双螺旋公路隧道爆破振动对初衬结构的影响

张国祥 肖清华 熊强 韩翔宇 钱家珺 朱玉

（1.河北省高速公路延崇筹建处，河北 张家口 075400；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

一、引言

我国地形复杂多样，其中山地面积约占国土总面积的1/3。山地高差大、坡度陡的特点，给山地基础设施建设带来了一定的困难。尤其对于山地公路隧道而言，往往存在隧道进出口高差大的问题。因而，可采取修建螺旋隧道的方法，即通过增加隧道的整体里程降低隧道的局部坡度，保证隧道行车安全。

目前，关于螺旋隧道的研究较少，螺旋隧道爆破开挖影响的研究更是匮乏。已有研究表明，爆破荷载是一种冲击荷载，其作用压力大、释放能量高、作用时间短，会对爆源一定范围内的结构产生破坏作用。因此，螺旋隧道必须研究爆破荷载对隧道初衬结构的影响。本文以金家庄双螺旋公路隧道为研究背景，采用MIDAS/GTS对隧道爆破开挖进行三维数值模拟，分析爆破对隧道结构的影响，得到隧道不同部位的振动响应特点，以期为类似螺旋隧道爆破安全控制提供参考。

二、数值仿真

（一）模型及参数

根据金家庄双螺旋公路隧道设计方案，双螺旋隧道主洞的最大横向、竖向跨径分别为13m、10m。采用MIDAS/GTS建模时，为了削弱边界效应的影响，本研究在一定程度上增加隧道至模型边界的距离，如图1所示。隧道平均深度为100m，在模拟时通过在上部边界施加相应的地层荷载来模拟自重应力。

图1 模型尺寸图

参照相关地质勘察报告及施工方案，隧道所在地段为Ⅳ级围岩，爆破开挖后，采用锚喷进行支护。本研究借助4m植入式桁架单元模拟系统锚杆，采用2D板单元模拟喷射混凝土，借助摩尔-库伦本构模型描述围岩的应力-应变关系，具体模拟材料相关力学参数如表1所示。由于开挖面附近隧道仍未施作二次衬砌，因此在本研究的隧道结构模拟中并未考虑二衬结构。

表1 模型力学参数取值

对于爆破荷载的模拟，本研究参照爆破方案，针对施工中选用的2#岩石乳化炸药，指定周边孔的爆破荷载作为爆破动载。通过爆破荷载计算公式，得到模拟采用的等效爆破峰值荷载为8.7MPa。

（二）测点布置

根据螺旋隧道爆破施工方案，左侧隧道先行于右侧隧道施工，左侧掌子面领先于右侧掌子面约20m，其衬砌结构早于右侧隧道施作，既受到先行洞的影响，又受到后行洞的爆破影响。因此，本研究主要以左侧隧道衬砌结构为研究对象。如图2所示，在左侧先行洞掌子面后方20m衬砌结构均匀布置4个监测断面，每个断面之间间隔10m。对于每个断面，分别选择拱顶、左右拱腰、拱底四个位置作为监测点。

图2 监测点布置图

三、计算结果及分析

（一）先行洞爆破

首先，研究先行洞爆破对左侧隧道衬砌结构的影响。对先行洞掌子面施加爆破荷载，以围岩矢量振动速度为指标，分析模拟计算结果。限于篇幅，本研究仅提取左右两侧隧道间距为30m工况的计算结果。

从图3中不同监测断面的振动速度可以发现：在距离爆源10m、20m、30m、40m的监测断面，最大振动速度分别为7.06cm/s、2.41cm/s、1.20cm/s、0.63cm/s，最大振动速度随着与爆源距离的增加而迅速降低。在距离爆源较近的区域，最大振动速度出现在监测断面拱底的位置。在距离爆源较远的区域，最大振动速度出现在隧道拱顶处，该现象可能与隧道空间放大效应有关。

图3 距先行洞爆源不同位置各监测点的振动速度

（二）后行洞爆破

随后，研究后行洞爆破对左侧隧道衬砌结构的影响。对后行洞掌子面施加爆破荷载，以振动速度为指标，开展爆破振动模拟。

根据图4振动速度统计结果可以看出，在距爆源20m、10m、0m、-10m位置，最大振动速度分别为1.18cm/s、1.44cm/s、1.45cm/s、1.06cm/s，随着与爆源距离的增加，最大振动速度逐渐降低。此外，不同于先行洞爆破模拟结果，对于4个监测断面而言，最大振动速度均出现在右拱腰位置。究其原因，右洞爆破开挖时，左洞的右侧拱腰位置距离爆源最近，振动衰减最小。因此，在右洞施工时，要重点关注左洞衬砌结构在右侧拱腰位置的动力响应情况。

图4 距爆源不同位置各监测点的振动速度

四、结语

爆破振动速度随着时间的推移迅速衰减，并随着与爆源距离的增加逐渐减小；先行洞爆破时，左侧隧道在距离爆源较近区域，最大振动速度出现在监测断面拱底位置，在距离爆源较远区域，最大振动速度出现在隧道拱顶处；后行洞爆破时，左侧隧道各监测断面的最大振动速度均出现在右拱腰位置，在隧道爆破施工过程中应重点关注。