距不滿足爆破規(guī)范要求時(shí)，在隧道開挖的時(shí)候，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對隧道錨的圍巖產(chǎn)生影響，影響隧道錨安全正常地工作。

劉新榮，肖宇[2]等開展了隧道錨與下穿隧道間相互影響規(guī)律的1∶100室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，得出了錨塞體沉降主要由下穿隧道先行洞開挖導(dǎo)致。于建新[3]等人采用LS-DYNA顯式動(dòng)力數(shù)值模擬方法，開展近距離隧道爆破施工的相互影響研究，研究結(jié)果表明：藥量增大、凈距減小、跨度減小均會(huì)在一定程度上引起既有隧道內(nèi)振速的增大。李巖松[4]等在考慮圍巖產(chǎn)狀影響的條件下利用薩道夫斯基爆破經(jīng)驗(yàn)公式對老龍山隧道附近既有建筑的爆破影響進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：爆破振速沿地層產(chǎn)狀垂直方向傳播時(shí)比沿平行方向傳播時(shí)大，爆破振動(dòng)點(diǎn)距離建筑物越近這種趨勢越明顯。大量學(xué)者利用有限元法對包括下部公路隧道施工、隧道錨開挖、澆注、預(yù)應(yīng)力施加、掛纜等全部工序進(jìn)行了模擬，研究其他建筑物對已建成隧道錨或者隧道錨的開挖對既有建筑物的相互影響[5- 8]。

通過上述結(jié)論得出，目前研究大部分著重于隧道爆破施工對已修建建筑物的影響，但是對于在建工程項(xiàng)目的影響研究仍然缺乏，特別是對于隧道爆破施工與在建工程項(xiàng)目存在交叉施工的情況的研究甚少。為了研究隧道爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)對于在建的交叉施工項(xiàng)目圍巖穩(wěn)定性的影響，本文依托開州湖大橋隧道錨與四坪隧道工程，建立有限元模型分析在四坪隧道與開州湖大橋隧道錨交叉施工段，四坪隧道協(xié)同施工時(shí)爆破振動(dòng)對在建隧道錨的影響。

1 工程概況

按設(shè)計(jì)要求，開州湖特大橋開陽岸隧道錨需在下方四坪隧道二襯施工完成后方可開始施工，然而開州湖特大橋?yàn)楫Y開高速項(xiàng)目控制性工程，也是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵工作，其完成時(shí)間制約著全線建成投運(yùn)的時(shí)間。因此，按常規(guī)施工順序，開州湖特大橋最終完工的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破項(xiàng)目總工期。為滿足項(xiàng)目總工期要求，本方案中采取開州湖特大橋開陽岸隧道錨與四坪隧道同步協(xié)同施工的方式進(jìn)行，即隧道錨隧洞開挖支護(hù)工作與四坪隧道進(jìn)口段(隧道進(jìn)口至橫洞段)同步施工，待隧道錨下方隧道段(K36+755～K36+827)二襯施工完畢且穩(wěn)定后方進(jìn)行隧道錨錨塞體砼澆筑施工。

隧道錨隧洞開挖支護(hù)與處于隧道錨下方的隧道段同步施工過程中，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，尤其是針對隧道及隧道錨間的巖體進(jìn)行巖溶、溶蝕裂隙、破碎、節(jié)理等不良地質(zhì)探測，并根據(jù)探測結(jié)果，研究制定專門爆破方案，認(rèn)真測算上下作業(yè)點(diǎn)間的間距、圍巖條件等，采用控制爆破技術(shù)，進(jìn)行試爆，測試震動(dòng)值，嚴(yán)格爆破震動(dòng)，減少上下同時(shí)施工對彼此的影響。此外，在施工過程中，除進(jìn)行爆破震動(dòng)值監(jiān)測外，同時(shí)加強(qiáng)隧道及隧道錨隧洞圍巖變形及內(nèi)力監(jiān)測，確保圍巖應(yīng)力應(yīng)變在安全范圍內(nèi)。協(xié)同施工示意圖如圖1所示。

圖1 協(xié)同施工示意圖

1.1 工程地質(zhì)

1.2 水文地質(zhì)

場區(qū)屬長江流域?yàn)踅担瑘鰠^(qū)進(jìn)口東側(cè)530m處為洛旺河自北向南流；隧道出口西側(cè)900m處發(fā)育小型河流，寬1.5～3.2m，水深0.5～1.6m。場區(qū)地下水類型第四系松散裂隙水、基巖中風(fēng)化裂隙水、巖溶裂隙水。松散裂隙水賦存于第四系松散土層內(nèi)，水量小；基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙內(nèi)，水量小。

2 施工技術(shù)及施工流程

2.1 四坪隧道施工總體方案

四坪隧道包含橫洞、分離式隧道段、小凈距段、極小凈距段、超小凈距、連拱段及進(jìn)出口洞口明洞及邊仰坡施工。

(1)橫洞開挖采用新奧法施工，Ⅴ、Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖。

(2)隧道超小凈距Ⅳ級圍巖段左右洞均采用三臺階法開挖。(極小凈距Ⅳ級圍巖隧道左右洞采用上下臺階法開挖。小凈距Ⅳ級圍巖段左右洞均采用臺階法開挖。

(3)連拱隧道段采用新奧法原理施工，施工中先開挖貫通中導(dǎo)洞，澆筑中隔墻混凝土，然后開挖主洞，最后進(jìn)行全斷面二襯襯砌的施做。Ⅴ級圍巖段采用三臺階預(yù)留核心土法或三臺階+臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖，Ⅳ級圍巖段采用上下臺階法施工，后行洞(右洞)上斷面開挖須在先行洞(左洞)仰拱施工后再進(jìn)行，且先行洞(左洞)與后行洞(右洞)上斷面開挖距離不小于30m。

(4)隧道明洞段采用明挖法施工，在確保洞口邊坡穩(wěn)定的條件下，就地全段面整體模筑鋼筋混凝土，暗洞均采用新奧法施工，主要工序采用機(jī)械化作業(yè)，隧道出渣采用無軌運(yùn)輸方式，二次襯砌澆筑采用模板臺車。

2.2 隧道錨施工方案

隧道錨位于開州湖岸坡上，因岸坡坡度陡峻，施工場地受限較嚴(yán)重，隧洞洞口邊仰坡開挖支護(hù)完成后，為滿足隧道錨開挖支護(hù)施工場地要求，同時(shí)節(jié)省出渣時(shí)間，以隧洞明洞與暗洞交界處為起點(diǎn)，先行向下開挖散索鞍支墩基坑6m，形成長46.2m、寬17.34m的平臺，后在該平臺上搭設(shè)出渣平臺支架、規(guī)劃空壓機(jī)機(jī)房及運(yùn)渣通道等功能區(qū)，以滿足施工要求。如圖2—4所示。

圖2 洞隧道斷面設(shè)計(jì)圖

圖3 隧道連拱段開挖工序圖

圖4 隧道錨施工示意圖

隧洞開挖根據(jù)隧道的長度、地質(zhì)條件、工期要求等因素，采用人工、機(jī)械、光面爆破開挖相結(jié)合的方式進(jìn)行開挖，由于左、右凈距較小(進(jìn)口間距16.45m、洞底最小凈距9.5m)，左、右洞室錯(cuò)開掘進(jìn)，隧洞圍巖級別為Ⅳ、Ⅲ級，洞室斷面較大，爆破作業(yè)時(shí)相鄰隧洞的穩(wěn)定性有一定的影響。由于隧道錨與四坪隧道同步協(xié)同施工，當(dāng)四坪隧道開挖施工進(jìn)入到隧道錨影響范圍后，需加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工監(jiān)測，尤其是對隧道錨與隧道間的巖體巖溶發(fā)育情況等進(jìn)行有效探測，以確定合適的開挖爆破方法。先開挖的左洞采取臺階開挖的方式，后開挖的右洞采取臺階分部開挖的方式，避免對兩隧洞間巖柱的擾動(dòng)。

3 數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)選取

3.1.1爆破荷載加載波形

爆炸產(chǎn)生時(shí)，壓縮波沿隧道徑向且均勻地作用在周圍洞壁上，首先對圍巖有壓實(shí)作用，當(dāng)壓縮波達(dá)到幅值后將急劇衰減，對于彈塑性的圍巖材料，荷載消失后必將引起反向的回彈現(xiàn)象，因此選用具有加載和卸載過程的三角形荷載作為爆破荷載的近似形式，如圖5所示。

圖5 爆破荷載時(shí)程曲線圖

3.1.2爆破荷載峰值確定

爆破荷載應(yīng)力峰值按下式確定：

(1)

本次計(jì)算取加載時(shí)間為10ms，卸載時(shí)間為90ms，為了解爆破應(yīng)力波在巖體中的傳播規(guī)律，取計(jì)算時(shí)間為500ms。

3.1.3巖體參數(shù)確定

巖體參數(shù)見表1。

表1 巖體參數(shù)表

3.2 模型建立

模型中所有材料采用實(shí)體SOLID164單元模擬，對整個(gè)模型施加厚度方向的約束，上表面為自由邊界，其余表面設(shè)置為固定約束，如圖6所示，在整個(gè)計(jì)算模型中，采用六面體單元映射劃分。數(shù)值計(jì)算模型如圖7所示。

圖6 模型邊界固定約束圖

圖7 數(shù)值計(jì)算模型圖

因隧道錨是斜向下打入，故隧道錨洞室下斷面距四坪隧道拱頂最近，為了方便分析，提取距離隧道拱頂最近的隧道錨洞室測點(diǎn)的水平向速度、豎向速度與合速度時(shí)間歷程曲線，測點(diǎn)如圖8所示，測點(diǎn)A為單元1044，測點(diǎn)B為1039，測點(diǎn)C為1050。

圖8 測點(diǎn)布置圖

3.3 振動(dòng)速度特征分析

通過數(shù)值模擬，分別測出了3個(gè)不同位置的測點(diǎn)的振速曲線，如圖9—11可知，測點(diǎn)1044號的最大水平振速為0.25cm/s，為3個(gè)測點(diǎn)最大水平振速的最小值，最大豎向振速為4.69cm/s，是3個(gè)測點(diǎn)豎向振速的最大值。水平振速最大值在測點(diǎn)1050，振速為0.80cm/s。最大合速度在測點(diǎn)1044，最大合振速為4.70cm/s。豎直方向上產(chǎn)生最大振速為4.69cm/s，詳見表2。

圖9 1044號測點(diǎn)振速時(shí)程曲線

圖10 1039號測點(diǎn)振速時(shí)程曲線

圖11 1050號測點(diǎn)振速時(shí)程曲線

表2 最大振速表 單位：cm/s

3.4 單段最大裝藥量計(jì)算

根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果，可根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式反算出在隧道開挖時(shí)單段最大裝藥量。

根據(jù)巖石性質(zhì)、爆破方式，爆破地震動(dòng)速度，一般認(rèn)為，爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的衰減滿足薩道夫斯基計(jì)算公式[9- 10]：

(2)

式中，V—振動(dòng)速度，cm/s;Q—起爆過程中最大單響的炸藥量，kg;R—測點(diǎn)與爆源之間的距離，即爆心距，m;K、α—與巖土介質(zhì)有關(guān)的參數(shù);β—與裝藥結(jié)構(gòu)方式有關(guān)的參數(shù)，集中藥包取1/3，柱裝藥包取1/2。

由GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[11]?？芍谖覈墓こ讨型扑]使用修正后的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，為能反映爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律，定義K、α為衰減參數(shù)。即

(3)

式中，GB 6722—2014[11]規(guī)定了不同巖性下的K和α值，見表3：根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)取K=250，α=1.6；Q—單段最大裝藥量；模擬中取豎向最小距離R=12.3m；V—設(shè)計(jì)爆破振速，要求控制在10cm/s以內(nèi)，為保守起見計(jì)算取V=5cm/s，經(jīng)計(jì)算單段最大裝藥量：Q=1.21kg。

表3 不同巖性下的K和α值

根據(jù)振速時(shí)程曲線圖，可以得到距離隧道上臺階中心距離最近的測點(diǎn)1044的振動(dòng)速度最大，豎向速度為4.69m/s，合速度為4.70cm/s，均小于5cm/s，因此，應(yīng)將該點(diǎn)作為安全振動(dòng)速度控制點(diǎn)，可通過上述薩道夫斯基計(jì)算公式，代入振速數(shù)據(jù)，反算得出在該處爆破開挖時(shí)的最大段藥量不大于1.21kg。

4 結(jié)論

(1)測點(diǎn)1044的振動(dòng)速度最大，產(chǎn)生的豎向最大振速為4.69cm/s，滿足將隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度控制在5cm/s以內(nèi)的要求。

(2)由于兩者最近豎向間距僅有12.3m左右，所以在兩者的開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制兩者洞室的最大段藥量進(jìn)而控制爆破振動(dòng)速度，保證隧道與隧道錨的安全施工。

(3)通過建立隧道與隧道錨交叉段的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算得到四坪隧道爆破開挖的單段最大裝藥量控制在1.21kg以內(nèi)，可有效的控制圍巖擾動(dòng)。