水下炸礁对过江隧道结构的安全控制研究

王志勇、薛护国

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121）

0 引言

在国内，水下炸礁临近地面建构筑物（码头、桥梁等）较为常见，地下隧道工程，特别是对振动、变形要求极为严格的轨道交通隧道工程等尚属罕见。重庆轨道交通27 号线下穿长江，工程建成运营后，根据长江航道通航规划，需在隧道上方开展航道提升整治工程，势必会对隧道工程产生影响。水作为不可压缩介质，水下爆破产生的冲击波及振动对临近既有建构筑物的影响不可忽视。对于水下炸礁研究方法，李春军研究爆破参数的选取及相互影响，构建水下爆破优化数值模型，在既往航道整治中进行了成功应用。针对水下爆破荷载传递规律及响应，韦灼彬采用数值模式对水下爆破引起荷载的冲击特征、水下爆破冲击波的气泡膨胀规律以及作用影响传递特性进行了分析。

根据隧道河段航道条件、滩险情况，结合航道规划、船型发展、规划航道整治方案，制定炸礁区平面位置及炸礁深度。按隧道轨道交通控制保护区域，计算分析炸礁方案对隧道结构安全的影响值，研究礁石爆破位置对隧道的振动影响。并对控制爆破措施进行敏感性分析，确定适宜性措施，对最危险的炸礁方案进行进一步验算分析，验证控制爆破的减振效果。

1 工程概况

该过江隧道位于长江上游重庆段，三峡水库变动回水区，重庆南岸与渝中区长江上游航道约663km处。根据相关资料，目前龙碛子最低通航水位为161.40m，炸礁最大底标高157.30m，已完成炸礁在通航水位以下4.1m。

根据长江航道远景规划相关材料，航深×航宽×弯曲半径按6.2m×150m×1000m 的标准进行预留，对应该处炸礁深度为2.9m，即按目前已实施情况推算，对应整治后底标高为154.40m。（炸礁区与轨道交通过江隧道平面关系图见图1。炸礁深度与过江隧道剖面关系图见图2。）

图1 炸礁区与轨道交通过江隧道平面关系图

图2 炸礁深度与过江隧道剖面关系图

重庆段长江航道江底均为砂岩、砂泥岩互层，岩石较为坚硬。在炸礁实施中，爆破产生的大量能量，在密闭空间中会以应力波和爆生气体共同作用，从而实现破碎岩石，然后再利用船只等对航道进行疏浚整治，直至达到通航要求的标高。而轨道交通过江隧道位于河床岩层以下，水下炸礁产生的爆破冲击荷载、振动等，势必会对隧道结构安全带来一定影响，其振动作用原理如图3。

图3 炸礁爆破对隧道振动影响示意图

2 爆破参数设计与选取

炮眼钻孔直径D：水下钻孔直径D=100mm。

最小抵抗线W：（20～30）D，按2.0m 计算。

炮眼钻孔超深h：根据相关规范，水下钻孔超深一般取1.5m，同时在实施中可根据试爆效果进行一定调整，并满足规范规定。

钻孔深度H：钻孔深度由炸礁深度和钻孔超深确定，根据炸礁深度2.9m，钻孔深度H 为4.4m。

堵塞长度h：装药完毕后需采用碎石、细砂等进行封堵，封堵长度需确保炸药不上浮，h=1.5m。

孔距a 和排距b：结合以往经验选取孔距和排距，取炮孔排间距a×b=2.0m×1.5m。

单孔装药量Q：根据岩石硬度、孔排距等因素，在实际施工中，炸药单耗取为q=1.72kg/m。钻孔深度为4.4m，因此单个炮孔装药量设计计算如下：Q=q×a×b×（H-h）=14.96kg （1）

3 水下炸礁对过江隧道影响分析

3.1 模型建立及计算方案

过江隧道采用盾构法施工，结构类型为圆形预制钢筋混凝土管片。具体计算模型参数见表1。

表1 过江隧道模型参数表

以左右隧道中心线为基准，按5 个起爆位置，开展数值计算。模型的主要尺寸如图4所示。

图4 计算模型尺寸图

3.2 隧道最大振速验算

根据计算结果，提取各方案隧道2D 单元的振速结果，给出各方向上隧道的最大振速云图（见图5、图6）。

图5 最大振动速度分布云图

图6 最大振动速度分布云图

由图7可见，以上各方向的振速随着距隧道中心线距离的增加先增大再变化为减小。经梳理，距下方隧道中线10m 处振速最大，因此，爆破位置10m 处为最不利爆破位置。

图7 最大振速与炸礁位置的关系曲线

3.3 对隧道最大振速安全性分析

重庆市工程建设标准《城市轨道交通结构检测监测 技术标准》（DBJ50/T-271—2017）中3.1.16 节指出：传递至轨道交通结构及设施上的振动速度不应大于1.5cm/s。

在水下炸礁作用下，对隧道Z 方向产生的振速作用超过1.5cm/s，炸礁危险区分布在距左右隧道中线水平距离0～27.5m 范围（见图8）。不考虑水下隧道的存在，水下炸礁按常规航道整治工程开展时，隧道处承受的最大振速不满足规范规定的结构安全控制要求，须采用控制爆破措施，降低爆破振速，确保隧道结构及使用安全。

图8 炸礁危险区域范围划分示意图

4 控制爆破方案及减振效果分析

孔内延时控制爆破措施常用于距离被保护对象较近的区域，由于重庆27 号线过江隧道的安全等级较高，如何将隧道的振动速度降低至尽可能小，对人民群众生命财产安全具有重要的意义。为减小水下炸礁对隧道产生的振动效应，采用孔内延时控制爆破措施，在逐孔起爆的基础上，将每个炮孔分2 次起爆，孔内分2 段装药，孔内延时25ms，孔间延时25ms。

通过计算，给出其最大Z 向振速云图（见图9）。

图9 孔内延时，爆破延时25ms 最大应力云图

考虑孔内延时方式进一步提高了减振效果，相对于逐孔起爆方式而言，其最大Z 向振速从3.41 cm/s衰减至0.24cm/s，减振幅度为93%。因此，在施工条件允许的情况下，考虑孔内延时控制爆破措施可以进一步减小隧道的振动效应，进而实现减振效果的最大化。

5 结语

炸礁水深2.9m，炮孔深度4.4m 为控制工况，在水下炸礁作用下，对隧道Z 方向产生的振速作用超过1.5cm/s，炸礁危险区分布在距左右隧道中线水平距离0～27.5m 范围。不考虑水下隧道的存在，水下炸礁按常规航道整治工程开展时，隧道处承受的最大振速不满足规范规定的结构安全控制要求，须采用控制爆破措施，降低爆破振速，确保隧道结构及使用安全。

采用逐段延时爆破具有良好的减振效果。考虑孔内延时方式可以进一步提高减振效果。