特长隧道竖井交叉段爆破施工安全开挖进尺研究

张齐勇，陈 念

(1.酉阳县交通局公路工程质量监督站，重庆 409800； 2.重庆市铜梁区交通运行监测和应急调度中心，重庆 402560)

1 概述

最近几年，由于国家的经济逐渐发展，修建的交通隧道越来越多，越来越长，向着“长、大、深”的趋势发展。根据我国公路隧道的相关规定：全长3 000 m以上的隧道称为特长隧道。截止到2021年，公路特长隧道数量增长至1 292座，公路特长隧道长度达到572.85万m。在数值模拟应用上，毕继红、钟建辉[1]通过有限元软件ANSYS建立了不同等级的围岩和不同爆源的隧道模型，分析了以不同开挖进尺进行爆破施工时，隧道衬砌的动力响应规律；赵东平、王明年[2]通过有限元软件FLAC3D建立了交叉隧道间距不同的几个模型，对交叉隧道的交界面的振速进行分析总结；在理论研究方面，易长平、卢文波、张建华[3]对波函数进行了研究分析，根据波函数的展开公式推导出隧道受爆破作用时，围岩应力与位移的表达式，求解出不同等级围岩和不同爆破应力波频率时，围岩应力与振速的分布规律。仅依靠理论研究，对爆破施工的研究存在很大的缺陷，本文主要应用数值模拟研究特长隧道竖井交叉段爆破施工安全开挖进尺。

2 爆破荷载输入

对于有限元软件加入爆破荷载，综合国内外相关学者的研究，有两种方法：其一是应用ANSYS中LS-DYNA模块来模拟炸药爆破过程，能很好的反映爆炸一定范围内的动力响应；其二是通过理论方式和计算出来的爆破荷载峰值，然后在软件里用面压力的形式加入爆破荷载。在国内最常用的一种计算爆破荷载应力峰值的经验公式为[4]：

其中，Pmax为爆破荷载应力峰值,kPa；Z为比例距离；R为炮眼至荷载作用面的距离，m；Q为最大单段装药量。

理论计算法[5]：

当炸药采用耦合装药并且以柱状的方式装药时，炸药的爆炸是采用分阶段的，炸药爆炸后会产生一个爆破峰值作用在岩体上，计算公式如下：

其中，ρ,ρ0分别为炸药和岩石对应的密度，kg/m3；V,cp分别为爆破产生的振速和应力波的波速，m/s；Pd,Pmax分别为爆腔压力和孔壁上最开始的最大压力，MPa。

之后对爆破荷载的波形形式进行选择。目前，软件模拟的波形有三种，分别是指数型波形、近似抛物线波形以及三角形波形。本文所采用的是三角形波形，它能反映出在较短时间内达到爆破荷载峰值然后再卸载的过程。

3 爆破方案及监测点选取

本文依托工程为山区某特长公路隧道，结合地理条件、围岩特性、地质构造等原因，在竖井与联络通道附近处，竖井采用全断面开挖方式，主隧道与联络通道采用台阶法爆破施工。

本文研究的对象是特长隧道联络通道与主隧道交叉段附近，对主隧道与联络通道交叉段采用上下台阶法爆破，为了减小围岩的稳定性，控制交叉段围岩的变形，采用的爆破方案为上下台阶爆破方案。炸药选用的是2号岩石，上断面开挖面积是44 m2，下断面开挖的面积为56 m2。

在主隧道与联络通道交叉段开挖完成之后，对主隧道进行爆破施工，施工进尺选择0.5 m，1 m，1.5 m，2 m进行爆破模拟，为了更好的研究主隧道与联络通道交叉段围岩在爆破荷载作用下的振速和应力分布情况以及位移的变化，本文主要观察主隧道与联络通道交叉段以及未开挖的主隧道段的断面的拱腰、拱底、拱顶。方案设计如图1所示。模型材料物理力学参数取值见表1，网格划分如图2所示。

表1 模型材料物理力学参数取值表

当主隧道进行爆破开挖掘进时，为了更好的对已经开挖的联络通道与主隧道交叉段的围岩进行振动速度与应力分析，本文将离爆源最近的断面设立为监测点a，联络通道和主隧道交界断面设为监测点b，竖井与联络通道交界面设为监测点c，分别提取每个监测断面拱顶、拱腰、边墙部位的振速与最大拉应力。模型隧道的监测断面布置见图3。

4 数值模拟结果及分析

根据前文的数值模拟分析，在主隧道进行爆破时，主隧道与联络通道交叉段围岩会受到应力波的影响，围岩发生扰动，在不同爆破开挖进尺条件下，模拟监测断面的拱底、拱腰、拱顶，所以本文数据为在主隧道与联络通道交叉点断面进行爆破时的速度与最大应力。

提取主隧道与联络通道交叉段不同开挖进尺条件下每次爆破后，交叉断面的边墙、拱腰、拱顶最大振速，将数据列入表格中，同时使用表格中的具体数据绘制出交叉段断面的最大振速随着爆破进尺的改变的变化趋势图(见图4)，研究主隧道与联络通道交叉段振速的分布规律(见图5)。

从图5可以得出：

1)特长隧道的最大振速出现在监测点a的拱腰处，在相同开挖进尺条件下，监测点a断面的最大振速分布情况为：拱腰>拱顶>边墙。所以在之后的施工中，需要控制主隧道与联络通道的交叉段振速，并且重点关注主隧道的拱腰处。

2)监测点b为主隧道与联络通道交界面，监测点b的最大振速分布规律为：拱腰>边墙>拱顶，在进行下一次爆破前，需要重点支护主隧道与联络通道交叉段边墙和拱腰部。

3)监测点c为联络通道与竖井交界面，监测点c的最大振速分布规律为：拱腰>拱顶>边墙，在进行爆破施工时，要注意控制对竖井与联络通道交叉段的拱腰部位的振速。

4)随着爆破次数的增加，爆源离交叉段断面越来越远，交叉段断面各部位的振速越来越低，这也符合离爆心距越远，振速越小的衰减规律。前期爆破时，交叉段断面的最大振速超过了安全振速范围，所以在前期进行爆破时，需要及时进行初期支护，减小围岩受爆破的扰动。

5)爆破开挖进尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m时，第一次爆破的振速越来越大，最大振速增加了25%，106%，145%，可以看出当开挖进尺由1 m增加到1.5 m时，第一次爆破后，交叉段拱腰处的围岩最大振速突增，结合实际施工，在进行爆破开挖时，应该缩短开挖进尺，围岩振速才能尽快达到安全振速范围[6]。

6)当开挖进尺为0.5 m时，在进行第三次爆破之后，振速小于安全振速5 cm/s[8]，之后的爆破，交叉段围岩不会受到影响，此时的安全爆破距离是1.5 m，当开挖进尺为1 m时，安全爆破距离是3 m，当开挖进尺为1.5 m时，安全爆破距离为4.5 m，当开挖进尺为2 m时，安全爆破距离为6 m，所以，当开挖进尺增大的时候，安全爆破距离也在增加，交叉段受到扰动的时间越长。

5 结语

1)主隧道进行爆破开挖时，随着爆破次数的增加，爆源离主隧道与联络通道交叉段围岩和联络通道与竖井交叉段围岩越来越远，主隧道与竖井交叉段围岩以及联络通道与竖井交叉段围岩的拱顶、拱腰、边墙部位的振速峰值与拉应力峰值逐渐衰减，这也符合离爆心距越远，振速越小的衰减规律。

2)在主隧道进行爆破开挖时，主隧道离爆源最近的断面的拱腰受到的爆破振动最大，主隧道与联络通道交界面最大振速与拉应力分布规律为：拱腰>边墙>拱顶，联络通道与竖井交界面的最大振速与最大拉应力分布情况为：拱腰>拱顶>边墙，所以在进行主隧道爆破施工前，需要对已经开挖的联络通道和竖井进行初期支护，重点支护联络通道与主隧道交叉段的拱腰和边墙部位，以及竖井与联络通道交叉段的拱顶和拱腰部位。

3)开挖进尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m时，第一次爆破时的最大振速和最大拉应力逐渐增加，最大振速增加了25%，106%，145%，最大拉应力增加了56%，174%，186%，开挖进尺由1 m到1.5 m时，增加的速度最快，允许振速的安全范围也从1.5 m增加至3 m，4.5 m，9 m,最不利的安全系数随着开挖进尺的增加逐渐减小，分别减小14%，22%，26%，为了保证施工安全，在进行爆破施工时，应当控制和缩短开挖进尺。