新建分洪隧洞下穿既有公路隧道控制爆破范围研究

以某新建分洪隧洞为例考虑非控制爆破参数对既有隧道的影响，通过经验公式法及数值模拟对控制爆破范围进行探讨。结果表明：非控制爆破参数对控制爆破范围的确定影响明显，范围的选择可综合经验公式法及数值模拟结果确定。

交叉下穿； 爆破施工； 控制爆破范圍

U455.6 A

［定稿日期］2022-02-18

［作者简介］黄柯（1992—），男，硕士，助理工程师，主要从事隧道及地下工程方面设计及研究工作。

随着隧道工程日益增多，隧道间交叉下穿的情况也在增加，与既有隧道相近的新建隧道爆破施工必然会对其产生影响。众多学者已对此类影响进行研究。隗建波等［1］根据某新建隧道上跨既有隧道工程，通过数值分析研究了隧道二次衬砌的振动特征，评估了既有隧道的安全性同时提出了结构处理及安全防护措施建议。贾磊等［2］建立了爆破施工对既有衬砌振动影响的数值模型，研究了不同条件下爆破对既有隧道的影响，得出既有隧道迎爆侧拱脚、墙腰部位受影响最大等结论。仇文革等［3］结合引水隧洞下穿铁路隧道爆破施工工程，采用数值模拟及现场爆破振动监测，研究钻爆法施工产生的振动对既有铁路隧道的影响，得到爆炸振动随炸药药量减小、观察距离增大而减小，掌子面接近既有隧道时产生的竖向振速大于远离时振速等结论。

为确保既有隧道安全，施工中常采用控制爆破，但控制爆破范围研究相对较少。闫鸿浩等［4］根据理论计算及现场实践，采用先行预裂带和增设掏槽隔振空眼等手段，测试发现其可有效降低爆破振速，另结合实测数据反推经验公式所需参数得出该工况下的振动影响距离为38 m。赵丰等［5］基于新建铁路隧道上跨既有公路隧道工程，结合理论公式及数值模拟方法得出爆破距离与既有隧道衬砌拱顶振速的关系，据此可根据控制振速确定爆破施工安全距离。有关控制爆破范围的研究基本以控制爆破参数为切入点，或依据规范选定大致范围作为控制爆破范围，很少关注非控制爆破区爆破对既有隧道的影响，而某些隧道施工存在全断面爆破开挖工况，属于非控制爆破，全线采用控制爆破不必要且增加工期。非控爆区爆破参数往往要强于控爆区爆破参数几倍，在较近时对既有隧道的影响不能忽略，因此控制爆破范围的选定也应当考虑非控爆区爆破参数。本文以某新建分洪隧洞下穿既有公路隧道为例，采用经验公式及数值模拟方法，对控制爆破范围的选定进行探讨。

1 工程概况

某新建分洪隧洞线路中下穿既有高速公路隧道，交叉角度约 90°，如图1所示。隧洞洞径3.6 m×5.3 m，隧洞采用喷C30混凝土临时支护，直墙及洞顶喷射C30素混凝土厚10 cm。隧洞与既有隧道交叉处最短垂直距离为37 m，如图2所示。该段范围内地层岩性为弱风化少斑中细粒晶洞正长花岗岩，属于中硬岩类，隧洞围岩综合考虑为3级围岩。

交叉段既有公路隧道采用复合式支护结构，初支为砂浆锚杆和8 cm厚钢筋网喷混凝土，二衬采用35 cm厚C25 防水素混凝土。隧道已处于运营期间，经现场踏勘隧道衬砌整体状况良好，但在右线局部出现掉块。

2 控制爆破参数确定

隧洞施工需保证在控爆区域中距既有隧道最近处爆破施工引起振动在允许振速范围内。根据GB 6722-2014《爆破安全规程》［6］规定，交叉段保护对象类别为交通隧道，结合隧道衬砌结构现状及运营情况，安全允许振速取3 cm/s。

根据规范爆破振动安全允许距离按式（1）计算。

R=KV1αQ13（1）

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K，α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定；在无试验数据的条件下，可参考表1选取。

根据现场条件选取K为200，α取1.6，以两隧道最近实际距离37 m为安全距离。根据式（1）可算得最大单段药量为19.27 kg。

3 控制爆破范围公式解

在非控制爆破区域采用爆破参数为单循环进尺2～3 m，全断面爆破开挖每进尺总炸药量100～150 kg。

根据式（1）计算得测点距爆源中心距离R为64.06～73.33 m，隧洞与既有隧道右线及左线垂直最近距离分别为37 m、38.5 m，换算可得水平距离为距右线52.29～63.31 m，距左线51.20～62.41 m。

按最不利情况考虑，左右线均可按65 m作为控制爆破范围边界。

4 数值模拟

4.1 计算模型

为进一步研究控制爆破范围的选定，同时与公式解相互验证，采用MIDAS/GTS/NX有限元软件建立三维数值模型。模型横向取300 m，纵向取200 m，竖向取252 m，采用粘弹性边界，以四面体单元划分，共划分174 079个单元，28 079个节点，如图3所示。

4.2 模拟工况

模拟计算按最不利情况考虑，同时考虑公式解得的控制爆破范围，故选取距既有隧道左右边75 m、65 m、55 m处作为非控爆模拟点位，选取既有隧道左右线正下方点作为控爆模拟点，如图4所示。

4.3 爆破计算参数

岩体在爆破瞬时动荷载作用下，表现出的力学特性有所变化。依据王思敬、戴俊等［7-8］推导出在爆破荷载作用下材料的弹模、泊松比参数变化公式，结合本工程围岩参数得物理力学参数见表2。

4.4 爆破荷载

计算中假定爆破压力为垂直于隧洞洞壁的面压力。作用的荷载采用美国National Highway Institute里提及的公式，每1kg炸药的爆破压力见式（2）、式（3）：

Pdet=4.5×10-4ρV2e/（1+0.8ρ）（2）

PB=Pdetdcdh3（3）

式中：Pdet为爆破压力（MPa）；Ve为爆破速度（m/s）；ρ为炸药密度（g/cm3）；PB为孔壁面上压力（MPa）；dc为火药直径（mm）；dh为孔眼直径（mm）。

上式决定了爆破发生时的最大爆炸压力。实际上作用于孔壁上的动压力随时间是变化的，通常取为指数型的时间滞后函数。根据计算经验和工程实践本次采用的时程动压力公式见式（4）。

PD（t）=4PB（e-Bt/ 2-e-2Bt）（4）

其中B=163.38，为荷载常量。

根据以上各式，取炸药爆速为2 000 m/s，密度为1 g/cm3，假定为耦合装药，dc=dh。可得每1 kg炸药产生的最大爆炸压力PB=1000 MPa，加载到峰值压力的升压时间为6 ms，爆破荷载时间历程如图5所示。

5 计算结果分析

模型中分洪隧洞与公路隧道交叉处为公路隧道进洞100 m处断面下，监测以进洞100 m为中心，前后以10 m间隔选取3个断面处共计7处作为监测断面。根据掌子面位置不同，选取监测断面内不同部位作为监测点，统计计算结果。

5.1 右线75 m计算

取分洪隧洞掌子面在距隧道右线75 m时非控爆工况，左、右线隧道各监测断面右拱脚为监测点。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图6、图7所示。

由图6可知衬砌最大振速在右线进洞50 m右拱脚附近，这与爆破掌子面位置及爆破力施加方向有关，衬砌最大振速为2.34 cm/s，未超过允许振速。由图7可知隧道右线受爆破影响比左线大，左右线隧道均表现为随进洞距离增大振速变小。

5.2 右线65 m计算

取掌子面在距隧道右线65 m时非控爆工况，监测点选取同上。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图8、图9所示。

由图8可知衬砌最大振速在右线进洞70 m右拱脚附近，为2.66 cm/s，未超过允许振速。由图9可知各处峰值时刻相较于前一工况略有前移，右线隧道各处振速都有提高，左线振速变化不明显。

5.3 右线55 m计算

取掌子面在距隧道右线55 m时非控爆工况，监测点选取同上。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图10、图11所示。

由图10可知衬砌最大振速在右线进洞70 m右拱脚附近，为3.17 cm/s，已超过允许振速。由图11可知各处峰值时刻相较于前一工况略有前移，左右线隧道各处振速都有提高。

5.4 右线底部计算

取掌子面在隧道右线下方时控爆工况，左线各监测断面右拱脚及右线各监测断面底板中心为监测点。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图12、图13所示。

由图12可知衬砌最大振速在右线隧道进洞100 m底板附近，为2.29 cm/s，未超过允许振速。由图13可知由于爆破点位于右线隧道正下方，右线隧道受爆破影响明显比左线大，且右线隧道各处均有峰值快速衰减后出现二次峰值情况，距离爆破点越近处越明显。

5.5 左线底部计算

取掌子面在隧道左线下方时控爆工况，右线各监测断面左拱脚及左线各监测断面底板中心为监测点。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图14、图15所示。

由图14可知衬砌最大振速在左线隧道进洞80 m底板附近，为2.51cm/s，未超过允许振速。由图15可知由于爆破点位于左线隧道正下方，左线隧道受爆破影响明显比右线大，且左线隧道各处同样出现二次峰值情况。

5.6 左线55m计算

取掌子面在距隧道左线55 m时非控爆工况，左、右线隧道各监测断面左拱脚为监测点。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图16、图17所示。

由图16可知衬砌最大振速在左线隧道进洞70 m左拱脚附近，这与隧道覆土厚度及爆破力施加方向有关，衬砌最大振速为2.31 cm/s，未超过允许振速。由图17可知左线隧道受爆破影响明显比右线大，左右线均表现为随进洞距离增大振速变小。相较于右线55 m工况，隧道振速明显降低。

5.7 左线65 m计算

取掌子面在距隧道左线65 m时非控爆工况，监测点选取同上。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图18、图19所示。

由图18可知衬砌最大振速在左线隧道进洞70 m左拱脚附近，为1.77 cm/s，未超过允许振速。由图19可知各处峰值时刻相较于前一工况略有后移，左线各处振速显著降低，右线振速变化不明显。

5.8 左线75 m计算

取掌子面在距隧道左线75 m时非控爆工况，监测点选取同上。计算得隧道衬砌振速峰值时刻、监测点振速时程如图20、图21所示。

由圖20可知衬砌最大振速在左线隧道进洞70 m左拱脚处附近，为1.37 cm/s，未超过允许振速。由图21可知各处峰值时刻相较于前一工况略有后移，左右线各处振速明显降低。

6 结论

（1）控制爆破范围应当同时考虑控制爆破参数、非控制爆破参数及相关规范要求确定。

（2）依据GB 6722-2014《爆破安全规程》中公式得本工程案例控制爆破范围可取公路隧道左右线边界外65 m。

（3）依据数值模拟结果，本工程案例控制爆破范围可取公路隧道右线边界外65 m，左线边界外55 m。

（4）通过本工程案例验证了经验公式及数值模拟方法的可行性，工程实际中建议综合2种方法所得结果确定控制爆破范围。

（5）验证了掌子面靠近既有隧道时隧道衬砌受爆破影响产生的振速大于相同距离处掌子面离开时隧道衬砌振速这一结论的正确性。

参考文献

［1］ 隗建波，刘浩，莫阳春. 上跨公路隧道爆破施工对既有铁路隧道的影响分析［J］. 科技经济导刊，2017（13）：3.

［2］ 贾磊，解咏平，李慎奎.爆破振动对邻近隧道衬砌安全的数值模拟分析［J］.振动与冲击，2015，34（11）：173-177+211.

［3］ 仇文革，凌昊，龚伦，等.引水隧洞下穿既有铁路隧道爆破施工振动影响及对策［J］.中国铁道科学，2009，30（6）：46-53.

［4］ 闫鸿浩，赵晓磊，李晓杰，等.城市地铁浅埋隧道下穿危房爆破设计及振动区域划分探索［J］.施工技术，2016，45（1）：82-87.

［5］ 赵丰，薛亚东，李硕标，等.新建铁路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距离研究［J］.铁道科学与工程学报，2016，13（7）：1365-1371.

［6］ 爆破安全规程： GB6722-2014［S］.

［7］ 王思敬，吴志勇，董万里，等.水电工程岩体的弹性波测试［M］.北京：科学出版社，1980.

［8］ 戴俊.岩石动力学特性与爆破理论［M］.北京：冶金工业出版社，2002.