邻近铁路隧道爆破施工动力影响研究

陈 壮

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国铁路隧道建设事业的蓬勃发展，越来越多的新建铁路隧道工程将投入建设，由于受地形地质条件等因素的限制，新建隧道与既有隧道之间设计距离较近，交叉角度小，新建隧道在施工过程中，对既有隧道结构破坏、影响运营安全的情况时有发生。这就产生了下穿隧道爆破施工时，既要保证隧道施工安全，又要能使既有隧道安全稳定的关键问题。因此，合理组织施工方案是减少对既有隧道影响的重要技术措施，通过数值实验仿真分析，研究隧道施工对既有隧道的影响具有非常重要的现实意义[1-2]。

1 工程概况

边岩隧道下穿既有线焦柳铁路蜈蚣山一号隧道，交叉点铁路里程为DK48+580，平面交角34°轨底标高为325.802 m，对应焦柳铁路里程为K1004+563.5，轨面标高为369.479 m，结构净距43.677 m，既有焦柳铁路上跨新建边岩隧道，近接最短距离约30 m。

2 数值模拟分析

2.1 有限元模型

工法采用三台阶法，隧道边缘以外3 m范围采用注浆加固。以新建隧道与既有隧道中心线交汇处为中心，掘进正、反方向取30 m研究范围，模型上、下取4倍洞径，为48 m。考虑中台阶长度4 m，下台阶长度6 m，上台阶开挖至两条隧道中心线交汇处为计算工况，计算所用的三维模型展示了两隧道的空间位置关系(图1)。

图1 隧道空间位置关系

2.2 爆破荷载计算参数及控制标准

岩体爆炸是一个复杂的瞬时过程，炸药在炮孔中爆炸产生高温高压的爆生气体在炮孔中急剧膨胀，产生爆破冲击波,作用于周围岩体，形成了粉碎区，接着迅速衰减为应力波[3-5]。由于炸药爆炸机理及其影响因素的复杂性，当前并没有有效的量测手段，因此无法准确确定爆炸过程的每一细节。目前常用的方法是根据相关的经验公式和爆破振动的监测结果推测爆炸冲击波的大小及衰减情况。在数值模拟中通常的做法是假定爆破输入荷载为三角形脉冲波，该荷载形式需要确定荷载峰值和爆破荷载作用时间。

根据现有研究成果[6-7]，当采用的装药形式为不耦合装药时，单个炮孔初始平均压力P0由下式确定。

(1)

式中：dc为装药直径；db为炮孔直径。

对于大且复杂的三维模型，为简化建模工作量和节省计算工作量，等效荷载在建模时不考虑炮孔形状，即在模型中不体现出来，然后对爆破荷载时程曲线进行等效，施加在同排炮孔连心线与炮孔轴线所确定的平面。为此本文采用等效压力施加在炮孔轴线与同排炮孔连心线所确定的平面上，压力作用的深度范围与炮孔内装药段长度相等，施加的等效压力Pe为：

Pe=(2r0/a)p0

(2)

式中：r0为炮孔半径;a为炮孔间距。

对于爆破荷载的作用时间，爆破荷载作用时间假设为t2=6ms，其中上升时间t1=1ms，下降时间为5 ms。等效三角爆破荷载曲线如图2所示。

图2 爆破荷载时程曲线

2.3 断面监测

本次模拟主要对新建隧道与既有隧道中心线交汇处断面进行监测，该断面是两条隧道空间关系上最近的断面，同时，作为对比，监测新建隧道与既有隧道外轮廓相交处的断面，其中包括已开挖段和未开挖段。断面监测点布置图如图3，监测断面设置如图4。

图3 断面监测布置

图4 监测断面

3 计算结果分析

由于篇幅有限，仅列出监测断面一上台阶爆破施工对既有铁路隧道的最大振动速度。图5列出了X、Y、Z三个方向最大振动速度变化关系。

(a)既有隧道底板监测点1振动速度时程

分析可知上台阶施工时，对既有隧道造成的影响最大。底板监测点中，最大速度为Z方向振动速度，为3.01 cm/s，拱墙及拱顶的振动速度相比底板振动速度更小，拱墙和拱顶部位未发现有振动超限的情况。一方面底板距离新建隧道最近，其次开挖上台阶时，相较于中台阶及下台阶，爆破部位距离监测截面是最近的，因此这种振动效应最明显。总体而言，由于新建隧道和既有隧道之间距离较大，采用该爆破设计参数不会对既有隧道造成损害。

4 结论

通过进行数值模拟，分析了下穿隧道爆破施工引起既有铁路隧道的动力响应，得出如下结论：

(1)采用爆破设计参数进行施工时，可能出现少许既有隧道底板振动速度超限的情况；但这是基于计算模型围岩采用连续均匀介质的前提。在实际情况下，由于围岩为V级围岩，围岩破碎且存在节理，能在一定程度上阻碍爆破地震波的传播，因此可认为采用该套爆破设计参数是安全可靠的。

(2)最危险的断面在于上台阶掌子面所对应的既有隧道段面，该断面实施爆破施工时距离既有隧道最近，应当重点监控；其次是新建隧道掌子面后方的区域，由于该部分围岩相对已经开挖的区域具有更高的完整性，爆破地震波传播衰减小，对既有隧道影响大，因此也应当重点监测；而对于已经开挖区域对应的既有隧道区域，可以作为次要监测区域，因为该区域受到的爆破地震波影响最小，其原因是新建隧道本身起到了隔震的作用。

(3)隧道的上、中、下三个台阶的面积比会影响既有隧道监测，是因为开挖断面越大，起爆时药量越大，产生的爆破振动作用越大。对此可以考虑调整台阶面积比、采用微差起爆或者设置减震措施等手段进行防护。