地铁隧道爆破开挖对既有公路隧道的 振动影响分析

刘海智 张哲

摘 要：以杭州地铁 9 号线邱山大街站—北沙路站区间部分穿越临平山工程为背景，研究邱北区间隧道采用矿山法施工时，爆破振动对邱山公路隧道的影响。通过动态有限元计算分析得知，在常规的钻爆法施工参数下，即单次循环进尺 2.5m、单响炸药量 20kg、爆破荷载峰值 2.4MPa 的情况下，爆破施工对邱山公路隧道的影响远小于规定的安全允许标准;施工中应首先进行爆破试验，加强对邱山公路隧道衬砌和山脚下其他邻近建筑物的爆破振动监测，根据监测数据修正爆破施工参数，以达到最优的技术经济效果。

关键词：地铁隧道：公路隧道;矿山法;爆破振动;影响分析

中图分类号：U455.6

1 工程概况

杭州地铁9号线邱北区间矿山法隧道是单洞单线隧道，洞高7.05 m，宽6.6 m，左右隧道中心距15 m，隧道采用复合衬砌，初支采用喷射300 mm厚C25混凝土，二衬采用400mm厚C35混凝土，侧墙采用22mm砂浆锚杆。邱山公路隧道原为单洞双向双车道公路隧道，2009年改扩建为双向四车道隧道，双连拱结构形式，单洞宽13.4 m，高9.9 m，全长395 m，隧道采用复合衬砌，初支采用喷射250 mm厚C20混凝土，二衬采用600 mm厚C35混凝土，拱顶采用25mm砂浆锚杆。

地铁9号线邱北区间矿山法隧道位于邱山公路隧道正下方，下穿长度为395 m，二者竖向距离为14.92～19.54 m。邱山公路隧道与邱北区间矿山法隧道范围内大多为中风化石英砂岩，属于中硬岩、Ⅰ～Ⅴ级围岩，局部围岩为断层破碎带。其竖向位置关系如图1所示。

2 计算模型及计算结果分析

2.1 计算模型及计算参数

根据设计图纸，建立地铁和公路隧道三维有限元模型如图2所示，模型长、宽、高分别为495 m、150 m、140 m。为减小边界效应，地铁隧道外侧左、右、下部各取6倍洞径。岩土分为含黏性土碎石、强风化石英砂岩和中风化石英砂岩等3层。

土体单元采用莫尔-库伦本构模型。地铁和公路隧道衬砌采用板单元模拟，弹性本构模型。特征值分析时采用曲面弹簧来模拟支座的边界条件，时程分析时采用Lysmer和Wass建议的黏性边界条件，此时曲面弹簧的参数为x、y和z方向上的阻尼比。

单响药量、峰值爆破荷载、荷载加卸载时间等物理量是确定爆破荷载的主要参数，将爆破荷载简化为一条具有加载和卸载过程的三角形波形荷载。爆破荷载确定后，将其以均布压力形式作用于掌子面洞周壁上，压力的作用方向垂直于洞周壁。单次循环进尺为2.5 m，单响药量取Q = 20kg。峰值爆破荷载采用经验公式确定，取升压时间t升 = 0.01s，t升 为从爆破开始到峰值爆破荷载2413kPa所需的时间;取卸载时间t卸 = 0.1s为爆破荷载卸荷至零所需的时间;爆破总计算时间取

t总 = 0.5s。

2.2 开挖模拟工况

模拟工况1，地铁右隧道作业面位于邱山公路隧道南端正下方，两隧道的竖向间距为14.92 m，研究右隧道掌子面爆破对邱山隧道衬砌和附近建筑物的影响。

模拟工况2，地铁右隧道作业面位于邱山公路隧道中部正下方，两隧道竖向间距约19 m，研究地铁左隧道掌子面爆破对邱山公路隧道衬砌及地铁右隧道衬砌的影响。

模拟工况3，地铁右隧道作业面位于临平山北侧山脚下，研究地铁右隧道掌子面爆破对邱山公路隧道衬砌和附近建筑物的影响。

2.3 计算结果及分析

2.3.1 工况 1 计算分析

图3、图4为t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s时邱山公路隧道衬砌的振动速度云图，由图3、图4可见，右隧道仰拱处为迎爆侧，最大振速约0.2 cm/s，左隧道衬砌振速小于右隧道。随着爆破振动荷载的传播，邱山公路隧道衬砌中的振速分布也发生变化。

图5为t升 = 0.01s时邱山公路隧道右线仰拱衬砌中最大振速所在节点的振动速度时程曲线，可见，当爆破荷载达到峰值时，振速也达到峰值;爆破荷载卸载后，即t卸 =0.1 s后，振速基本为0。

图6、图7为邱北区间地铁隧道右线的爆破施工在临平山南坡脚下引起的地表振动速度云图，可以看出，地表最大振速为10-2cm/s ～10-1cm/s量级，说明爆破施工对地表基本无影响。

2.3.2 工况 2 计算分析

图8、图9分别为t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s时邱山公路隧道衬砌的振动速度云图，由图8、图9可见，邱山公路左隧道仰拱处为迎爆侧，最大振速约为10-2cm/s量级;邱山公路右隧道衬砌的振速小于左隧道，沿隧道纵向影响长度约为35～50m。随着爆破振动荷载的传播，邱山公路隧道衬砌中的振速分布也随之发生变化，最大振速很小，量级为10-2cm/s～10-4cm/s。

图10为t升 = 0.01 s时邱山公路左隧道仰拱衬砌中最大振速所在节点的振动速度时程曲线，可见，当爆破荷载达到峰值时，振速也达到峰值，约为0.1 cm/s;爆破荷载卸载后，即t卸 =0.1 s后，振速基本为0。

邱北区间地铁隧道左线爆破施工在地铁隧道右线衬砌中引起的振动速度云图如图11、图12所示，最大振速约为0.1 cm/s。

2.3.3 工况 3 计算分析

图13为t升 = 0.01s时邱山公路隧道襯砌的振动速度云图，可以看出，邱山公路右隧道仰拱处为迎爆侧，最大振速约为10-2cm/s量级，邱山公路左隧道衬砌的振速小于右隧道。仅在邱北区间地铁右隧道掘进面上方的邱山公路隧道局部范围衬砌中产生了较明显的振动速度响应。

图14为t升 = 0.01 s时邱山公路隧道右线仰拱衬砌中最大振速所在节点的振动速度时程曲线，可以看出，爆破荷载达到峰值0.01 s后，即t = 0.02 s时，振速达到峰值，约为0.05 cm/s;爆破荷载卸载后，即t卸 = 0.1 s后，振速基本为0。

图15、图16为邱北区间地铁隧道右线爆破施工在临平山北坡脚下引起的地表振动速度云图，可看出最大振速为10-2cm/s量级，说明爆破施工对地表基本无影响。

3 結论及建议

（1）邱北区间地铁隧道爆破施工时，邱山公路隧道衬砌产生的最大振速约0.2 cm/s，远小于规定的安全允许标准。

（2）附近建筑物在地铁爆破施工时最大振速为10-2cm/s量级，远小于规定的安全允许标准。

（3）邱北区间地铁隧道左线爆破施工时，地铁右线隧道的混凝土衬砌仍未养护好，根据GB6722-2014《爆破安全规程》的规定，养护期混凝土的安全允许振动速度标准为2.5～12.0 cm/s。而地铁右线隧道衬砌振速响应值最大约为0.1 cm/s，远小于此允许标准。

（4）地铁隧道施工中应首先进行爆破试验，加强对邱山公路隧道衬砌和山脚下其他邻近建筑物的爆破振动监测，根据监测数据修正爆破施工参数，以达到最优的技术经济效果。

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收稿日期 2019-01-14

责任编辑 朱开明