新建隧道平行既有隧道施工及爆破影响研究

鲁啸龙 胡 辉

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031)

1 概述

随着城市化进程的加快，既有市政工程已不能满足城市发展需求，在城市建设用地日益紧张的情况下，隧道工程甚至地下工程的利用和开发就显得越来越重要。隧道工程的大力建设势必会出现许多近接施工的问题，因为新建隧道工程会紧邻既有隧道，隧道开挖施工将引起周围土体扰动，改变地层应力分布，造成既有隧道衬砌结构受力发生改变。同时，新建隧道的爆破施工，在动力响应上必然会对邻近的既有隧道及建（构）筑物产生不同程度的振动影响，振动影响较强时，甚至造成既有隧道结构的破坏或坍塌。

对于隧道工程近接施工及爆破振动影响的研究，国内外有很多学者已取得了一些研究成果[1-6]。但这只是研究了某些条件下的影响规律，因为不同条件下施工的影响程度和范围不尽相同。对于新建隧道平行既有隧道施工及爆破影响的研究仍没有明确和定性的成果，无法对当今的设计和施工提供指导。

2 问题提出

2.1 工程概况

既有隧道为市政公路隧道，分离式双向四车道，全长391 m，两隧道的测设中线间距63.5 m，其结构为三心圆带仰拱变截面衬砌。整个既有隧道处于Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩中，沿线主要分布第四系坡残积粉质粘土层及前震旦系侵入形成的闪长岩和花岗岩等岩浆岩岩体，其中粉质粘土主要上覆于隧道进出口段，闪长岩是既有隧道周边的主要岩体并与花岗岩相互侵入穿插。新建市政工程受地形及场地的限制，拟在既有公路隧道中间新建隧道，其开挖跨度约9.8 m，开挖高度约8.2 m，与两既有隧道在纵向上相互平行且净距为24.3 m。新建隧道采用钻爆法施工，开挖方式为三台阶开挖法。其Ⅴ级围段初期支护采用23 cm厚的C25喷射混凝土、间距0.8 m的I18工字钢和长4.0 m间距1.0 m交错布置的砂浆锚杆，二次衬砌为50 cm厚的C35模筑混凝土。三隧道的相互位置关系如图1所示。

2.2 提出问题

《公路隧道设计细则》（JTG T D70-2010）中要求：Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩中，不考虑两洞室之间相互影响的最小净距为2.0 B、2.5 B、3.5 B（B为既有公路隧道开挖洞径），新建隧道最低围岩级别为Ⅴ级，故安全距离应为46.9 m以上。此新建隧道与既有公路隧道净距为24.3 m，小于2.0 B，即便在Ⅲ级围岩段也不满足不考虑相互影响的净距要求，所以为保证既有公路隧道的安全和正常运营，避免人员伤亡和经济损失，新建隧道的施工开挖及爆破振动对运营中公路隧道的静力和动力影响是急需解决的问题。因此，本文基于岩土工程及隧道工程领域专用的有限差分软件FLAC3d5.0，对既有隧道在静力和动力两方面所受的影响进行详细研究，旨在为类似工程提供借鉴和参考。

3 静力开挖影响

3.1 计算模型

根据工程概况，取最不利的工况进行三维建模计算，即围岩级别为Ⅴ级，既有隧道埋深40 m。依据隧道力学理论，并结合施工过程中的空间效应，选取的计算区域为：长165 m，宽40 m，高90 m，计算模型如图2所示。本次计算模型中，围岩、初期支护以及二次衬砌均采用实体单元模拟，约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面。施加的荷载仅为自重荷载，即计算只考虑自重应力场，不考虑构造应力场。

3.2 计算参数

计算中Ⅴ级围岩及结构的物理力学参数依据《公路隧道设计细则》（JTG T D70-2010）进行选取，其按表1所示。

表1 物理力学参数

3.3 考察对象

基于计算模型的几何对称性，避免边界效应的影响，选取右线既有隧道的正中断面进行考察，监测拱顶、仰拱及左右边墙四个特征部位，监测断面及测点示意如图3所示。

3.4 静力分析

1）位移分析

通过计算可以发现，新建隧道开挖后，新建隧道的围岩位移会逐渐增大并趋于收敛。在整个开挖过程中，贯通时刻的围岩位移最大，最大位移断面为进洞口（最不利）。提取新建隧道贯通时进洞口断面的位移云图如图4所示进行分析，可以发现新建隧道采用三台阶开挖对围岩位移控制得较好，最大沉降发生在进洞口的拱顶，沉降值为0.41 mm，最大隆起发生在进洞口的仰拱，隆起值为0.5 mm，最大水平位移发生在进洞口位置的左右边墙，位移值为0.38 mm。从整个云图的分布可以发现，既有隧道处于新建隧道静力开挖的影响区之外，位移值趋近于零，说明既有隧道结构受到的影响极小，甚至可以忽略，故静力开挖后既有隧道不会受到地层应力场变化的影响。

提取监测断面测点位移如图5所示。从图5中可以发现，各点的位移值均较小，甚至可以忽略，说明静力开挖时地层应力的改变对既有隧道影响很小，甚至可以忽略。各点的曲线变化趋势基本一致，具有显著的规律性，表现为“S”型曲线，基于斜率可划分为三个阶段。阶段一：从新建隧道开挖到二衬开始施作，该阶段位移近似呈线性趋势增大；阶段二：从二衬开始施作到上台阶贯通，该阶段曲线的斜率迅速变陡；阶段三：从上台阶贯通到二衬施作完成，该阶段位移逐渐收敛，斜率趋于平缓。

2）主应力增量分析

提取监测断面测点主应力增量如图6所示。从图6中可以发现，各点的主应力增量表现为压应力增量，且数值均较小，根据日本隧道接近施工指南中容许应力增加值，既有隧道健全度按《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》为C级，其容许压应力增加值为5.0 MPa，各点的压应力增量在指南容许压应力增加值之内，也再次验证了静力开挖时对既有隧道结构影响很小。各点的曲线变化规律与上述位移曲线一致，呈“S”型曲线，基于斜率可划分为3个阶段。

4 爆破振动影响研究

4.1 计算模型及参数

本节动力计算模型与静力计算类似，最不利断面选取隧道深浅埋交界位置，埋深约40 m，其围岩等级为V级，整体计算模型与图2相似，计算中考虑新建隧道爆破对既有隧道的影响，设置图3所示的监控点监控既有隧道特征点的振动速度大小。同时，相关研究指出[2]，隧道爆破开挖过程中第一分部掏槽爆破的影响作用最大，因此模型建立时仅在新建隧道上台阶比静力计算多出掏槽孔，而其他部位的网格布置基本相似，掌子面炸药示意如图7所示。

围岩与隧道衬砌结构的动强度参数较静力计算的强度有较大差别，主要在于动力计算荷载的瞬时性，即作用在结构上的荷载瞬时产生并衰减。文献[5]中指出动态计算参数的转换公式如下：

将静力开挖计算中表1的物理力学参数（弹性模量及泊松比）按照以上两式换算成动力计算参数。

4.2 边界条件

在爆破模拟动力计算中，为防止能量在边界反射回模型中，导致计算结果与实际不完全相符，因此在模型边界引入法向和切向的无反射人工边界，从而实现边界处的能量传播，其法向和切向黏性边界如下：

式中：vn、vS分别为边界上速度的法向和切向分量；ρ为材料密度；Cp、CS分别为纵波、横波波速。

4.3 爆破动力荷载

相关研究已指出，为体现隧道爆破作用与炸药及装药特性、爆破参数等的影响，本节根据FLAC3D动力计算特点，将动态荷载施加在掏槽炮孔的节点上，其荷载计算公式为[6]：

式（5）中，f(t)是指数型时间滞后函数，其计算方法见式（6），Pb为脉冲峰值，在不耦合连续装药结构条件下，初始应力峰值计算公式如式（7）所示：

式中：ρ0——装药密度，kg/m3；

D——炸药爆速，m/s；

Rc、Rb——分别为药卷半径和炮孔半径，m；

η——爆炸物与孔壁碰撞时压力增大的倍数，一般取值为8～11；

n、m——与距离有关的无量纲常数，其值取决于爆炸脉冲的起始位置和初始波形；

P0——t=tR时，使f(tR)等于1.0的常数

w——是与介质的纵波波速Cp和炮孔直径d有关的函数；

tR通常称为爆炸脉冲的峰值时间，是与n、m、w相关的函数，其公式为：

使f(tR)=1可得：

根据以上计算公式及表2中提供的爆破参数，可计算出开挖爆破过程的计算荷载及其时程曲线。

表2 炸药参数

4.4 计算结果分析

与静力分析相同，由于既有隧道关于新建隧道左右对称，因此爆破振动数据分析仅考察既有隧道右线中间断面，但是爆破作用形成的冲击波向外传播过程，最先到达既有隧道的迎爆侧，因此，计算中，主要考虑既有隧道迎爆侧监控点的影响。特征点爆破振动曲线如图8所示。

从图8可看出，爆破开挖过程中，各监控点的振动曲线变化趋势大致相同，振动速度稳定一段时间后，均为先迅速增大到最大值，后不断衰减，最终趋于一较小的稳定振幅；爆破振动速度最大值约为2.5 cm/s，且特征点的振动速度维持较大值时间较短，而《爆破安全规程》（GB6722-2014）中说明交通隧道的爆破振动安全允许值为12～15 cm/s，再结合工程经验类比分析，说明本文中新建隧道采用爆破施工对既有隧道结构的影响较小，可满足爆破控制的要求，保证施工的安全；从图中还可看出，由于各监控点与新建隧道掏槽孔的距离不同，各监控点的最大振动速度关系为左边墙 ＞拱顶 ＞仰拱 ＞右边墙，说明监控点与爆破点的距离越近，振动波传播过程中衰减越小，爆破振动速度越大，振动影响越强。

5 结论

1）基于本文的工程条件，静力开挖对既有隧道的影响极小甚至可以忽略，表现为位移和主应力增量的数值较小，说明静力开挖后应力场的改变对既有隧道结构的受力影响微乎其微。

2）在新建隧道施工全过程中，既有隧道监测断面的位移和主应力增量曲线具有显著的规律性，表现为“S”型曲线，可划分为三个阶段。阶段一：从新建隧道开挖到二衬开始施作，该阶段监测值近似呈线性趋势增大；阶段二：从二衬开始施作到上台阶贯通，该阶段曲线斜率迅速变陡；阶段三：从上台阶贯通到二衬施作完成，该阶段监测值逐渐收敛，斜率趋于平缓。

3）从动力分析中可知，由于既有隧道距离新建隧道较远，新建隧道采用爆破施工时，既有隧道结构的最大振动速度约为25 mm/s，远小于规范中的安全控制标准值，同时振动速度维持在较大值的时间较短，因此，爆破开挖过程对既有结构几乎无影响，可保证既有隧道结构的安全。

4）对比分析同一监测断面不同位置的监控点，可发现各监控点的振动曲线变化趋势基本相同，针对监控点的最大监控速度，距离爆源越近，受振动影响越强，其振动速度越大，因此，施工中主要控制迎爆侧的振动影响来保证施工的安全。

[1]郑余朝，蔡佳良，袁竹，等.地铁隧道下穿既有铁路近接影响分区和施工控制研究[J].现代隧道技术，2016，53（6）：202-209.

[2]龚伦.上下交叉隧道近接施工力学原理及对策研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[3]冯仲仁，文曦.新建隧道爆破震动对既有隧道影响的数值分析[J].爆破，2008，25（4）：20-23.

[4]钱耀峰，王星华.爆破施工对邻近隧道安全的影响[J].北京交通大学学报，2014，38（4）：90-96.

[5]贾磊，解咏平，李慎奎.爆破振动对邻近隧道衬砌安全的数值模拟分析[J].振动与冲击，2015，34（11）：173-177.

[6]蔚立元，李术才，徐帮树.青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究[J].土木工程学报，2010，43（8）：100-108.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 6722-2014 爆破安全规程[S].北京：中国标准出版社，2014.

[8]中华人民共和国交通运输部.JTG-T D70-2010公路隧道设计细则[S].北京：人民交通出版社，2010.