机械与爆破法下路基开挖对既有临近隧道的影响

2022-05-20王晓星张昱辉

公路交通科技 2022年4期

王晓星，张昱辉，鲁彪

(1. 衢州市交通设计有限公司，浙江衢州 324000； 2.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310030)

0 引言

随着我国高速公路网中车流量的逐年攀升，早年建成的高速公路早已处于超负荷运转状态，因此高速公路改扩建越来越受到人们的重视。隧道作为高速公路改扩建工程的关键节点，施工过程中经常会遇到临近施工、扩挖施工的情况[1-2]，甚至有时为了满足国家规范中对道路安全与通行量的要求需对隧道进行整条挖除，因此研究如何在保证既有临近隧道结构安全性的前提下圆满完成改扩建任务就显得尤为重要。

针对施工活动中产生的震动对临近隧道及构筑物造成的影响，众多学者进行了广泛而深入的研究。方智淳、张暻等[3-4]对采石场爆破震动对临近隧道的影响进行分析，评估了采矿隧道结构的安全性。胡刚、唐浩、孙艳军等[5-7]基于数值模拟研究了爆破施工对临近隧道的影响，得到了既有隧道的动力响应特征。丁祖德等[8]通过数值模拟分别比较了基坑开挖时采用不同保护措施附近既有隧道附加变形和附加内力的大小、分布形态及其变形控制效果。高宏伟、朱蕾、黄茂松等[9-11]对基坑开挖时临近及下卧隧道的受影响程度与范围进行分析，得到不同净距施工时既有隧道的应力与变形特征。还有学者对临近隧道爆破施工的控制参数、爆破措施进行了研究[12-16]。针对爆破影响问题，前人已做了广泛的研究，但目前对路基挖除对另一幅运营隧道影响的研究还比较少。本研究以杭金衢高速樊村隧道扩建工程为背景，利用Midas GTS NX有限元软件研究不同方式挖除路基时对既有隧道的影响，以期为工程的顺利实施提供依据。

1 工程概况

如图1所示，既有樊村隧道1号隧道出口距离五里枢纽距离为109 m，不满足《公路立体交叉设计细则》(JTG/T D21—2014)单向四车道隧道出口与前方互通式立交最小距离为800 m的要求，故改建工程拟保留既有右线，在既有右线右侧新建两车道右线，将既有左线隧道整体挖除改建为整体四车道路基。

图1 杭金衢高速樊村隧道扩建工程Fig.1 Fancun tunnel expansion project of Hangzhou-Jinhua-Quzhou expressway

拟扩建樊村隧道总长度628 m，洞顶最大埋深约46 m，隧道Ⅲ级围岩占47.8%，V级和IV级围岩占52.2%，主要穿越石英砂岩及含砾石英砂岩，局部为泥质粉砂岩，围岩整体性较差。隧道内轮廓断面为单心圆，支护形式采用锚喷支护+复合模注混凝土衬砌，内夹防排水层，其中左线隧道ZK419+890处边坡离既有右线隧道衬砌最近、围岩最差，隧道间净距为48.53 m，边坡拟开挖线与隧道最近距离为23.58 m，隧道埋深31.02 m，是影响隧道路基开挖的最不利断面，因此选取该断面作分析模型，研究其在机械和爆破开挖方式下临近隧道及其岩土体的变形和受力特性，以保证工程顺利实施。

2 有限元模型及参数

为消除模型尺寸效应引起的误差，结合断面ZK419+890的地质状况，选取断面ZK419+890的计算模型尺寸为长×宽×高=190 m×60 m×89 m，隧道尺寸按1∶1选取，计算网格图见图2。

图2 ZK419+890断面计算模型网格图Fig.2 Calculation model grid of section ZK419+890

选择莫尔-库伦理想弹塑性模型作为该计算的本构模型，结合《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)和樊村隧道地勘资料，隧道围岩及二衬模型参数可按表1选取。

表1 本构模型的主要参数Tab.1 Main parameters of constitutive model

3 机械开挖计算结果及分析

机械开挖采用从上至下分3步挖除路基，结合有限元分析软件，按照开挖顺序分析每层开挖完成后边坡岩土体和隧道变形与受力情况。在土压力作用下，各工况下边坡岩土体的变形情况如图3所示。可以看出，随着开挖深度不断加深，边坡所受卸载效应逐渐加重，对既有临近隧道影响加大。

图3 不同开挖阶段边坡岩土体位移云图(单位：mm)Fig.3 Nephograms of displacement of slope rock and soil at different excavation stages(unit：mm)

第1层土方开挖完成后，卸载效应主要集中在开挖底面，开挖区底部土体有明显的隆起趋势，同时受左侧陡坡土压力作用，岩体沿水平方向向开挖临空面形成较大位移。该阶段岩土体以竖直隆起为主，最大隆起高度8 mm，而既有隧道位于开挖面右下方较远距离，所受影响较小。与第1次土方开挖相比，第2次土方开挖完成后左侧陡坡临空面上的土体位移加大，卸载效应在开挖面的水平方向更加明显。而随着开挖深度的加深，水平卸载效应对既有隧道的影响也在不断加大，此时隧道已经产生较为明显的位移。当第3层土方开挖完成后，卸载效应达到最大，其中尤以左侧边坡最为明显，此时竖直方向土体隆起位移不大，但边坡在水平方向上有显著的向开挖面移动的趋势，带动右侧既有隧道向边坡移动方向产生较大位移。在3次开挖工况中，以第2次岩土体位移变化较快。

随着土体的开挖，土体的卸载效应会逐渐作用到临近隧道衬砌结构上，使隧道支护结构的内力发生重分布，同时会向卸载方向产生一定的位移。而在周围岩体的约束下，隧道衬砌变形趋势与岩土体变形趋势基本保持一致，变形位置主要集中在左拱肩部位，其变形量随着开挖量增大不断增加。经过计算，3层路基开挖完毕时衬砌最大位移量约4 mm，随着后续施工活动的进行存在失稳的可能，应做好衬砌监测与边坡加固工作。

在支护结构封闭成环以后，其整体刚度大大提升，在环向刚度效应作用下支护结构向卸载方向产生的位移会受到钢拱架与衬砌的约束，从而使得非卸载方向的支护结构内部产生拉应力，但隧道上覆土层的重力作用会使拉应力有所折减，在两者共同作用下，支护结构内力主要集中在拱顶、拱肩位置，随着卸载效应的不断完成，应力会在拱顶达到最大值约34.3 kN·m，使得该位置支护结构存在破坏的风险，因此在利用机械开挖法进行施工时，隧道左拱肩位移和拱顶内侧的内力应当重点加强监测。

4 爆破开挖计算结果分析

4.1 爆破荷载

采用面动力荷载模拟爆破荷载，所作假定如下:(1)爆破荷载以压力形式均布作用在坡面上，方向垂直于坡面。(2)根据计算和爆破实际情况，爆炸冲击波宜采用指数型荷载衰减模型，见图3。

在不耦合装药情况下，爆轰波会首先压缩装药与药室壁之间间隙内的空气形成空气冲击波，而后再由空气冲击波作用于药室壁，对药室壁加载。假定爆轰产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，忽略间隙内空气，则爆轰产物撞击药室壁前的炮孔内压力即入射压力Pi为[17]：

(1)

式中,Pm为爆轰产物开始膨胀时的平均压力；Vc为炸药体积；Vb为药室体积；ρ0为炸药密度；D1为爆轰波传播速度。当爆轰产物撞击药室壁时，压力将明显增大，增大倍数n=8～11。取Vc/Vb=1/3，n=10，则可得爆轰峰值压力Pi=0.427 GPa。边坡开挖爆破按深孔爆破考虑，孔距为5 m，则可等效深孔爆破的爆破孔压等效为面压力Pm=0.083 GPa。

对于爆破动力分析中的孔壁压力衰减，文献[18]给出了相对较为精确的指数型荷载衰减模式，即：

Pt=4Pm(e-0.707ωt-e-1.414ωt)，

(2)

(3)

式中,w为波形参数；vp为介质(岩体)纵波波速；r0为药包半径；t为爆破时程。

在该模型作用下，爆破孔压力时程曲线见图4。

图4 爆破孔压力时程曲线Fig.4 Time history curve of blast hole pressure

4.2 边界条件及阻尼

采用爆破施工，爆破产生的振动波会使固定边界反复反弹，故计算时采用黏弹性边界比较合理。在MIDAS/GTS/NX中，通过曲面弹簧定义弹性边界，弹簧系数可根据道路设计规范地基反力系数计算，如式(2)、式(3)所示。

竖直弹簧系数为：

(4)

水平弹簧系数为：

(5)

材料的阻尼特性会逐渐消耗施工活动震动所产生的能量，在体系的运动方程中，阻尼力与惯性力与抗力相比要小得多，可以近似地计算阻尼矩阵。在MIDAS/GTX/NX时域分析中，常采用的是瑞利阻尼。瑞利阻尼与频率有关，其特征主要由临界阻尼比和最小中心频率决定，在本研究中取临界阻尼比xmin=3.5%，最小中心频率可用模型自振频率f代替，取f=18.26 Hz。

4.3 计算结果分析

前面的计算结果表明，机械挖除边坡土体扩建路基过程中既有右线围岩最大位移量及衬砌的内力都处于相对安全范围内。但机械开挖进度较慢，尤其遇到坚硬岩石时很可能会延误工期，因此有必要在机械开挖工法中穿插爆破开挖工法以提高施工进度。该研究中开挖边坡中心距既有隧道49 m，考虑最不利开挖工况，即先用机械开挖工法依次挖出上2层土体，最后1层进行爆破开挖，研究最不利情况下扩建路基时对既有隧道的影响。

图5 爆破开挖边坡岩土体各质点位移云图(单位：mm)Fig.5 Nephograms of displacement of each particle of rock and soil during blasting excavation(unit：mm)

与机械开挖不同，爆破开挖对周围岩土体的扰动更为明显。从图5(a)可以明显看出，在爆破开挖完成后，边坡两侧岩土体都向临空面产生了位移，且最大位移值达到了2.2 cm，几乎是机械开挖作用下岩土体位移值的20倍。与此同时，也可以发现，爆炸振动产生的横向冲击波对边坡岩土体影响程度更大，如图5(b)～(c)所示，横波作用下，边坡岩土体向临空面产生的位移最大值达到了1.8 cm，是纵向冲击波的5倍，这与已有研究[4]爆破振动时衬砌容易产生水平方向的拉伸破坏的观点是一致的，纵向冲击波的边界效应更加明显，对边界岩土体产生的影响较大，而对临空面岩土体的影响有限，因此研究对既有临近隧道的影响时应重点关注爆炸产生的横向冲击波。

爆破振动对支护结构的影响可从衬砌的动应力及衬砌结构关键点的震动速度来分析[18]，但受施工条件和测量仪器影响，动应力很难进行现场测量，为了便于进行现场监测，选取衬砌结构关键点的震动速度进行分析。根据已有研究[3]，使用爆破开挖工法对既有隧道衬砌迎爆侧的危害程度大于背爆侧，迎爆侧拱腰质点的拉应力明显大于其他位置，因此在计算过程在既有隧道模型迎爆侧衬砌布置4个测点，如图6所示。

图6 既有右线隧道衬砌结构监测点布置Fig.6 Layout of monitoring points of lining structure in the existing tunnel

通过计算可以得到各监测点在爆破过程中的振动情况，如图7所示。可以发现，在衬砌完整的情况下，迎爆侧衬砌结构所受的冲击力峰值相对于爆破荷载中心峰值略有滞后，但时间间隔极短，爆炸中心产生的冲击波在土体材料中几乎没有被削弱，这主要是因为爆炸中心与隧道的距离很近，短距离内土体材料的阻尼效应并不明显，爆炸产生的能量很难被消耗。在迎爆侧各测点中，测点2(侧墙中质点)处所受影响最大，既有隧道衬砌振动速度达到最大值11.42 cm/s，小于爆破安全规程的允许振动速度15 cm/s，测点3与测点4的弧度较为平缓，爆炸冲击波在该位置极易发生反射，绕射反应较为显著，所以质点振动速度较测点2低。