隧道爆破施工对邻近隧道安全性的影响研究

陈绍辉，张贤康，石 波，陈发本

(1.云南麻昭高速公路建设指挥部， 云南 昭通 657000； 2 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067；3.云南省公路科学技术研究院， 昆明 650000)

隧道爆破施工对邻近隧道安全性的影响研究

陈绍辉1，张贤康1，石 波2，陈发本3

(1.云南麻昭高速公路建设指挥部， 云南 昭通 657000； 2 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067；3.云南省公路科学技术研究院， 昆明 650000)

随着地下工程建设项目越来越多，如何评价邻近隧道受影响程度是新隧道建设需要考虑的前提之一。建立静力模型模拟邻近隧道衬砌的现有受力状态，分析新隧道开挖时所引起的邻近隧道衬砌应力重分布。建立动力模型分析新隧道爆破时应力波导致邻近隧道2次衬砌产生的应力状态，并将静力模型和动力模型中隧道衬砌的应力进行矢量叠加，以评判新隧道爆破开挖对邻近隧道的影响。如果爆破振速或任一阶段应力值超出安全值，则需对新隧道施工采取必要的控制措施，以保证邻近隧道的安全。

隧道施工；爆破振速；安全评价；应力；监控量测；数值模拟

近年来，改扩建项目逐渐增多，新隧道与邻近隧道之间设计距离较近的现象也越来越多。在隧道爆破影响的各类研究中，新隧道爆破振动对邻近隧道的影响主要采用数值模拟、现场监测和工程类比3种方法[1-3]，其中数值模拟由于其方便性和预见性，在各类研究和工程应用中占据了主导地位。

若新隧道与邻近隧道距离较近，则新隧道爆破开挖产生的应力波在致使邻近隧道产生振动的同时，也会导致邻近隧道应力重分布。新隧道爆破开挖引起邻近隧道衬砌产生破坏的原因是邻近隧道衬砌在承担围岩荷载和自重的同时受到爆破应力波冲击，三者应力值叠加超过衬砌自身强度从而导致衬砌开裂。由于对爆破振动速度的监测比对衬砌应力进行监测更为方便，故众多研究都侧重于对邻近隧道振动速度进行监测，忽视了隧道衬砌出现破坏的本质问题是其自身应力值超过强度值[4-6]。因此，本文分析爆破振动速度时，考虑了邻近隧道受新隧道开挖产生的爆破应力波及新隧道开挖引起的应力重分布叠加影响，对新隧道爆破开挖对邻近隧道产生的影响进行安全性评价。

1 新隧道爆破开挖对邻近隧道的影响评定标准

1.1 邻近隧道损坏评定标准

邻近隧道因运营多年，其结构技术状态有待评定。根据新版JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》，隧道土建结构技术状态评定标度分为5类，其中4、5类隧道结构分别处于严重破损和危险状态，应对隧道结构进行病害处治。对于此类隧道，应首先评定其受力状态。

1.2 隧道受爆破影响的振动速度标准

目前，国内外大都将质点振动速度作为衡量隧道受爆破振动影响的主要物理量，对爆破震动的研究也以振动速度的测量和分析为依据[7-8]。但是质点振动速度标准的经验性较强，不同标准给出的安全振动速度相差很大，所以还有待进一步研究和探索。

GB 6722—2014《爆破安全规程》对各构筑物的爆破振动速度安全允许标准有明确要求，对不同振动频率区间给出了各类构筑物的安全允许值。公路交通隧道爆破振动安全允许振动速度为10～20 cm/s。长江勘测规划设计研究院对地下结构工程的允许爆破振动速度和破坏标准给出的建议值如表1所示。

表1 地下结构允许的爆破振动速度和破坏标准

瑞士提出的爆破振动安全标准为频带宽度在10～60 Hz时，爆破引发的振动速度为3 cm/s；频带宽度为60～90 Hz时，爆破引发的振动速度为3～4 cm/s。

1.3 邻近隧道受爆破应力波的影响

国内外众多研究中，隧道衬砌应力和应力增量评价标准主要通过混凝土结构拉压强度安全系数和基于隧道健全度的应力增量容许值来确定。 钢筋混凝土结构强度安全系数如表2所示。

表2 钢筋混凝土结构强度安全系数

隧道施工过程中，邻近隧道衬砌安全性评价按下式计算：

(1)

(2)

式中：K为衬砌结构的安全系数，按表2取值；Rt为混凝土极限抗拉强度；Rc为混凝土极限抗压强度；σt为混凝土截面所受拉应力；σc为混凝土截面所受压应力。

文献[9]结合日本《铁路隧道近接施工指南》结构稳定分析方法，参照我国《铁路隧道设备劣化评定标准—隧道》[10]，提出了基于应力增量的隧道健全度划分标准，如表3所示。

表3 隧道衬砌应力增量容许值

注：A表示结构功能严重劣化；AA为结构功能严重劣化，危及行车安全；A1为结构功能严重劣化，进一步发展危及行车安全；B为劣化继续发展会升至A级；C为影响较少；D为无影响。

2 应用案例

2.1 工程概况及现场爆破监测

某高速公路隧道为上下行分离行驶的4车道公路隧道，暗洞段采用复合式衬砌，洞口及明洞段采用整体式模筑衬砌。为了缓解交通压力，需在隧道两侧新建2个隧道，新隧道与邻近隧道大致平行，净距15～60 m。隧址区岩性主要为灰岩、白云岩、盐溶角砾岩、泥灰岩、泥质岩、砂岩等。

邻近隧道运营多年，衬砌出现了不同程度的裂缝和渗水等现象，故分别于2004年和2010年进行隧道的加固处治和路面病害整治。

在隧道进口段，新隧道与邻近隧道净距为15 m，围岩级别为Ⅴ级，设计要求隧道衬砌安全允许振动速度为10 cm/s。施工中采用CD法开挖，每循环进尺1.8 m，先导坑上台阶开挖每次爆破装药量32 kg。

在新隧道施工爆破过程中，对邻近隧道靠新隧道侧边墙进行了多次爆破振速监测，本文整理并提供最大3次爆破监测数据，如表4所示。

表4 爆破监测数据

在隧道施工现场，通过及时反馈的监测数据，对爆破工艺进行了控制，同时，有效减少了爆破振动速度，使其控制在设计要求范围内。但是在该段新隧道开挖完后，发现邻近隧道拱腰及边墙处出现数条裂缝。为此，本文对该段爆破施工进行数值模拟分析。

2.2 模拟分析

2.2.1 计算参数确定

2.2.1.1 爆破冲击荷载

对地下洞室爆破冲击荷载的确定，本文按如下原则进行计算：

1) 爆炸荷载以压力形式均布荷载作用于洞室开挖面上，方向垂直于边界面。

2) 根据爆破实际情况，将荷载曲线简化为三角形波，如图1所示。图1中，P为压力；t为时间。

图1 爆破荷载简化曲线

3) 冲击荷载曲线典型加载到峰值压力的升压时间为100 ms，卸载时间为500 ms，共计600 ms。为了解爆破振动波在岩体中的传播规律，总的计算时间取1 s。

4 ) 三角形波峰压力的最大值Pmax按以下方法近似确定。

确定爆破荷载峰值，即确定作用在炮孔壁上的爆生气体峰值压力。在C-J(查普曼-朱格特理论)爆轰条件下，炸药的平均爆轰压力为：

(3)

式中：PD为炸药爆轰平均初始压力；ρe为炸药密度；D为炸药爆轰速度；γ为炸药等熵指数。

对于耦合装药条件而言，作用在炮孔上的压力即为炸药爆轰压力，则

P0=PD

(4)

式中：P0为耦合装药时爆破荷载峰值压力。

对于不耦合装药条件而言，爆炸后爆生气体将在炮孔内膨胀。假设爆生气体为多方气体，则状态方程为：

P=Aρv0

(5)

式中：P为某一状态下的爆生气体压力；ρ为某一状态下爆生气体的密度；A为常数；v0为爆生气体的等熵指数。当P≥Pk时，取v0=γ=3.0；当P

隧道爆破爆生气体的膨胀只经过P>Pk一个状态，此时由上式可得到炮孔初始平均压力：

(6)

式中：dc为装药直径；db为炮孔直径。

大量研究结论表明，掏槽眼起爆时，由于缺乏相应的临空面，整个爆破最大振速出现在掏槽眼起爆时刻，故本文只对掏槽眼爆破进行研究。根据大量施工现场调研，对于掏槽孔采用不耦合装药。

按照公路隧道施工经验，钻爆法一般采用2号乳化炸药，密度为1 000 kg/m3，爆速为3 200 m/s。炸药直径32 mm，掏槽眼直径40 mm，孔深为1 m。

根据圣维南原理，将同排炮孔连心线所在竖直面建成平面。如图2所示，假定单个炮孔壁上作用有压力P0，炮孔半径为r0，孔间距为a，根据力和力矩平衡，可以将图2(a)所示作用在炮孔壁上的压力P0，等效施加在图2(b)所示的炮孔连心线上，需施加的等效压力为：

Pe=(2r0/a)P0

(7)

图2 等效施加爆破荷载示意

根据设计文件提出的开挖方法，并结合施工经验，拟定掏槽眼数目。因此，采用式(7)可以计算得到作用在隧道开挖轮廓线上的压力Pe。

进行光面爆破时，掏槽眼最先起爆，以便将中心岩石抛掷出来，为围岩增加临空面，达到最佳爆破效果。根据爆破原理及常规施工习惯，对该隧道采用CD法开挖时并按4孔掏槽眼布置，Pe=6.04 MPa。

2.2.1.2 围岩物理力学参数

岩土体物理力学参数采用勘察报告提供的值，同时结合相关规范取值，具体力学参数如表5所示。

表5 岩土体物理力学参数

2.2.2 模型建立

本文针对该隧道爆破开挖分别建立了静力模型和动力模型。静力模型主要模拟新建隧道首部施工开挖引起的邻近隧道2次衬砌应力最终值和相对变化值。动力模型主要模拟新建隧道首部爆破开挖引起邻近隧道2次衬砌的振动速度和应力值。

静力模型中，左右侧和底面边界采用法向位移约束，围岩的荷载释放比例参考JTG D70—2004《公路隧道设计规范》，围岩及初期支护承担20%围岩压力，2次衬砌承担80%围岩压力。

首先，模拟新隧道施工前邻近隧道的现状内力。由于邻近隧道运营时间较久，可认为其初期支护和围岩为一整体，承受施工期间20%的围岩变形荷载，而隧道2次衬砌承受80%的围岩变形荷载。

动力模型中，针对深埋隧道，左右面和上下面4个边界均采用无反射边界条件；针对浅埋隧道，仅在左右和底面采用无反射边界条件。由于首部开挖前，隧道掌子面缺乏自由临空面，首部爆破开挖时对邻近结构物造成的爆破振动速度最大，故只分析首部爆破时对邻近隧道的影响。计算模型所图3所示。

图3 计算模型

2.2.3 邻近隧道受新隧道爆破开挖的影响

2.2.3.1 邻近隧道2次衬砌爆破振动速度分析

爆破后0.2 s内，邻近隧道的拱顶、拱腰和边墙部位爆破振动速度达到最大值，之后逐渐趋于平缓，约1 s后，结构趋于稳定。邻近隧道2次衬砌振动速度最大值出现在左侧拱腰处，为9.10 cm/s；拱顶为8.76 cm/s，靠近新隧道侧边墙振速为8.20 cm/s，计算结果与监测数据基本吻合，说明本模型基本正确。

2.2.3.2 邻近隧道2次衬砌应力分析

1) 邻近隧道现状应力分析。

邻近隧道2次衬砌应力分布如图4所示。邻近隧道2次衬砌结构均受压应力，其中第一主应力最大值出现在拱顶处，为3.96 kPa，受拉；第三主应力最小值出现在边墙，为-2 100 kPa，受压。从计算结果看，邻近隧道结构应力处于稳定状态。

图4 邻近隧道现状2次衬砌应力云图

2) 新隧道首部开挖阶段邻近隧道2次衬砌应力。

本文主要模拟新隧道首部开挖过程中，围岩应力重分布对邻近隧道2次衬砌应力的影响。按对邻近隧道结构最不利影响工况分析，导洞开挖后应力释放100%。

衬砌应力分布如图5所示。新隧道首部开挖阶段，第一主应力最大值出现在拱顶，为3.96 kPa，受拉；第三主应力最小值出现在近新隧道侧边墙底端，为-2 100 kPa，受压。从应力分析来看，邻近隧道结构处于稳定状态。

新隧道首部开挖时，邻近隧道2次衬砌第一主应力增加50.73%，第三主应力增加5.68%，均出现在近新隧道侧拱腰部位；但邻近隧道2次衬砌总体应力较小，故结构处于稳定状态。

3) 爆破振动引起的邻近隧道2次衬砌应力。

本文主要分析新隧道首部开挖爆破过程中，邻近隧道2次衬砌的应力分布情况及爆破的影响程度。

邻近隧道2次衬砌受爆破应力波引起的应力分布如图6所示。新隧道掏槽眼爆破时，邻近隧道2次衬砌受爆破振动影响较明显，第一主应力最大值出现在近新隧道侧边墙处，为1 606.91 kPa，受拉；第三主应力最小值出现在远离新隧道侧拱腰处，为-218.68 kPa，受压。

图5 新隧道首部开挖邻近隧道2次衬砌应力云图

图6 邻近隧道2次衬砌受爆破应力波引起的应力云图

将2次衬砌在静力阶段和动力阶段的应力进行累加，得到新隧道首部爆破开挖时邻近隧道2次衬砌各部位的应力值。新隧道首部爆破开挖时，邻近隧道2次衬砌近新隧道侧边墙处的拉应力达到1.57 MPa，超过规范规定的混凝土抗拉强度(fcd=1.47 MPa)，结构将出现开裂。

3 结论

由于新隧道与邻近隧道距离较近，故新隧道施工对邻近隧道有一定影响。本文以国内某隧道工程为例，建立了有限元二维模型，对现场监测爆破振动数据和有限元计算模型进行了对比分析，并得到以下结论：

1) 在邻近隧道旁开挖新隧道时，应通过监测数据的反馈，及时调整新建隧道的施工工法和工艺，将邻近隧道的振速控制在设计要求范围内，但新隧道爆破开挖依然会使邻近隧道衬砌开裂。

2) 邻近隧道与新隧道距离较近时，新隧道爆破开挖会对邻近隧道形成爆破冲击应力，同时还会引起邻近隧道衬砌应力出现重分布，这是其衬砌出现开裂的原因。

3) 对于运营时间长的邻近隧道，应查明其结构受力状态、围岩条件、地下水状态，以便对其进行安全评价。

4) 根据不同的工程特点，爆破振动控制时，在振动速度的基础上，要引入频率、振动持续时间，建立振动速度、应力、应力增量等多参数的振动安全判据。

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Study on the Influence of Tunnel Blasting on the Safety of Adjacent Tunnels

CHEN Shaohui1,ZHANG Xiankang1,SHI Bo2,CHEN Faben3

With the increasing number of underground construction projects,evaluation of the influence degree of adjacent tunnels is one of the prerequisites for the construction of new tunnels. In this paper,static model is set up to simulate the existing stress state of adjacent tunnel lining,so to analyze the stress distribution of adjacent tunnel linings during new tunnel excavation. The dynamic state model is then set up to analyze the stress state of the secondary lining of the adjacent tunnel caused by the stress wave from new tunnel blasting,and the stress of the tunnel lining in the static model and dynamic model is superimposed to evaluate influence to adjacent tunnel during new tunnel excavation and blasting. If the blasting vibration velocity or the stress value of any stage exceeds the safe value,necessary control measures should be taken for the new tunnel construction to ensure the safety of adjacent tunnels.

tunnel construction; blasting vibration velocity; safety evaluation; stress; monitoring & measuring; numerical simulation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.022

重庆市应用开发(重大)项目(csct2013yykfC30001)

2016-08-23

陈绍辉(1968-)，男，云南省曲靖市人，本科，高工。

1009-6477(2016)06-0100-06

U459.2

A