隧道近接高铁爆破开挖的减振技术研究

谭因军，唐 旭，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

1 概述

在近接施工中，钻爆法施工产生的振动效应会对围岩及既有结构产生显著的影响，因此需要设置合理的减振措施。在软弱(岩石强度不超过20 MPa)、节理发育的围岩条件下，铣挖法具有很好的适用性和较高的工效[1-2]，而且具有振动小、噪音低及精确控制隧道“超欠挖”等特点[3-4]。采用铣挖与爆破联合开挖法进行隧道开挖，可发挥铣挖和爆破的优势，提高工效且保证施工安全。

铣挖与爆破联合开挖法及爆破减振技术方面的研究，王海[5]结合现场和通过数值模拟论证铣挖爆破工法减震百分比在44 %～46 %左右；王新明[7]通过对贵州省毕威高速公路水塘隧道的开挖方法进行研究，得到铣挖与钻爆联合施工的合理施工顺序；任泽华[7]、姚勇[8]和舒磊[9]等结合数值模拟和现场监测，提出单孔爆破水压减振、注浆加固等减振措施。本文依托浦梅铁路岐山隧道近接既有高铁线路的工程建设，对铣挖切槽爆破开挖核心土的开挖方法进行研究，利用铣挖切槽作为减振措施，达到减弱爆破振动目的。

2 模型建立与分析

2.1 工程概况

岐山隧道全长1 065 m，全位于既有赣瑞龙和赣龙线之间，距离既有线最小间距38 m(Dy2K395+160)，位于隧道出口段，设计均为V级围岩，设计采用上下台阶法控制爆破开挖近接既有高铁线路施工。岐山隧道近接既有高铁线路平面位置关系如图1所示。

2.2 铣挖切槽减振措施

岐山隧道最小间距近接施工段，原设计采用上下台阶法控制爆破开挖。为了减小爆破振动对围岩及既有结构的扰动，如图2所示，设置1 m宽的铣挖切槽以实现爆破减振作用。

2.3 计算模型

为了明确铣挖切槽爆破开挖核心土法与上下台阶法控制爆破的开挖效果，如表1设置6种工况进行计算分析。两种开挖方法的计算模型图3～图4所示。

图1 隧道出口段近接既有高铁平面(单位：m)

图2 铣挖切槽爆破开挖示意

2.4 材料参数

岩石和二次衬砌、炮泥采用理想弹塑性动力学模型进行求解计算。计算所需材料的具体参数见表2、表3和表4。

表1 各工况下铣挖爆破结合工法设置

图3 上下台阶法爆破开挖示意

图4 铣挖切槽爆破开挖示意

岩石强度密度ρ/(g·cm-3)弹性模量E/GPa泊松比γ/Mbar屈服强度/GPa切线模量ET /GPa硬化系数/Mbar衬砌2.40310.200.0312.6———炮泥2.301.00.350.0050.50.410MPa2.152.60.320.011.00.515MPa2.208.50.300.0153.270.520MPa2.2515.70.280.026.130.5

表3 炸药参数

表4 空气参数

2 计算结果分析

如图5所示，在地表处距离震源每隔10 m处布置一个监测点，以便提取各监测点的综合振速最大值以及相应节点所属单元最大、最小主应力。

图5 监测点布置示意

2.1 综合振速分析

提取各监测点的综合振速，如表5所示。

由表5可知：相同岩石强度条件下，地表各点综合振速在铣挖爆破联合开挖条件下均比上下台阶爆破开挖有大幅度的减小，最大减小幅度达到60 %。因为设置的铣挖切槽避免了爆破振动对周围岩土体的直接冲击，极大地减小了爆破对围岩的扰动和临近建筑物的影响。

由图6和图7可知，不同开挖方法条件下，地表水平方向的综合振速最大值由近向远逐渐减小，在距震源20 m范围内衰减速度快，大于20 m后衰减缓慢。对比同种开挖方法，综合振速最大值随岩石强度增大而减小。采用上下台阶爆破开挖的综合振速最大值为4.12 cm/s，而铣挖爆破联合开挖的综合振速最大值为1.78 cm/s，相比减少了56.8 %。

图6 上下台阶爆破开挖地表综合振速分布

图7 铣挖爆破结合开挖地表综合振速分布

表5 各工况下地表监测点振速

2.2 最大主应力分析

提取各工况地表各监测点的最大主应力，如表6所示。

表6 各工况下地表监测点最大主应力值

由表6可知：岩石强度相同时，地表各点最大主应力在铣挖爆破联合开挖条件下均比上下台阶爆破开挖有大幅度减小，最大减小幅度达到56.7 %。

对比同种开挖方法，地表各点最大主应力随岩石强度增大而减小。采用上下台阶爆破开挖最大主应力最大值为155.45 kPa，而采用铣挖爆破联合开挖最大主应力最大值为80.91 kPa，相比减少了52 %。

2.3 最小主应力分析

提取各工况地表各监测点的最小主应力，如表7所示。

由表7可知：岩石强度相同时，地表各点最小主应力在铣挖爆破联合开挖条件下均比上下台阶爆破开挖有大幅度的减小，最大达到58.6 %。

表7 各工况下地表监测点最小主应力值

对比同一种开挖方式下，不同岩石强度条件下地表各点最小主应力随岩石强度增大而减小。采用上下台阶爆破开挖最小主应力最大值为177.42 kPa，而采用铣挖爆破联合开挖的最小主应力最大值为88.45 kPa，相比减少了50 %。

在不同开挖方法条件下，地表沿水平方向最大、最小主应力最大值分布由近向远逐渐递减，并且在震源附近衰减的速度较快，远离震源位置衰减缓慢。

4 结论

采用LS-DYNA软件，对不同围岩条件下采用铣挖爆破综合开挖方法进行模拟分析，得出以下结论：

(1)通过设置的铣挖切槽避免了爆破振动对周围岩土体的直接冲击，极大地减小了爆破对围岩的扰动和临近建筑物的影响。

(2)地表各点综合振速、最大主应力、最小主应力在铣挖切槽爆破开挖核心土开挖条件下均比上下台阶爆破开挖有大幅度的减小，最大减幅达到60 %、56.7 %、58.6 %。

(3)铣挖爆破联合开挖的综合振速、最大主应力和最小主应力的最大值比上下台阶爆破开挖分别减少了56.8 %、52 %和50 %。