空间交叉隧道爆破施工动力响应分析

朱洪江

(西南交通大学，四川成都 610031)

1 新建隧道对既有隧道的影响

随着我国基建事业的发展，越来越多的新建复线工程将投入建设，由于受地形地质条件等因素的限制，新建隧道与既有铁路隧道之间设计距离较近，新建隧道在施工过程中，既有隧道结构破坏、影响运营安全的情况时有发生。合理组织开挖方案是减少对既有隧道影响的重要技术措施。因此，通过数值仿真分析，研究隧道施工对既有隧道的影响具有重要现实意义。国内外学者针对新建隧道对既有隧道的影响问题开展了一些研究，取得了部分研究成果。研究内容主要集中在以下两个方面。

(1)新建隧道施工方法及工艺对既有隧道的影响。通过三维物理模型试验，研究新建立交隧道施工对既有隧道的影响[1]。采用数值模拟的方法，研究上穿既有地铁隧道的作用机理[2]，分析新建隧道和既有隧道对不同的开挖方案的施工方法选择敏感性的影响，计算双孔隧道开挖掌子面间的合理纵向间距[3]，引入屈服接近度概念探讨隧道不同近接施工力学变化规律[4]，对比分析明挖暗埋法和暗挖法新建隧道施工时既有隧道的变形及内力变化规律[5]。结合现场实测资料，分析新隧道开挖过程中既有隧道衬砌结构的变形和衬砌混凝土的应变变化情况[6]，探讨既有隧道的加固方法和新建隧道的施工对策。

(2)施工爆破振动对既有隧道结构的影响。通过对不同围岩类别和不同间距的隧道进行爆破振动监测和模拟分析，采用经验参数或理论研究分析评价爆破振动影响和开挖引起的围岩应力重分布的影响[7-10]。从国内外研究现状可以看出，众多学者重点分析了新建隧道爆破振动及不同净距对既有隧道的影响，但是对于新建隧道不同施工方案，其合理施工方法与施工顺序的研究尚不够深入。

鉴于此，本文重点分析新建引水隧洞工程采用全断面法爆破、上下台阶法爆破施工方法，研究对既有铁路隧道结构的潜在影响包括爆破振动影响和开挖后围岩应力重分布引起铁路隧道沉降与变形，为新建引水隧洞工程施工方案的合理选择提供参考。

2 引水隧洞与既有铁路隧道空间位置关系

新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞K7+941.06～K8+141.06交叉影响段200 m与衢宁铁路古田隧道交叉角度约51°，交叉中心里程为DK158+332。对应衢宁铁路古田隧道交叉段范围里程为：DK158+232～DK158+352(隧道出口)，总长120 m。瑞垟引水一期工程8#引水隧洞与衢宁铁路古田隧道平面位置关系如图1所示。

图1 引水隧洞与衢宁铁路古田隧道交叉段平面位置关系

瑞垟引水一期工程8#引水隧洞与衢宁铁路古田隧道走向夹角约51°，此处衢宁铁路隧道轨顶高程为287.51 m，瑞垟引水一期工程8#引水隧洞洞底高程为238.00 m，洞顶高程为241.35 m，与铁路隧道内轨顶面垂直净距约46.0 m，与隧道结构净距约44.0 m。交叉段竖向位置关系如图2所示。

图2 瑞垟引水一期工程8#引水隧洞与衢宁铁路古田隧道交叉段纵断面位置关系

3 爆破振动理论计算

从爆破振动指标对引水隧洞施工对衢宁铁路塔古田隧道既有线的影响进行分析。一般认为冲击波对既有铁路线无影响，故在此仅对爆破振动对衢宁铁路既有线的影响进行评价，分析对象为衢宁铁路古田隧道距隧洞爆破施工段最近处铁路轨道(路基)、接触网钢筋混凝土支柱。

3.1 爆破装药量控制标准

根据反映爆破振动规律的萨道夫斯基公式，爆破振动装药量计算公式为

(1)

式中：v为爆破地震速度，cm/s；Q为总装药量或最大段药量，kg；R为爆源到被保护物的距离，m；

k、α为与介质、爆破方式等因素有关系数，选取可以参照表1。

表1 不同岩性K、α取值

按最为保守的最不利工况选取K、α值，隧道爆破围岩岩性按中硬岩考虑，K值按中硬岩石最不利时选取最大值150，α按最不利取最小值1.3。

3.2 计算参数的确定

由前述新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞与衢宁铁路古田隧道的空间相对位置关系可知，引水隧洞距古田隧道内轨顶面46.21 m。计算爆破振动影响时，考虑到隧洞整体开挖影响，爆源到需保护的铁路轨道(路基)间距取42 m，爆源到接触网钢筋混凝土支柱间距取46 m。

如果按未铺轨的控制标准计算爆破振动对衢宁铁路古田隧道的影响，引水隧洞采用全断面法爆破开挖时，参考式(1)可以计算，得出单段最大装药量为28.91 kg，实际考虑到引水隧洞的大小(宽3.5 m，高3.35 m；S=13.8 m2)，最大段装药量一般达不到这么大，可按最大段装药量12 kg考虑。

3.3 计算结果及其分析

3.3.1 计算爆破振动对铁路轨道(路基)的影响

基于上述确定的计算参数及建议的最大段装药量，再代入式(1)的变式计算可得

(2)

如果引水隧洞在上方铁路古田隧道铺轨前穿越施工，则v=3.42 cm/s小于本工程要求的振动速度控制值5.0 cm/s，对铁路隧道振动影响处于安全范围内；

如果引水隧洞在上方衢宁铁路古田隧道铺轨后穿越施工，由于v=3.42 cm/s大于本工程要求的振动速度控制值3.0 cm/s，则按单段最大装药量12 kg会对铁路隧道振动造成安全影响，需要进一步采取施工控制措施。

3.3.2 计算爆破振动对接爆源到接触网钢筋混凝土支柱的影响

基于上述确定的计算参数，代入式(1)的变式计算可得

(3)

即有v=3.03 cm/s小于本工程要求的振动速度控制值4.0 cm/s，因此施工爆破对衢宁铁路接触网钢支柱的影响是处于安全范围内的。

4 计算模型及参数选取

应用大型有限计算软件Midas GTS进行数值模拟分析。根据隧道地质剖面图，结合工程经验和理论分析，所取土体范围为水平45 m、纵向200 m、竖向至地表，见图3和图4所示。

图3 三维数值计算模型

图4 隧道空间位置关系模型

4.1 基本假定

由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设：

(1)围岩土体材料为均质、各向同性的连续介质，假设其为理想弹塑性材料。基于宏观材料行为，岩土体采用摩尔库伦弹塑性模型，采用实体单元模拟土体。该模型在数值计算中效率很高，效果较好，收敛很快，计算相对稳定，能较好的描述岩土材料的力学行为，在岩土工程领域内得到了广泛的应用。

(2)在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。

(3)衬砌采用弹性模型，新建引水隧洞初期支护和二次衬砌采用实体单元模拟，既有铁路隧道初期支护和二次衬砌也采用实体单元模拟。

4.2 计算参数

根据地勘报告中的地质参数及TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》，并参考类似工程，进行了力学计算参数的取值。新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞位于Ⅳ级围岩，既有衢宁铁路古田隧道位于Ⅴ级围岩；新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞初支采用15 cm厚C20喷混凝土，衬砌采用40 cm厚模筑C30混凝土；既有铁路隧道初支采25 cm厚C25喷混凝土，衬砌采用45 cm厚模筑C35钢筋混凝土。具体参数见表2。

表2 材料参数

4.3 模拟过程

新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞采用全断面开挖方式。具体的模拟过程如下：

(1)边界条件和初始条件：模型的四周、底部边界为法向约束，模型首先达到初始应力平衡状态。

(2)开挖：模拟过程中，新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞沿着其轴线方向推进，采用全断面法开挖，每步开挖后，立即对模型进行求解，使其处于应力平衡状态。

(3)支护：开挖后，在瑞垟引水一期工程8#引水隧洞周围施做初期支护和二次衬砌等支护体系，并进行计算分析。

5 计算结果分析

为分析新建引水隧洞施工对既有铁路隧道位移、内力和应力的影响，选取3个典型施工步进行分析，这3个典型施工步为新建引水隧洞施工至既有铁路隧道近侧(引水隧洞开挖80 m)、新建引水隧洞施工至既有铁路隧道中心(引水隧洞开挖100 m)、新建引水隧洞施工至既有铁路隧道远侧(引水隧洞开挖120 m)。

5.1 位移分析

根据计算结果，新建引水隧洞分别施工至既有铁路隧道近侧(引水隧洞开挖80 m)、新建引水隧洞施工至既有铁路隧道中心(引水隧洞开挖100 m)和新建引水隧洞施工至既有铁路隧道远侧(引水隧洞开挖120 m)时，既有铁路隧道位移云图如图5所示。

从图5中可以看出，当新建引水隧洞分别施工至既有铁路隧道近侧，即引水隧洞开挖至80 m时，既有铁路隧道位移云图如图5(a)、图5(d)和图5(g)所示，此时位移随下穿引水隧洞的施工逐步增大，最大达到0.98 mm，处于安全范围；当新建引水隧洞施工至既有铁路隧道中心，即引水隧洞开挖至100 m时，既有铁路隧道位移云图如图5(b)、图5(e)和图5(h)所示，此时位移随下穿引水隧洞的施工逐步增大，最大达到2.67 mm，处于安全范围；当新建引水隧洞施工至既有铁路隧道远侧，即引水隧洞开挖至120 m时，既有铁路隧道位移云图如图5(c)、图5(f)和图5(i)所示，此时位移随远离下穿引水隧洞中心的施工逐步减小，远侧位移为0.33 mm，处于安全范围。

5.2 振动速度分析

(1)根据计算结果，当新建引水隧洞分别施工至既有铁路隧道近侧，即引水隧洞开挖至80 m时，既有铁路隧道振动速度如图6所示。

从图6中可以看出，既有铁路隧道振动速度随下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振动速度为1.38 cm/s，未超过控制振动速度3.0 cm/s，处在安全范围之内。

(2)根据计算结果，当新建引水隧洞分别施工至既有铁路隧道正下方，即引水隧洞开挖至100 m时，既有铁路隧道振动速度如图7所示。

从图7中可以看出，既有铁路隧道振动速度随下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振动速度为3.46 cm/s，超过控制振动速度3.0 cm/s，建议减小最大段装药量和采用更短的进尺(由于数值模拟采用的2 m进尺的上下台阶法，土体考虑为均质状态，提取的点位于爆破位置的正上方，振动速度偏大，具体施工需采取相应措施控制振动速度)。

(3)根据计算结果，当新建引水隧洞分别施工至既有铁路隧道远侧，即引水隧洞开挖至120 m时，既有铁路隧道振动速度如图8所示。

从图8中可以看出，既有铁路隧道振动速度随下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振动速度为0.04 cm/s，未超过控制振动速度3.0 cm/s，处在安全范围之内。

6 结论

本文以瑞垟引水一期工程8#引水隧洞爆破施工下穿既有衢宁铁路古田隧道为背景，运用理论分析和数值模拟等方法，对新建引水隧洞爆破施工对既有铁路隧道有一定影响范围内，研究了引水隧洞开挖至既有铁路隧道近侧、中心正下方和远侧三种不同距离时爆破振动对既有铁路隧道位移和振动速度的影响，主要研究成果如下：

(a)引水隧洞开挖80 m既有铁路隧道近侧X方向位移

图6 既有铁路隧道振动速度分析一

图7 既有铁路隧道振动速度分析二

图8 既有铁路隧道振动速度分析三

(1)通过对爆破振动的影响理论计算结果分析可知，对衢宁铁路古田隧道铁路轨道(路基)振动速度大于控制振动速度超过安全范围、接触网钢筋砼支柱的振动速度小于控制振动速度，未超过安全范围。

(2)通过数值模拟实验的计算结果分析可知，爆破施工振动对衢宁铁路古田隧道的围岩影响处于安全稳定状态。但要注意的是，采用设计给定的最大段装药量开挖至铁路隧道中心处时，产生的振动速度较大，会超过振动速度安全控制值3.0cm/s，建议在施工阶段的爆破设计进一步减小最大段装药量和减小进尺来达到控制振动速度的目的。