小净距隧道全断面扩挖爆破振动影响分析

2021-04-27崔文镇

铁道建筑技术 2021年2期

崔文镇

（中铁二十局集团第六工程有限公司陕西西安 710032）

1 引言

伴随我国经济迅猛发展，现有铁路运输能力已不能满足日益增长的需求。出于最优选线、经济、环保考虑，在原有路网基础上通过邻近既有线增建工程或对既有线采取扩能改造成为首选方案。改扩建工程既要考虑拆除原结构支护措施，又要考虑改扩建时爆破作业对围岩及邻近隧道结构的再次扰动。田世雄等［1］采用动态信号测试分析系统研究了应变与振动速度之间的关系；李秀地等［2］采用强度折减法研究了地震波对沉管隧道结构产生的影响；宗琦［3］等采用HHT分析法研究了爆破振动波的能量分布；刘冬等［4］采用完全重启动数值方法获得了质点振动速度和衰减关系；张新波［5］通过实际工程案例进行数值模拟计算，对萨道夫斯基公式在小间距隧道振速应用进行修正；黄伦海等［6］采用相似模拟和数值计算相结合的方法总结了扩建隧道施工的围岩变形、应力变化规律；吴忠仕［7］通过现场测试与三维数值模拟的手段对既有衬砌在爆破荷载作用下的振速峰值和应力进行分析；李军等［8］采用ANSYS/LS-DYNA非线性动力分析软件研究近距离隧道施工，提出了合理的爆破参数；韩高升［9］依据现场地质条件优化爆破方案，通过监控振动阈值保证了结构安全。目前主要是通过分部爆破作业或对既有隧道先进行预加固再扩挖等措施实现减小爆破振速、保证围岩稳定和结构安全，但对施工效率和运营产生一定的影响。本文对爆破振动引起既有隧道的动力响应进行分析，利用既有铁路运营间隙时间，充分发挥精确延时错峰减振技术，实现了小净距既有隧道Ⅲ级围岩全断面法扩挖，安全高效地完成施工任务，对今后类似隧道扩挖提供一定借鉴和参考。

2 工程概况与难点分析

2.1 工程背景

新郁山隧道是涪秀二线铁路工程铺架线路控制性工程，全长7 248 m，与既有郁山隧道并行，线间距40～50 m。进口端在两隧道之间设置既有平导，与新建隧道线间距30 m，与既有隧道线间距12～20 m，全长1 860 m，位置关系见图1。既有平导为有轨运输小道断面，净空尺寸为3.0 m（宽）×3.26 m（高）。增建二线后，为满足排水及防灾救援通道功能，需将既有平导扩挖，净空尺寸增加至5 m×6 m。其中平导Ⅲ级围岩占82%，Ⅳ级围岩占1%，Ⅴ级围岩占17%。既有平导扩挖先行施工，随后开展新郁山隧道开挖施工。

图1 新建隧道及扩挖平导与既有隧道位置关系

2.2 工程难点分析

（1）小间距并行扩挖爆破作业环境复杂

平导扩挖后与既有隧道最小净间距仅5.69 m，如采用非爆开挖，受岩质坚硬、作业空间小等因素限制，功效非常低，无法满足铺架工期要求。平导扩挖采用钻爆法作业，将不可避免地对既有隧道的围岩稳定及结构安全造成极大影响，同时新郁山隧道后续开挖时对平导、既有线隧道再次产生扰动。为防止爆破振动多次叠加诱发安全隐患，降低爆破作业对围岩、结构及既有线运营产生的不良影响，对扩挖平导占比最多的Ⅲ级围岩段落采用全断面法一次爆破到位，给爆破参数设计和爆破振动速度控制提出了严格要求。

（2）地质构造复杂

（3）工程主体病害复杂

既有郁山隧道于2013年12月28日运营通车，平导洞身通过地段大部分为水平岩层，且溶洞较多；设计82%段落为锚网喷结构，个别地段已出现垮塌现象；部分衬砌段落边墙砼多处开裂，局部外鼓严重。运营郁山隧道正洞衬砌总体情况良好，不同程度有不规则裂纹、衬砌接头处有混凝土剥离脱落现象以及郁山隧道施工中塌腔及二衬背后空洞处理遗留病害等，爆破施工产生振动及冲击后是否发生安全事故或是否会危及既有隧道安全甚至出现灾难性后果，均不得而知。

3 平导扩挖控制爆破施工方案

（1）设计原则

根据《爆破安全规程》（GB 6722－2014）规定交通隧道安全允许质点振动速度标准为10～20 cm/s，同时考虑既有隧道存在施工处理或病害地段，以及既有隧道内电力设备安全，为确保运营安全，爆破振速严格控制在2.5 cm/s范围内。以萨道夫斯基公式为基础，结合相关研究表明，隧道掘进爆破，最大振动速度出现在掏槽孔，振动衰减参数K值随着段数的增加逐渐减少，α值基本保持不变［10］。而本方案为扩挖控制爆破，基本可以忽略掏槽孔爆破时产生的强烈振动效应。通过利用已有临空面的优势条件，选用低猛度、低爆速炸药，减少单响爆破炸药用量，非电导爆管雷管毫秒延迟起爆，以及不耦合空气柱间断装药，充分发挥精确延时错峰减振技术，降低爆破振速。

（2）施工方案

平导Ⅲ级围岩爆破参数设计结果见表1。

表1 平导Ⅲ级围岩扩挖爆破参数设计

爆破作业面上共布置65个炮孔，其中辅助眼33个、周边眼 32 个。雷管分别采用 3、5、9、13、17段，孔内微差延时爆破，总装药量64.6 kg，单孔最大装药量1.5 kg，单响药量为3.0～16.5 kg。最小药量的先起爆，随临空面逐步加大，起爆药量适度增加。炮孔布置与起爆网路见图2。

图2 平导扩挖爆破施工设计

4 爆破振动测试方案分析

4.1 振动判据分析

现代工程爆破的观测和研究表明，振动时间的长短对结构体的破坏有着重要影响。本测试方案中为防止产生地震波叠加，爆破各段的微差时间一般要求不小于200 ms，同时考虑到地下构筑物的固有频率较低［11］，为防止产生共振危害，爆破振动测试方案选取高频振动为主。

4.2 测试方法与量测系统

（1）测试方法

在实施过程中，参考爆破振动测试方法［12］，将振动速度指标按照水平横向、竖直垂向、水平纵向三个方向分别进行测量，并分别分析影响程度。测试爆破振动效应选用SD-1型振动速度传感器作为拾振器，选用EXP4850型爆破振动分析仪记录各测点的振动信号，该仪器具有CH1、CH2、CH3三个测试通道，分别测试水平纵向X方向（平行隧道边墙方向）、水平横向Y方向（垂直隧道边墙方向）和竖直垂向Z方向（竖直于隧道边沟盖板方向），通过RD263串口将采集的振动数据输入电脑软件进行波形判释与分析。

（2）测试方案

由于既有隧道存在裂缝、空洞及不密实情况，爆破地震效应监测时，监控点应尽可能选择在上述不利位置进行测试，同时为研究爆破振动效应，确定隧道爆破施工安全范围或划定爆破危险区域，需在爆破振动效应较大的区域内布设测点，以便分析爆破振动强度随爆心距离变化的规律［13］。

在扩挖爆破里程对应既有隧道相同断面处，将爆破振速传感器布设在老隧道靠近爆破侧边墙水沟上，并前后每隔10 m布设2组监测点，监测范围40 m。在同一测点布设传感器可测量竖直垂向、水平横向和水平纵向三个方向速度，传感器采用石膏粘接牢固。测点布置见图3，实测现场见图4。