联络道爆破施工对临近盾构隧道的影响分析

杨 波，王海亮，褚夫蛟，周明聪，肖景鑫，张 栋

(1.中铁二局集团成都新技术爆破工程有限公司，成都 610031；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；3.山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255000；4.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070)

盾构隧道建设过程中，盾构隧道间联络道的爆破对临近盾构隧道的影响一直是地下工程建设中的难点，盾构隧道间联络道的爆破开挖难度大，干扰因素多，容易对隧道的稳定性造成较大影响[1-2]，严重时甚至会出现隧道坍塌，进而造成一系列严重的后果。因此，隧道爆破施工的稳定性已经引起诸多学者的广泛关注。翟富强[3]通过现场监测的方法，监测新建隧道爆破施工对临近隧道的影响指标，验证了爆破振速和主振频率两项指标在控制爆破施工全过程控制中的应用可行性。黄小武等[4]通过模态分析地铁盾构隧道管片结构，研究了管片结构的固有振动特性，得出地铁盾构隧道管片结构对低频触地振动比较敏感。康欢欢等[5]通过有限元数值模拟计算的方法研究了平行导洞爆破扩挖对隧道围岩稳定性的影响规律，得出隧道爆破时的开挖进尺对隧道围岩稳定性有较大影响。Dapeng Zhu等[6]采用数值模拟的方法分析了新建隧道对相邻隧道的影响，得出新建引水隧洞使两条隧洞之间围岩的塑性区扩大。V.K. Dang[7]使用有限元软件Abaqus / Explicit分析了隧道混凝土衬砌和围岩在爆破振动作用下的动力响应，得出新隧道与爆破位置的距离越小，现有隧道的衬砌就越危险。吴波等[8]通过数值模拟研究不同开挖方法、不同开挖进尺、不同围岩等级下爆破对隧道整体安全系数的影响。上述学者对隧道稳定性进行了大量的研究，并取得了丰富的研究成果，但是对于联络道爆破施工对临近盾构隧道的影响分析和不同爆破位置对隧道管片稳定性研究甚少。

本文针对盾构隧道间联络道爆破开挖影响隧道稳定性的问题，通过数值模拟建立联络道与隧道管片的数值模型，以联络道掌子面与隧道间不同距离L作为研究工况，获取不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响。由此对盾构隧道间联络道爆破开挖影响隧道稳定性进行评价。

1 项目概况

青岛市地铁8号线大洋站～青岛北站区间连接北岸红岛高新区和青岛东岸城区，穿越胶州湾海域。其中海域盾构段2.9 km(泥水盾构施工)，爆破施工包含6～8号联络通道，爆破作业段位于海域，平均水深4～8 m间变化，爆破周围及地面无建(构)筑物、管线等重点保护对象。作业部位高程约-40 m，其上覆岩层主要为凝灰岩，岩层上覆盖层数不等的中粗砂、泥质粉质黏土、淤泥等。

联络道爆破施工时，由于爆破施工部位离隧道盾构安装的管片较近，为防止爆破冲击导致管片失稳，要求不能损伤管片和使管片发生位移，邻近管片部位不能采用爆破方式，须机械开挖。在联络道开挖初期，对开挖端隧道进行了管片切割，先进行矩形小断面的开挖方式，以减小爆破对管片的冲击，继而矩形断面扩挖至拱形断面。以8号联络道为例，联络道从盾构隧道左洞始挖，其拱形断面高4.9 m，宽4.5 m，爆破设计如图1所示，相关爆破参数如表1所示。为了解联络道开挖对盾构隧道管片的影响，需对爆破施工进行数值模拟研究，得到在联络道爆破荷载作用下临近隧道的动态响应情况。

图1 8号联络道炮孔布置

表1 联络道爆破参数

2 数值模拟

2.1 模型建立

数值模拟8号联络道爆破开挖情况，为得到较为全面的盾构隧道管片动态响应情况，建立完整的隧道右洞管片模型，分别模拟拱形联络道掌子面距离右洞L=0、0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m时爆破开挖的动态响应。根据联络道与盾构隧道的关系以及所在区域的地质情况，结合隧道管片结构及配筋设计资料，建立有限元模型如图2所示，并划分网格，模型尺寸为长×宽×高为35 m×30 m×22 m，除隧道外模型介质均为微风化凝灰岩，建模所用材料参数如表2所示。

图2 有限元模型

表2 模型所用材料参数

1)上覆静荷载。8号联络道上部除微风化凝灰岩外还有中粗砂、粉质黏土、淤泥及海水，根据地质剖面图及各层位介质的厚度、密度，通过公式P=ρgh(式中P为荷载；ρ为介质密度；g为重力加速度；h为介质厚度)计算得到模型上覆荷载为626.416 kPa。

2)爆破动荷载。目前对隧道爆破振动影响的研究中，关于爆破冲击荷载的相关参数尚无较为完善的方法和理论加以确定。结合前人研究，采用目前应用较为广泛的三角形荷载方式来模拟爆破荷载时程曲线[9-10]，最大爆压计算公式为

(1)

式中：Z为比例距离，Z=R/Q；R为爆心至荷载作用面的距离。

三角形荷载的时间计算公式为

(2)

(3)

结合隧道爆破方案，模拟计算联络道爆破开挖下的振动响应，由于周边孔采用不耦合装药，会减弱炸药爆炸对炮孔壁的冲击，从而降低爆破荷载，因此荷载以1.6 kg最大一次齐爆药量的辅助孔作为计算基础，模拟所采用的爆破荷载时程曲线如图3所示，所建荷载均匀施加在开挖轮廓面上。

图3 联络道爆破荷载时程

2.2 数值模拟结果

2.2.1 主应力分析

提取不同爆破工况下隧道右洞管片的最大、最小主应力，以0 m距离为例，结果如图4、图5所示。

图4 最大主应力云图

图5 最小主应力云图

从图5中可以看出，主应力的极值主要分布在管片迎爆侧，且在联络道开挖范围内。由于开挖范围内的管片需要切除，因此以开挖范围外所受到的最大、最小主应力作为研究对象，提取最大数据，结果如图6所示。

图6 管片主应力变化

由图6可知，随着距离的增大隧道管片所受的应力呈减小趋势，由于管片混凝土采用C55等级，内置HPB300钢筋(屈服强度为300 MPa)，只有当距离为0时，应力远超管片混凝土强度。当距离为0.5 m时，最大主应力为50.19 MP，而最小主应力仅为28.42 MPa，此时管片所受应力小于其强度。由此可知当开挖掌子面与管片有一定距离时，中间的岩石可当作缓冲层，从而减小爆破对管片的冲击。从数据上看，联络道爆破开挖掌子面最终位置与管片距离应大于0 m。

2.2.2 螺栓应力分析

结合上述结论，提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m时，管片间螺栓的轴向应力。由于管片连接所用螺栓材质均采用316L不锈钢，螺栓根据《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.6-2014)[11]选择A4L-80P等级，经查表得到此类螺栓屈服强度最小为170 MPa。以此为参照，获取不同距离下螺栓爆破响应的安全性。以L=0.5 m为例，数值模拟结果如图7所示。所有工况下开挖断面外的螺栓应力情况如图8所示。

图7 螺栓轴应力云图(L=0.5 m)

图8 轴向应力变化

对图8中数据进行拟合，可得到距离L与开挖轮廓外的最大轴向应力σ轴间的关系式：

σ轴=-49.474L+240.58(r2=0.996 9)

(4)

由式(4)可知，数值模拟所得到的轴线最大应力与距离L几乎呈线性关系。由于螺栓的屈服强度为170 MPa，代入公式(4)可得到临界距离L≈1.43 m。因此，在联络道爆破开挖辅助孔最大一次齐爆药量为1.6 kg时，掌子面与隧道管片距离不小于1.43 m，管片连接螺栓是安全的。

2.2.3 管片位移

提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m时管片间的接触位移，以L=0.5 m为例，模拟结果如图9所示，所有工况下联络道开挖轮廓外的最大管片相对位移如图10所示。

图9 管片相对位移云图(L=0.5 m)

图10 管片相对位移

对图10中的数据进行曲线拟合，可得到距离L与开挖轮廓外的最大相对位移Δx间的关系式：

Δx=0.188 3L2-1.175 9L+4.178 8

(r2=0.974 8)

(5)

由式(5)可知，轮廓外管片间的最大相对位移与距离L呈2次多项式关系。从图10中亦可看出联络道掌子面与管片距离不大于1 m时，管片在爆破振动作用下产生的相对位移大于3 mm。由上述分析得知要保持管片连接螺栓的稳定，掌子面与管片的距离不小于1.43 m，将此值带入式(5)中，得到此时的管片相对位移为2.88 mm。由此可知当爆破振动导致的管片相对位移不大于2.88 mm时，盾构隧道管片是相对稳定的。

2.2.4 爆破振动

以隧道内水平距离开挖爆心3 m处作为监测对象(见图11)，通过数值模拟提取此位置处的三向最大振速，建立振速与距离L的关系如图12所示。

图11 爆破振动监测点

图12 最大振速

从图12中可以看出，测点振速随着距离L的增大呈减小趋势，对数据进行拟合得到最大振速v与距离L的关系式：

v=-2.645 3L3+17.093L2-36.757L+62.461

(r2=0.996 1)

(6)

结合上述分析得到的安全距离1.43 m，带入式(6)得到此时的振速v=37.09 cm/s。根据爆破安全规程[12]，交通隧道爆破最大安全振速为20 cm/s，此时的振速明显超过爆破安全规程规定的安全振速，但从对螺栓应力和管片位移的分析结论可知，螺栓强度和管片位移均在安全允许范围内，虽然振速大于规程数据，管片仍然是安全稳定的。

3 结论

1)通过数值模拟得到了在L=0 m时，爆破对管片的冲击应力超过了管片强度，可知此工况下联络道爆破开挖对管片的稳定性十分不利。因此不考虑零距离接触爆破。

2)提取L=0 、0.5 、1.0 、1.5 、2.25 、3.0 m时管片连接螺栓的轴向应力，并建立距离L与螺栓轴向应力σ轴的相互关系，以螺栓屈服强度170 MPa作为临界点，得到当距离L不小于1.43m时，螺栓是安全稳定的。由于分析是在最大一次齐爆药量为1.6 kg的工况下进行的，而若药量降低，爆破荷载则会减小，安全距离L也会随之减小。

3)提取管片间相对位移Δx并建立与距离L间的关系，将分析螺栓应力得到的临界距离L带入管片相对位移的关系式，得到了此时的管片位移为2.88 mm，由此可知当爆破导致的管片相对位移不大于2.88 mm时，管片是相对稳定的。

4)对爆破振动进行分析，以水平爆心距3 m作为监测点，获取不同工况下此点的三向最大振速，通过分析得到当安全距离为1.43 m时最大振速约为37.09 cm/s，这时的振速虽然超过了爆破安全规程的规定，但螺栓强度和管片位移都符合安全规程的要求，施工质量可以得到保证，管片依然安全稳定。