林進(jìn)瀅，朱愛(ài)山，康三月

（浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310030）

我國(guó)早期公路隧道發(fā)展受到資金的制約與思維的束縛，絕大部分采用分離式單洞雙車(chē)道隧道。但隨著公路客、貨運(yùn)輸量的迅速增長(zhǎng)，早期修建的某些公路隧道已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)其設(shè)計(jì)通行能力，不能繼續(xù)滿足時(shí)下的交通需求。東南沿海地區(qū)、山區(qū)等，地資源緊張，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的新建公路，在原位進(jìn)行改擴(kuò)建將會(huì)越來(lái)越多。而公路隧道作為公路網(wǎng)絡(luò)上的特殊構(gòu)造物，往往會(huì)成為公路網(wǎng)絡(luò)上的瓶頸?，F(xiàn)在其改擴(kuò)建一般采取一洞施工，一洞繼續(xù)通車(chē)方案。對(duì)于小凈距隧道，一洞爆破開(kāi)挖勢(shì)必對(duì)臨近通車(chē)隧道產(chǎn)生較大影響，如振動(dòng)、噪聲、結(jié)構(gòu)破壞等，但最大破壞影響為振動(dòng)。故有必要對(duì)小凈距公路隧道爆破振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，即能經(jīng)濟(jì)施工，又能最大程度確保通車(chē)安全。

為分析爆破振動(dòng)影響及可能產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，羅陽(yáng)等[1]對(duì)隧道凈距的影響規(guī)律研究表明，小凈距隧道后行隧道掌子面起爆時(shí)，相鄰先行隧道迎爆面拱腰處圍巖爆破振動(dòng)速度最大，最大振速隨隧道凈距的增大而不斷減小，隨單次炸藥量的增大而增大，當(dāng)Q/R3＜1×10-3時(shí)，后行隧道掌子面爆破對(duì)先行隧道圍巖的爆破振動(dòng)影響可忽略不計(jì)。梁書(shū)鋒等[2]開(kāi)展了電子雷管降振試驗(yàn)，對(duì)隧道爆破炮眼的合理延時(shí)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：受縱、橫隧道分割的影響，中隔墻末端振動(dòng)存在明顯的放大效應(yīng)；掌子面后方中隔墻受爆破振動(dòng)的影響大于掌子面前方巖體。梁琨等[3]分析小凈距隧道爆破開(kāi)挖中，先行洞在后行洞上臺(tái)階爆破作用下的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明：先行洞三向振速中，X水平徑向振速最大，且與合速度大小接近，先行洞振速由掌子面后方至隧道入口處呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，提出了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)對(duì)于X水平徑向的數(shù)據(jù)調(diào)整爆破方案參數(shù)。隧道微振爆破的研究也有不少，如王佳輝等[4]基于數(shù)碼雷管在臨近建構(gòu)物隧道均布主振相微振爆破施工技術(shù)研究，但對(duì)于小凈距隧道保通條件爆破振動(dòng)控制技術(shù)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

根據(jù)工程樓山隧道安全設(shè)計(jì)，通行隧道爆破振動(dòng)速度需控制在2cm/s。本文依托臺(tái)州市樓山隧道，圍繞“控振”開(kāi)展了爆破設(shè)計(jì)，振動(dòng)數(shù)值模擬優(yōu)化，其爆破參數(shù)及校核方法可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

樓山隧道是鄞州至玉環(huán)公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程先行開(kāi)工段的一部分，為分離式隧道，是通過(guò)對(duì)既有雙向四車(chē)道隧道原位四周擴(kuò)建為雙向八車(chē)道隧道，隧道原凈間距18～31m。實(shí)行一洞改建，另一洞保持交通通行，要求在實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，保證通行隧道和橋梁的安全，詳見(jiàn)圖1。

圖1 隧道進(jìn)口爆破環(huán)境圖

隧道埋深40～105m 左右，圍巖主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部受構(gòu)造影響較破碎，以塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。由于原隧道開(kāi)挖導(dǎo)致應(yīng)力松弛，結(jié)構(gòu)面間隙增大，易產(chǎn)生小規(guī)模的坍塌，處置不當(dāng)易產(chǎn)生較大的坍塌。樓山隧道位于獨(dú)立山嶺，地形坡度大，匯水面積小，因此其總體水量較小。因巖體受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，構(gòu)造裂隙發(fā)育，透水性較好，在雨季隧道開(kāi)挖時(shí)，易產(chǎn)生小規(guī)模的突水、涌水。另隧道出口處位于丘陵斜坡下部，地形坡度25°～40°左右，圍巖主要為殘坡積含粘性土碎石及全風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化層，部分位于中風(fēng)化凝灰?guī)r，由于受斷層影響，巖體極破碎，風(fēng)化極強(qiáng)，殘積土及全風(fēng)化層厚度最厚達(dá)24m以上。

2 施工難點(diǎn)

2.1 爆破對(duì)通行隧道影響大周期長(zhǎng)

樓山隧道分左、右洞分別封閉部分道路施工，先行施工樓山右洞隧道拓寬，待右洞結(jié)構(gòu)施工完成并交工驗(yàn)收合格通車(chē)后，才能拓寬其左洞，干擾較大。樓山隧道拓寬后斷面達(dá)229m2，既要爆破拆除原隧道二襯及初支，又要確保臨洞通車(chē)安全。

2.2 進(jìn)口爆破對(duì)洞口通行橋梁影響大

石粘互通的匝道出入口路基段重新改建，大石線左幅9～13跨橋梁拆除新建、大石線右幅隧道洞口處路基改橋梁、石粘互通E匝道7～11跨拆除新建，匝道及改橋需分階段施工，每個(gè)階段又劃分為先行和后行施工區(qū)域。故造成匝道施工場(chǎng)地狹小，洞口爆破對(duì)正常通行時(shí)有影響。

3 影響爆破振動(dòng)的主要因素

裝藥量、振源距離、地質(zhì)情況、起爆間隔時(shí)間、炮孔超深、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、保護(hù)對(duì)象自身的結(jié)構(gòu)等都是影響爆破振動(dòng)的因素。按照薩氏公式估算爆破振動(dòng)速度，主要由以下幾個(gè)方面決定。

3.1 單段最大段別裝藥量

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨著裝藥量的增大而增大，相關(guān)研究表明通過(guò)改變單段最大裝藥量，能夠達(dá)到降低振幅的目的。當(dāng)單段最大裝藥量增加時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度也增大，小藥量爆破引起的爆破振動(dòng)中高頻成分豐富。

3.2 距爆源的距離

隨著距爆源的距離增加爆破地振波逐漸衰減，振動(dòng)速度也會(huì)隨之降低，爆破主振頻率也在傳播過(guò)程中逐漸向低頻轉(zhuǎn)化。

?王浦劬、賴(lài)先進(jìn):《中國(guó)公共政策擴(kuò)散的模式與機(jī)制分析》，《北京大學(xué)學(xué)報(bào)》(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版)2013年第6期。

3.3 爆區(qū)及地振波傳播區(qū)域地質(zhì)條件

爆區(qū)及地振波傳播區(qū)域地質(zhì)條件直接影響爆破地振波的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間，當(dāng)傳播介質(zhì)越堅(jiān)硬振動(dòng)速度越小，主頻主要集中在高段，振動(dòng)時(shí)間短。軟弱圍巖中爆破振動(dòng)頻率比較低，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.4 炮孔起爆順序與間隔時(shí)間

毫秒延時(shí)爆破的機(jī)理是先起爆藥包為相鄰的后爆藥包形成新的自由面，為隨后起爆的炸藥創(chuàng)造有利的爆破環(huán)境。采用電子雷管，有可能精確地設(shè)定起爆間隔時(shí)間，相鄰起爆藥包產(chǎn)生的地振波的主振波正負(fù)相疊加而實(shí)現(xiàn)干擾減振。

4 爆破方案初步設(shè)計(jì)

采用戈斯帕揚(yáng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算單位炸藥消耗量為0.74kg/m3，炮眼數(shù)量按公式N=q×S/r×n計(jì)算為184 個(gè)。本工程按六部爆破開(kāi)挖成型，總孔數(shù)247個(gè)，實(shí)際數(shù)量遠(yuǎn)大于理論計(jì)算，這與原襯砌結(jié)構(gòu)拆除有關(guān)。炮孔布置見(jiàn)圖2。

圖2 炮孔布置圖

4.1 既有襯砌爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

既有隧道襯砌為薄壁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土，最小抵抗線W值為壁厚或梁、柱截面中較小邊長(zhǎng)的一半，即最小抵抗線W=1/2B。炮眼密集系數(shù)取決于拆除對(duì)象的材質(zhì)、破碎程度和對(duì)爆破作用的要求，即炮眼間距a=mW，m為臨近系數(shù)，本工程m取值為2，計(jì)算得炮眼間距為50cm。最終計(jì)算得每個(gè)炮眼裝藥量取整為150g。

在本次爆破施工中選取巖石乳化炸藥，藥卷直徑32mm，毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆，底板處掏槽眼、輔助眼采用連續(xù)裝藥方式；周邊光爆孔的裝藥應(yīng)采用徑向及環(huán)向不耦合裝藥，以延長(zhǎng)爆轟氣體的作用時(shí)間，降低爆轟波的沖擊強(qiáng)度，周邊眼的徑向不耦合系數(shù)應(yīng)大于2，但應(yīng)不致使藥卷直徑小于炸藥的臨界直徑，導(dǎo)致炸藥不穩(wěn)定的爆轟。本隧道周邊眼孔徑為42mm，選用?32mm×200mm 直徑藥卷；上部既有隧道結(jié)構(gòu)混凝土拆除孔裝藥結(jié)構(gòu)采用間隔耦合裝藥方式，采用導(dǎo)爆索起爆孔內(nèi)各藥包。

4.2 六部開(kāi)挖法爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

施工順序1→2→3→4→5→6，每部超前量控制在10m。爆破參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 六部開(kāi)挖法爆破參數(shù)表

5 爆破動(dòng)力有限元分析

5.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析方法

隧道在動(dòng)力荷載的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，隧道圍巖的各種量值也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，動(dòng)力荷載作用與靜力荷載作用計(jì)算的主要差值在于是否考慮慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的目的就在于確定在結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載的作用下其振動(dòng)速度等隨時(shí)間的變化規(guī)律，并從其中找出最大值或最小值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算的依據(jù)。任勁濤[5]運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA建立了與實(shí)際工程對(duì)應(yīng)的三維模型，通過(guò)計(jì)算得到了相鄰隧道質(zhì)點(diǎn)的峰值振速，并與實(shí)測(cè)振速進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法是可行的。在此基礎(chǔ)上還研究了在不同圍巖級(jí)別下后行隧道爆破對(duì)相鄰先行隧道襯砌的振動(dòng)影響，并進(jìn)一步分析了先行隧道沿軸向振速、應(yīng)力、位移的分布變化規(guī)律及其下臺(tái)階開(kāi)挖后襯砌的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。本工程也采用此法進(jìn)行模擬。

5.2 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)定

樓山隧道原凈斷面為10.25m×5m，擴(kuò)建后凈斷面為17.25m×5m。隧道模型以隧道橫向?yàn)閄軸，軸線方向?yàn)閆軸。綜合考慮計(jì)算精度和效率，在X方向上，計(jì)算模型由隧道軸線向X軸負(fù)方向取65.83m，向X軸正方向取30m；在Y方向上，計(jì)算模型由隧道軸線向Y軸負(fù)方向取25m，向Y軸正方向取60m；在Z方向上，計(jì)算模型由隧道軸線向Z軸負(fù)方向取7m，向Z軸正方向取0.5m。因此，本隧道襯砌爆破拆除數(shù)值計(jì)算模型三維尺寸為95.83m×85m×7.5m，如圖3所示。

圖3 臺(tái)階法爆破模型

模型材料由巖石、炸藥、襯砌、鋼拱架和空氣5個(gè)部分組成，均選用實(shí)體單元Solid164進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中巖石、襯砌和鋼拱架采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥和空氣采用流固耦合建模，單元使用多物質(zhì)ALE 算法。為了模擬無(wú)限大巖體，模型的外邊界均采用無(wú)反射邊界條件。

考慮工程實(shí)際情況，同時(shí)為了便于數(shù)值模擬，模型炮孔深度為1.6m，炮孔直徑為4.2cm，炮孔間距為50cm，裝藥使用2#巖石乳化炸藥。炮孔起爆位置根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在炸藥中間處。模型采用自帶LS-DYNA Solver 進(jìn)行求解運(yùn)算，使用LS-PREPOST 軟件進(jìn)行后處理。數(shù)值模擬中所有參數(shù)均統(tǒng)一使用cm-g-μs單位制。

5.3 計(jì)算方案及計(jì)算模型

爆破拆除的過(guò)程具有高速?gòu)?fù)雜的特點(diǎn)，盡管襯砌材料性質(zhì)、巖石性質(zhì)和節(jié)理等因素都會(huì)對(duì)襯砌拆除爆破的效果造成影響，但在數(shù)值模擬中很難將所有因素都考慮進(jìn)去，因此只考慮影響爆破效果的主要因素，簡(jiǎn)化次要因素，該模擬中做出以下的假設(shè)：

（1）數(shù)值模擬中的既有襯砌、巖石及炸藥等材料性質(zhì)均連續(xù)且各向同性；

（2）模型任意兩種介質(zhì)的接觸面上位移及速度連續(xù)條件均得到滿足；

（3）爆破拆除過(guò)程為絕熱過(guò)程，熱力學(xué)參量的影響不作考慮；

（4）不考慮巖石中裂隙的影響。

數(shù)值模擬采用多物質(zhì)材料與拉格朗日結(jié)構(gòu)耦合算法來(lái)滿足涉及兩種以上物質(zhì)的計(jì)算，該算法的優(yōu)點(diǎn)是各部分結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的接觸關(guān)系不需要定義，盡管網(wǎng)格數(shù)量巨大導(dǎo)致求解時(shí)間較長(zhǎng)，但計(jì)算結(jié)果較穩(wěn)定。所建立的三維模型通過(guò)LS-DYNA Solver 求解后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入LS-PREPOST 有限元后處理軟件，以此來(lái)模擬在各個(gè)工況下爆破振動(dòng)速度的變化情況以及峰值大小。

因此分別取拱頂、拱腰、拱腳及拱底中的點(diǎn)研究其爆破振動(dòng)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律及振動(dòng)速度最大值，其中右洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置取距離爆破掌子面30m的掌子面上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)分別為68145、68038、67795、16821、16770。左洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在面則與爆破掌子面平行，臺(tái)階法各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z以及合成振動(dòng)速度如圖4～圖7 所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)分別為68153、68165、67704、16840、16836，對(duì)所選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向、Y方向、Z方向以及合成振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，右洞各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線分別如圖4～圖7 所示，左洞各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線分別如圖8所示。

圖5 Y方向振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖6 Z方向振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖7 右洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)合振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖8 左洞各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)合振動(dòng)速度時(shí)程曲線

沿著已開(kāi)挖段隧道地表建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)68153、68165、67704、168040、17217 處X方向峰值振動(dòng)速度依次為17.35cm/s、8.53cm/s、2.85cm/s、1.34cm/s、0.26cm/s；Y方向峰值振動(dòng)速度依次為19.68cm/s、8.87cm/s、3.96cm/s、1.41cm/s、0.57cm/s；Z方向峰值振動(dòng)速度依次為15.88cm/s、6.43cm/s、2.76cm/s、1.28cm/s、0.36cm/s。聯(lián)合振動(dòng)速度最大值如表2所示。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度

5.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于樓山隧道擴(kuò)挖工程屬于交通隧道擴(kuò)建，本文采用《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2011)建議的臨界振動(dòng)速度作為評(píng)判隧道破壞的標(biāo)準(zhǔn)，即鄰近隧道爆破施工引起的既有隧道在不同的振動(dòng)頻率下既有隧道破壞的臨界振動(dòng)速度在10～20cm/s，如表3所示。

表3 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

5.5 實(shí)測(cè)振動(dòng)速度

采用UBOX-5016 工程爆破智能監(jiān)測(cè)儀對(duì)通車(chē)隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)檢測(cè)，詳見(jiàn)表4。測(cè)點(diǎn)布置在同一橫斷面上，三個(gè)通道，其中墻部襯砌布兩個(gè)點(diǎn)，底板布一個(gè)點(diǎn)。

表4 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄表

通過(guò)以上對(duì)六部開(kāi)挖方案施工過(guò)程中的振動(dòng)速度分析，可以看出右洞在爆破后迅速達(dá)到峰值，而爆破振動(dòng)由右洞（爆破洞）至左洞（通車(chē)洞）傳遞需要時(shí)間，左洞在爆破后約0.01s后達(dá)到峰值，隨后振動(dòng)速度呈波浪狀下降趨勢(shì)并最終平穩(wěn)地趨于零，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。在右洞進(jìn)行爆破掘進(jìn)時(shí)對(duì)樓山隧洞左洞振動(dòng)傳遞時(shí)能量有衰減，所以振動(dòng)速度均遠(yuǎn)低于安全允許標(biāo)準(zhǔn)，因此能夠滿足在右洞進(jìn)行爆破掘進(jìn)的同時(shí)左洞正常交通的要求。隧道右洞聯(lián)合最高振速為18.31cm/s，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均符合安全標(biāo)準(zhǔn)，所以樓山隧道采用六部開(kāi)挖爆破方案安全合理。

5.6 爆破效果

樓山隧道分部開(kāi)挖法成功實(shí)施爆破，實(shí)際開(kāi)挖情況如圖9所示。爆破后隧道巖土體整體性較好，不平整度以及平均超欠挖量在允許范圍以?xún)?nèi)，允許超挖值小于15cm，邊墻小于10cm，巖面上用肉眼看不見(jiàn)明顯裂縫；爆破后的巖石塊體及襯砌大小適中，石渣最大塊體小于30cm，易于搬運(yùn)。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

樓山隧道斷面大，與既有運(yùn)營(yíng)隧道間距小，且由于工序繁瑣，尤其是洞口V運(yùn)營(yíng)安全，施工中要求嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)開(kāi)挖步驟進(jìn)行，如在洞口V 級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑加臨時(shí)仰拱法施工，其余段采用CD法施工。爆破作業(yè)采用微振爆破技術(shù)，配合監(jiān)控量測(cè)，循環(huán)進(jìn)尺選取滿足樓山隧道掘進(jìn)爆破的需要，確保了工期按期完成。并做到周邊輪廓尺寸符合設(shè)計(jì)要求，既有隧道襯砌的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制要求范圍內(nèi)，沒(méi)有因?yàn)槭┕?duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)造成任何破壞。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)樓山隧道爆破設(shè)計(jì)及施工，獲得大斷面小凈距隧道爆破振動(dòng)控制及施工經(jīng)驗(yàn)，以及在施工中存在的重大技術(shù)問(wèn)題的解決方法，可為今后在類(lèi)似工程中遇到的問(wèn)題提供參考。

（1）樓山隧道采用控制爆破振動(dòng)技術(shù)，降低隧道爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，最大可能地保護(hù)隧道穩(wěn)定，保證了通行安全。

（2）通過(guò)減小循環(huán)進(jìn)尺，多鉆孔，降低同一段別炸藥起爆藥量等措施，達(dá)到降低爆破振動(dòng)的目的，炸藥爆炸產(chǎn)生的作用對(duì)隧道壁上的巖體損傷輕微，肉眼觀察沒(méi)有很清晰的裂縫產(chǎn)生，地質(zhì)較優(yōu)的隧道段在爆破后基本上沒(méi)有很明顯的危巖，不良地質(zhì)段隧道爆破后基本上沒(méi)有浮石危巖。

（3）使用LS-PREPOST 軟件數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)爆破振速更為接近。