上下平行近距离隧道爆破施工对既有隧道结构安全性的影响

2021-06-20张丽娟

运输经理世界 2021年25期

张丽娟

（福建省精创交通设计咨询有限公司，福建福州350001）

0 引言

随着交通基础设施建设蓬勃发展，交通网络日渐完善，各支线纵横交错。新旧隧道近接施工的案例越来越多。当新建隧道与既有隧道间距较小时，在保证既有隧道结构安全的前提下，修建新隧道已成为工程建设者亟待解决的难题。许多专家、学者基于工程实例，研究分析隧道爆炸引起的临近结构物的振动响应，提出合理的设计参数及防护措施等[1]。其中，在建隧道与既有隧道两者空间关系以相交或水平相邻为主，全线走向上下平行的案例较少。基于三维有限元数值模拟，研究某新建隧道施工时产生的爆破振动对平行近接的既有隧道围岩的动力响应特性，得到爆破对既有隧道的影响规律，为上下平行近接矿山法隧道施工提供参考。

1 近距离爆破对既有隧道的影响机制

岩土体爆破过程复杂，理论研究普遍认为爆破破坏是反射拉应力波与爆生气体压力共同作用的结果，即应力波引起最初的岩土体裂隙，随后爆生气体渗入裂隙，使其进一步扩展。该理论认为两者都是引起岩土体破坏的重要原因，特别是在介质破坏过程的不同阶段起着重要作用[2]。

当新建隧道与既有隧道间距较小，既有隧道位于新建隧道爆破压应力波影响范围内，新建隧道必须考虑可能产生的、对相邻既有隧道的不利影响[3]。新建隧道与既有隧道的空间位置、隧道间距等都是影响既有隧道安全性的重要因素。两者的空间位置分成两类：相交和平行。其中,两者空间相交时，爆破对既有隧道产生影响的区域面积较小。在垂直相交的情况下，影响的区域面积最小。两者空间平行时，影响的区域面积较大，既有隧道的整个迎爆面均为影响区域面。因此，新建隧道与既有隧道走向平行时是比较复杂和不利的情况。尤其两者走向上下平行时，既有隧道的衬砌结构应力还会随着上方新建隧道岩土体卸载而发生变化，相互响应机制更为复杂。基于某平行于下方既有隧道的矿山法隧道施工进行爆破影响性分析与评价。

2 工程概况

在福泉高速连接线拓宽工程中，某新建隧道与福州地铁某区间隧道走向近似平行，新建隧道位于既有地铁隧道上方。新建隧道为单洞隧道，隧道埋深3.2m，全长305m，采用矿山法施工。新建隧道在隧道进口FDHK4+775 处，隧道埋深4.4m，与既有隧道净距约18.6m；在隧道洞身FDHK4+900 处，隧道埋深17.1m，与既有隧道净距约19.6m；在隧道出口FDHK5+060 处，隧道埋深3.2m，与既有隧道净距约17.3m。新建隧道出口处与既有隧道间距最小，以隧道出口处作为分析的重点，研究新建隧道爆破对既有隧道的影响,两者横剖面关系图如图1所示。

图1 新建隧道出口处与既有隧道横剖面关系图

新建隧道所处山体属剥蚀残丘地貌，山体呈圆缓形。地铁隧道底部位于中风化花岗岩地层中，出口段的围岩等级为Ⅴ级。新建隧道进出洞口Ⅴ级围岩浅埋偏压段长为93m，采用CD 法施工，单次循环炮眼深度控制在100cm 左右，设计进尺为80cm，炮眼直径采用φ38～42mm，各道工序间隔300～500cm。

根据《爆破安全规程》（GB 6722—2014）中爆破振动安全距离公式，最大单响装药量计算公式如下：

式（1）中：V——安全允许振速取2.5cm/s；K——坚硬岩取150；a——坚硬岩取1.4；R——爆破振动安全距离为18.3m（取洞顶离爆破点的距离）；Q——爆破时最大一段的药量（kg）。

根据式（1），可求得Q= 0.95kg。因此，该工程单次爆破最大装药量为0.95kg。

3 平行近距爆破对既有隧道的影响分析与评价

采用MIDAS GTS NX 有限元程序，建立三维有限元模型。在建隧道与既有隧道的最小净距位于出口段，以出口段为主要研究对象建立模型，分析讨论：在新建隧道出口段两隧道距离最小处爆破时，既有隧道影响区域范围内的速度响应及应力响应；在新建隧道不同位置爆破时，既有隧道的速度响应以及出口段距离最小处速度响应规律。

3.1 计算假设

其一，不考虑结构面的影响，假设岩土体为连续、均匀的介质。

其二，爆破荷载简化成作用在隧道衬砌壁上的均布荷载，作用方向垂直于洞壁。

3.2 计算模型

新建隧道与既有隧道走向近似平行，两者于新建隧道出口处净距最小。通过考虑该工程的影响范围，并根据实际地形地貌条件，建立120m×100m×75m 的三维有限元模型。在模型设置中，岩土体视为理想弹塑性体，采用四面体实体单元模拟；既有隧道及新建隧道衬砌均按各向同性弹性材料考虑，采用三角形板单元模拟。三维有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

3.2.1 岩土体物理力学计算参数

岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体的物理力学参数

3.2.2 边界条件

模型边界条件主要考虑两个动力边界条件：特征值分析的弹性边界和时程分析的黏弹性边界。

（1）特征值分析的弹性边界

地表定义为自由边界，其余各面边界通过曲面弹簧定义为弹性边界。各面法向基床系数取《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）中推荐的围岩弹性抗力系数，切向基床系数取值为零。

（2）时程分析的黏弹性边界

在动力分析过程中，基于单侧波动概念的黏弹性边界，既可以约束动力问题中的零频分量，也可以模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能。采用黏弹性边界作为时程分析的边界条件，具有良好的稳定性和较高的精度。

3.2.3 爆破荷载

MIDAS GTS NX 中爆破荷载采用美国National Highway Institute 提及的公式，计算得到爆破发生时的最大爆破压力。每kg 炸药的爆破压力公式如下[4]：

式（2）～（3）中：Pdet——爆破压力（kPa）；Ve——爆破速度（cm/s）；ρ——炸药比重（g/cm3）；PB——孔壁面上压力（kPa）；dc——火药直径；dh——孔眼直径。

而实际上，作用于孔壁上的爆破压力并非常数，而是随着时间变化，通常用指数型的时间滞后函数来表达。参考类似的工程实际以及相关的计算内容，计算采用的时程动压力公式如下[5]：

式（4）中：B=16338，为荷载常量。

以上各式中，炸药爆速取值为200000cm/s，密度为1g/cm3，假定为耦合装药，可得dc=dh。通过计算，每kg 炸药产生的最大爆破压力PB=20.9MPa，加载到峰值压力的升压时间约为6ms。

3.3 结果分析

根据计算结果，分别对不同爆破位置的情况进行探讨：

其一，爆破1 位置位于新建隧道出口段FDHK5+060 处，即新建隧道与既有隧道净距离最小处，分析既有隧道影响区域范围内的速度响应及应力响应。

其二，以爆破点1 为起始点，沿新建隧道走向，每间隔15m 设置一个爆破点，分析不同爆破点爆破时既有隧道的速度响应，以及不同爆破点爆破时，对爆破点1 位置对应的既有隧道的速度响应。

3.3.1 位置1 结果分析

（1）速度响应分析

提取0.10s 时间下既有隧道的速度响应云图见图3。

图3 既有隧道速度响应云图

从图3 可知，既有隧道振速最大值为0.068cm/s，位于新建隧道起爆位置附近，隧道拱顶部位振速最大。随着时间推移，隧道振速急剧增大而后缓慢减小，受爆破振动影响的区域逐渐扩大，影响逐渐减小。

（2）应力响应分析

对应于响应时间0.10s 时，既有隧道振速最大，隧道衬砌受到最大剪应力及最大主应力作用。提取既有隧道衬砌的最大剪应力和最大主拉应力分别为43.39kPa 和76.69kPa，小于C25 喷射混凝土的抗剪、抗拉强度。既有隧道衬砌受到爆破荷载作用的抗拉和抗剪强度均在安全范围之内。

3.3.2 不同爆破位置结果分析

（1）以爆破位置1 为起始点，沿新建隧道走向，每隔15m 设置一个爆破点，分析各个爆破位置在时间为0.10s 时，既有隧道的最大速度响应，见图4。

图4 不同爆破位置引起的结构最大振动速度响应曲线

从图4 分析可得，既有隧道与新建隧道两者之间距离是重要的影响因素之一。隧道走向近乎上下平行时，单点爆破均会引起下方既有隧道产生较大的振动速度。上下平行隧道间距变化不大，前后爆破位置引起的最大振动速度变化不大，振动速度最大值位于两者距离最小处。因此，上下平行隧道近距离施工时，需全线严格控制前后爆破的时间差、爆破进尺、单次爆破量等因素，避免引起下方既有隧道的振动叠加，造成既有隧道结构的破坏。

（2）分析各个位置爆破在时间为0.10s 时，爆破位置1 处既有隧道的速度响应，如图5所示。

图5 各个位置爆破时，位置1 处既有隧道速度响应曲线

从图5 可以看出，当爆破点位于位置1 正上方时，既有隧道速度响应最大。随着爆破点与其距离增大时，位置1 处结构的速度响应逐渐减小。

综上所述，新建隧道与既有隧道上下平行建设时，新建隧道于不同的位置爆破，既有隧道均会受到较大的影响，其中爆破点正下方的隧道结构振动速度最大，应力最大，受影响最大。两隧道间距是影响既有隧道结构安全性的重要因素之一，间距越小处，既有隧道结构的振动响应越大。因此，制定合理的爆破方案，可以降低既有地铁隧道的结构振动速度，减小结构受力情况，确保了既有结构的安全性。