盾构隧道联络道爆破施工优化

杨 波， 王海亮， 褚夫蛟， 周 勇， 肖景鑫， 张 栋

(1.中铁二局集团成都新技术爆破工程有限公司， 成都 610031； 2.山东科技大学安全与环境工程学院， 青岛 266590；3.山东理工大学资源与环境工程学院， 淄博 255000； 4.武汉理工大学资源与环境工程学院， 武汉 430070)

随着经济的快速发展，中国基础设备建设进入高速发展阶段，地下隧道的建设也越来越多，但是在隧道建设过程中，盾构隧道联络道爆破施工不可避免的会对既有隧道造成不良影响，甚至造成隧道的变形、失稳等情况[1-2]，引起了中外学者的广泛关注。Zhao等[3]采用现场监测和数值模拟结合的研究方法对邻近隧道爆破振动对既有隧道影响进行试验和数值研究。Yu等[4]提出了爆破施工引起的既有隧道振动的监测方案，根据爆炸振动的现场监测数据，总结了三种爆炸振动不同方向传播的爆炸振动波的频谱变化特性。杨建群等[5]通过连续-非连续数值计算方法(distinct lattice spring model， DLSM)计算软件进行数值模拟计算，分析水平层状岩体隧道中爆破施工对临近隧道的影响。林立宏等[6]通过数值模拟和现场试验对比爆破隧道与邻洞隧道振动响应差异性研究爆破作用下邻洞隧道振动响应特征及衰减规律。刘赶平[7]采用现场监测与数值模拟相结合的方法，通过对主洞开挖爆破作用下主洞及邻近斜井支洞围岩中的爆破振动速度响应特征进行分析得出主洞与斜井交汇区域振动速度不随着爆心距的增加而减小，而是出现小幅的增大。刘敏等[8]通过数值模拟的方法研究了爆破对小净距隧道支护结构的影响，得到了不同隧道结构的震动、应力的动态响应情况。程平等[9]亦采用了数值模拟的方法研究了在隐伏岩溶区爆破开挖对小净距隧道施工安全的影响，获得了爆破振动效应下围岩的应力及位移情况。

以上研究为隧道爆破的稳定性影响的研究提供了很好的基础，但是这些研究大都是新建隧道施工对现有隧道、临近隧道的稳定性的影响，但是联络道爆破施工对隧道的稳定性影响也比较大，现结合青岛市某线地铁盾构隧道联络道爆破开挖工程，根据盾构隧道与联络道空间位置关系及围岩特点优化爆破开挖方案，利用有限元软件建立隧道型，模拟爆破掌子面与盾构隧道右洞管片0距离接触的极限状态下，管片的动态响应情况，以此验证采用此方案的安全性。

1 项目概况

青岛市地铁8号线大洋站～青岛北站区间连接北岸红岛高新区和青岛东岸城区，穿越胶州湾海域。其中海域盾构段2.9 km(泥水盾构施工)，爆破施工包含6～8号联络通道，爆破作业段位于海域，平均水深4～8 m变化，爆破周围及地面无建(构)筑物、管线等重点保护对象。作业部位高程约-40 m，其上覆岩层主要为凝灰岩，岩层上覆盖层数不等的中粗砂、泥质粉质黏土、淤泥等。

在联络道开挖初期，对开挖端隧道进行了管片切割，先进行矩形小断面的开挖方式，以减小爆破对管片的冲击，继而矩形断面扩挖至拱形断面。以8号联络道为例，联络道从盾构隧道左洞始挖，其拱形断面高4.9 m，宽4.5 m，爆破设计如图1所示，相关爆破参数如表1所示。

表1 联络道爆破参数

数字为起爆雷管段别

联络道爆破施工时，由于爆破施工部位离隧道盾构安装的管片较近，爆破冲击很大程度上会导致管片失稳，为了降低对管片所造成的损失和减少管片位移，需对爆破网路及参数进行优化。为降低爆破荷载对围岩的冲击作用，从减小最大一次齐爆药量的角度出发，对8号联络道爆破方案进行优化，将桶形掏槽调整为渐进式螺旋掏槽，并增加崩落眼的延时间隔数量，爆破方案优化后如图2所示，相关爆破参数如表2所示。

表2 优化后联络道爆破参数

数字为起爆雷管段别

为了解联络道开挖对盾构隧道管片的影响，掌握优化后的爆破方案所取得的有益效果，需对爆破施工进行数值模拟研究，对比得到2种爆破方案下，盾构隧道对联络道爆破荷载作用的动态响应情况。

2 数值模拟

2.1 模型建立

数值模拟8号联络道爆破开挖情况，为得到爆破方案优化前后的盾构隧道管片动态响应情况，建立完整的隧道右洞管片模型，模拟爆破掌子面与盾构隧道右洞管片0距离接触的极限状态下，管片的动态响应情况。根据联络道与盾构隧道的关系以及所在区域的地质情况，结合隧道管片结构及配筋设计资料，建立有限元模型如图3所示，并划分网格，模型尺寸为35 m(长)×30 m(宽)×22 m(高)，除隧道外模型介质均为微风化凝灰岩，建模所用材料参数如表3所示。

图3 有限元模型

表3 模型所用材料参数

2.2 荷载设置

2.2.1 上覆静荷载

8号联络道上部除微风化凝灰岩外还有中粗砂、粉质黏土、淤泥及海水，根据地质剖面图及各层位介质的厚度、密度，通过公式P=ρgh计算得到模型上覆荷载为626.416 kPa，其中，P为荷载；ρ为介质密度；g为重力加速度；h为介质厚度。

2.2.2 爆破动荷载

目前对隧道爆破振动影响的研究中，关于爆破冲击荷载的相关参数尚无较为完善的方法和理论加以确定。结合前人研究，采用目前应用较为广泛的三角形荷载方式来模拟爆破荷载时程曲线[10]，最大爆压计算公式为

(1)

式(1)中：Z为比例距离，Z=R/Q，其中，R为爆心至荷载作用面的距离；Q为最大一次齐爆药量。

三角形荷载的时间包括上升段时间、总作用时间，其计算公式分别为

(2)

(3)

结合隧道爆破方案，模拟计算联络道爆破开挖下的振动响应，由于周边孔采用不耦合装药，会减弱炸药爆炸对炮孔壁的冲击，从而降低爆破荷载，因此方案优化前荷载以1.6 kg最大一次齐爆药量的辅助孔作为计算基础，而方案优化后荷载以0.8 kg最大一次齐爆药量的辅助孔作为计算基础，两种爆破方案模拟采用的爆破荷载时程曲线如图4、图5所示，所建荷载均匀施加在开挖轮廓面上。

图4 联络道爆破荷载时程曲线

图5 爆破方案优化后联络道爆破荷载时程曲线

2.3 数值模拟结果

2.3.1 主应力分析

提取爆破方案优化前后隧道右洞管片的最大、最小主应力，如图6、图7所示。提取联络道开挖轮廓外主应力数据，结果如表4所示。

从图6、图7可以看出，当联络道掌子面与盾构隧道管片0距离接触时，在隧道管片上出现了较高的应力集中现象，其中最大主应力主要集中在开挖轮廓附近，而最小主应力主要集中在爆心附近。由于轮廓内管片在联络道开挖前后需切除，因此仅对轮廓外的主应力进行分析。从表4中可以了解到，当爆破方案优化后，最大最小主应力的极值均较优化前有了非常大幅度的降低，分别降低了63.45%、36.60%，由于管片混凝土采用C55等级，内置HPB300钢筋(屈服强度为300 MPa)，由此可知优化后的应力值不会造成管片的整体失稳。而此时开挖轮廓内部应力集中明显，仍然会导致管片破损。

表4 轮廓外管片主应力最大值

图7 优化后方案爆破后管片主应力云图

2.3.2 螺栓应力分析

结合上述结论，提取爆破方案优化前后管片间螺栓的轴向应力。由于管片连接所用螺栓材质均采用316L不锈钢，螺栓根据《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.6—2014)选择A4L-80P等级，经查表得到此类螺栓屈服强度最小为170 MPa。以此为参照，获取不同距离下螺栓爆破响应的安全性。数值模拟结果如图8所示。开挖断面轮廓外的螺栓应力情况如表5所示。

从图8中可以看出，爆破方案优化前后，爆破导致的螺栓应力最大值位于开挖轮廓范围内，而轮廓外的具有最大应力值的螺栓均位于轮廓同一侧。由表5可知，爆破方案优化后，螺栓的动态响应明显降低，最大应力值由了较打幅度的减小。以螺栓的屈服强度170 MPa为参照，爆破方案优化前，开挖轮廓内外的螺栓均有产生破坏的情况。而爆破方案优化后，位于开挖轮廓内的最大螺栓应力值为98.37 MPa，小于其强度，而轮廓外的最大应力值仅有64.83 MPa。较优化前相比，开挖轮廓内外螺栓应力分别降低了77.23%、72.36%。由此可知，爆破方案优化后，盾构隧道管片整体的连接螺栓均不会发生屈服，管片连接的安全稳定能够得到充足的保障。

表5 螺栓轴向应力值

图8 螺栓轴应力云图

2.3.3 管片位移

提取联络道掌子面爆破导致的管片间的接触位移，模拟结果如图9所示。

从图9中可以看出，管片间最大相对位移集中在爆心位置。而爆破方案优化后，联络道开挖轮廓内的位移变化不大，约为11.1 mm，而轮廓外的位移明显减小。提取轮廓外的最大位移可知，采用优化前的爆破方案，轮廓外的最大相对位移为3.6 mm，而方案优化后的位移为2.6 mm，位移减小了27.78%。由此可知，爆破方案优化后，联络道爆破对轮廓外管片的扰动有了明显的降低。

图9 管片相对位移云图

3 结论

(1)针对联络道爆破开挖影响盾构隧道管片稳定性问题，通过数值模拟软件，建立联络道与盾构隧道管片的关系模型，以联络道掌子面与管片0距离接触作为研究对象，获取联络道爆破开挖方案优化前后掌子面爆破对管片稳定性的影响。

(2)通过数值模拟得到了爆破方案优化前爆炸应力对管片的冲击应力超过了管片强度，而方案优化后，主应力值降低较明显，最大降幅63.45%，此时管片的整体稳定性得到了保障。而开挖轮廓内的管片仍然受到了较大的应力冲击，此时较容易发生破损现象。

(3)提取方案优化前后管片连接螺栓的轴向应力，得到爆破方案优化后，螺栓应力较方案优化前有了非常大的降幅，开挖轮廓内外的螺栓应力分别降低了77.23%、72.36%，降低后的应力均小于螺栓的屈服强度。

(4)对管片间的相对位移进行分析，通过提取的结果可知，方案优化后轮廓内位移依然较大，而轮廓外位移仅为2.6 mm，较优化前降低了27.78%，由此可知管片是相对稳定的。

(5)通过以上分析可以看出，方案优化后管片的稳定性有了较大幅度的提升，由此可知，对于近距离隧道爆破应注意减小一次起爆的炸药量，爆破设计前应充分考虑到爆炸冲击对临近结构的影响，通过数值模拟的方式能掌握爆破的动态响应情况，从而确定合理的爆破参数。