近距离既有隧道爆破方案优化设计*

洪祥水，宗 辉，陈 佳，符瞻远

(1.浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

0 引言

近年来，随着交通网络的不断完善，新建隧道里程数逐年增多，受地形、地质条件的限制，新建隧道可能近距离上穿或下穿既有隧道。新建隧道爆破会对邻近既有隧道造成影响，引起衬砌结构开裂、附属构造物脱落、影响行车安全等问题，因此，优化新建隧道爆破设计方案、降低对既有隧道结构和行车安全的影响至关重要。

李军等[1]的研究表明，衬砌允许安全振动速度与振动频率具有密切关系。苗培乾[2]计算了邻近铁路构筑物与隧道之间的最近距离、爆破飞石飞散的安全距离，并分析了二者的关系。吴忠仕等[3]将现场测量数据与数值模拟结果进行了对比，分析了爆破作用下结构振动速度和应力。汪波等[4]研究了爆破对既有病害隧道动力响应的影响。张立人等[5]以翻坝高速公路寨子包隧道爆破施工为依托，进行隧道爆破振动测试分析，获得爆破振动规律经验公式。刘晓敏等[6]通过数值仿真分析及现场试验等，研究了上下层叠近接隧道施工规律,优化了整体开挖方案，研发了包括减振爆破、注浆加固等工艺在内的极小净距隧道后行洞开挖技术。吴波等[7]、伍海龙等[8]、鲁啸龙等[9]使用FLAC3D有限差分软件对平行近接隧道爆破进行数值模拟分析，结果表明，静力开挖对既有隧道的影响较小，位移-主应力曲线呈S形规律性变化。施有志等[10]、刘敦文等[11]、刘唐利等[12]、陈庆章等[13]、李凤等[14]采用ANSYS/LS-DYNA软件建立双隧道模型，模拟了邻近隧道爆破对既有隧道的影响，研究结果表明，受临空面隔振影响，未开挖区域振动速度略大于已开挖隧道后方区域。孙西濛等[15]针对爆破振动危害提出了控制措施。吴跃光[16]通过采取增加雷管段位、延长爆破时间、减少掏槽眼数量和装药量、减少同段装药量等优化措施，降低爆破振动速度。上述研究主要分析爆破振动对周边结构动力响应的影响，对于近距离隧道，需进行有针对性的分析。

1 工程概况

新建毕浦隧道长370m，设计速度60km/h，与既有毕浦隧道间距仅17～26m，距洞口南侧108m为S208省道。隧道进出口交叉路分别为油岭线及俞毕线，建成后将与S208省道共同构成双线交通形态，采用钻爆法施工，根据炮眼布置进行定位打眼，确保周边眼、掏槽眼位置和角度准确。

2 爆破预设计方案

隧道进洞52m后进入IV级围岩，埋深逐渐变大，采用预留上、下台阶法开挖。通过MIDAS软件建立有限元模型(见图1，2)，考虑数值模型边缘至少为4倍洞径，模型长100m，宽134m，高度结合实际地形变化取为60～70m，埋深由洞口向洞内逐渐增大。隧道衬砌及锚杆采用弹性本构模型模拟，共划分约10万个单元。x向为水平纵向，y向为水平横向，z向为竖直方向。

图1 结构整体模型

图2 新建隧道与既有隧道模型

上台阶爆破方案中，最大单段装药量为36kg，对应底板眼爆破段；一级掏槽眼6个，二级掏槽眼8个，孔深1.7m，单段总装药量8.4kg。因此，划分为A，B工况进行模拟，其中，工况A为按底板眼控制，即按最大单段装药量考虑；工况B为按一级掏槽眼控制，即按单段总装药量考虑。

3 计算结果分析

3.1 工况A

计算得到工况A下结构整体振动速度云图如图3所示。由图3可知，爆心最大振动速度达2 421cm/s。由于底板眼主要向竖直方向释放能量，振动效应显著，使地表振动速度达20cm/s。

图3 工况A下结构整体振动速度云图(单位：cm·s-1)

计算得到工况A下既有隧道振动速度云图如图4所示。由图4可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为8.729 6，2.310 3，1.185 1cm/s，可知爆破应力波对既有隧道x向振动的影响最大，y向次之，z向最小，即底板眼爆破时，既有隧道以水平纵向振动为主，这与底板眼作用位置有关。计算得到工况A下既有隧道整体最大振动速度为10.305cm/s，小于限值要求(12cm/s)。

图4 工况A下既有隧道振动速度云图(单位：cm·s-1)

3.2 工况B

计算得到工况B下结构整体振动速度云图如图5所示。由图5可知，工况B下装药量虽较小，但爆破引起的结构振动速度较大，爆心最大振动速度达8.426m/s，地表振动速度同样达20cm/s。

图5 工况B下结构整体振动速度云图(单位：m·s-1)

计算得到工况B下既有隧道振动速度云图如图6所示。由图6可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为5.381，11.680，1.798cm/s，可知爆破应力波对既有隧道y向振动的影响最大，x向次之，z向最小，即掏槽眼爆破时，既有隧道以水平横向振动为主。计算得到工况B下既有隧道整体最大振动速度为12.74cm/s，大于限值要求(12cm/s)，需进行爆破方案优化。

图6 工况B下既有隧道振动速度云图(单位：cm·s-1)

4 爆破方案优化

4.1 减小最大单段装药量

由GB 6722—2014《爆破安全规程》规定的爆破振动安全允许距离公式可知，可通过减小炸药量(延时爆破为最大单段装药量)控制既有隧道振动速度。目前，普遍采用减小最大单段装药量、缩短循环进尺和设置合理的微差时间降低爆破振动对相邻结构的影响。考虑本工程紧邻既有隧道，缩短循环进尺影响工期和施工成本。因此，通过增加爆破段的方式减小最大单段装药量，在不影响工期的情况下，保证既有隧道安全。

1)底板眼优化

爆破预设计方案中，底板眼段共20个，最大单段装药量为36kg。将底板眼段分为2段爆破，使最大单段装药量变为18kg。底板眼优化后的既有隧道振动速度云图如图7所示。由图7可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为1.715，0.841，0.094cm/s，较工况A大幅减小。

图7 底板眼优化后既有隧道振动速度云图(单位：mm·s-1)

2)掏槽眼优化

爆破预设计方案中，一级掏槽眼共6个，单段总装药量8.4kg。将一级掏槽眼减少为4个，并适当调整间距和角度，将二级掏槽眼增至10个，将一、二级掏槽眼均分为2个爆破段。掏槽眼优化后的既有隧道振动速度云图如图8所示。由图8可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为2.633，2.361，1.185cm/s，可知x，y向振动速度较工况B大幅减小。

图8 掏槽眼优化后既有隧道振动速度云图(单位：cm·s-1)

4.2 减振控制

爆破预设计方案中，采用毫秒导爆管雷管延期爆破，且不同类型炮眼先后顺序不同。毫秒爆破在一定程度上降低了最大起爆药量，将炸药能量在时间上进行了分散，如果延期时间过长，虽可使降振效果得到改善，但岩石破碎效果差；如果延期时间过短，将无法控制炸药能量的合理分布，导致振动较大，严重影响施工安全。因此，需控制合理的延期时间，以达到良好的爆破效果。

由于电子雷管可精确控制各炮眼起爆时间，进行隧道爆破施工时，采用以下方法进行减振控制：①利用相邻应力波错峰减振性质进行控制，理想情况下，认为相邻炮眼产生的应力波主振相幅值和频率相近，当相邻炮眼延期时间Δt=T/2(T为波形主振相周期)时，可使应力波波峰与波谷相遇，降低爆破对被保护建筑的危害。由于不同类型炮眼爆破参数不同，因此需分别设置相应的延期时间，实现逐孔起爆，确保相邻炮眼应力波单独作用于开挖岩体。②设置相邻炮眼延期时间Δt>T，即人为错开相邻应力波主振相。爆破应力波属于非平稳信号，其瞬时频率时刻发生变化，无法准确判断应力波主振相周期。增加相邻炮眼延期时间，可有效避免应力波发生主振相叠加，使爆破振动强度明显降低。如果延期时间过长，各炮眼独立起爆，失去微差爆破意义，岩石破碎效果较差。因此，实际施工过程中，需兼顾岩石破碎效果和减振控制效果。

1)Δt=T/2

设置延期时间Δt=T/2时，计算得到既有隧道振动速度云图如图9所示。由图9可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为4.441 9，9.117 8，1.542 7cm/s，均较工况B小。

图9 Δt=T/2时既有隧道振动速度云图(单位：cm·s-1)

2)Δt=T

设置延期时间Δt=T时，计算得到既有隧道振动速度云图如图10所示。由图10可知，爆破引起的既有隧道x，y，z向最大振动速度分别为4.164 3，8.548 0，1.349 9cm/s，均较工况B小。

图10 Δt=T时既有隧道振动速度云图(单位：cm·s-1)

5 结语

1)通过增加爆破段，并调整炮眼数量、间距、角度等，达到减小最大单段装药量的目的，进而大幅减小既有隧道振动速度。

2)如果通过分段优化处理后，仍存在安全风险，可采用毫秒导爆管雷管延期爆破，且需控制合理的延期时间，以达到良好的爆破效果。

3)可利用相邻应力波错峰减振性质及人为错开相邻应力波主振相的方式，进行减振控制。实际施工过程中，需兼顾岩石破碎效果和减振控制效果。