隧道爆破施工對(duì)鄰近隧道安全性的影響研究

陳紹輝，張賢康，石 波，陳發(fā)本

(1.云南麻昭高速公路建設(shè)指揮部， 云南 昭通 657000； 2 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067；3.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650000)

隧道爆破施工對(duì)鄰近隧道安全性的影響研究

陳紹輝1，張賢康1，石 波2，陳發(fā)本3

(1.云南麻昭高速公路建設(shè)指揮部， 云南 昭通 657000； 2 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067；3.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650000)

隨著地下工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，如何評(píng)價(jià)鄰近隧道受影響程度是新隧道建設(shè)需要考慮的前提之一。建立靜力模型模擬鄰近隧道襯砌的現(xiàn)有受力狀態(tài)，分析新隧道開(kāi)挖時(shí)所引起的鄰近隧道襯砌應(yīng)力重分布。建立動(dòng)力模型分析新隧道爆破時(shí)應(yīng)力波導(dǎo)致鄰近隧道2次襯砌產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)，并將靜力模型和動(dòng)力模型中隧道襯砌的應(yīng)力進(jìn)行矢量疊加，以評(píng)判新隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響。如果爆破振速或任一階段應(yīng)力值超出安全值，則需對(duì)新隧道施工采取必要的控制措施，以保證鄰近隧道的安全。

隧道施工；爆破振速；安全評(píng)價(jià)；應(yīng)力；監(jiān)控量測(cè)；數(shù)值模擬

近年來(lái)，改擴(kuò)建項(xiàng)目逐漸增多，新隧道與鄰近隧道之間設(shè)計(jì)距離較近的現(xiàn)象也越來(lái)越多。在隧道爆破影響的各類研究中，新隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道的影響主要采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和工程類比3種方法[1-3]，其中數(shù)值模擬由于其方便性和預(yù)見(jiàn)性，在各類研究和工程應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

若新隧道與鄰近隧道距離較近，則新隧道爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力波在致使鄰近隧道產(chǎn)生振動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致鄰近隧道應(yīng)力重分布。新隧道爆破開(kāi)挖引起鄰近隧道襯砌產(chǎn)生破壞的原因是鄰近隧道襯砌在承擔(dān)圍巖荷載和自重的同時(shí)受到爆破應(yīng)力波沖擊，三者應(yīng)力值疊加超過(guò)襯砌自身強(qiáng)度從而導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂。由于對(duì)爆破振動(dòng)速度的監(jiān)測(cè)比對(duì)襯砌應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)更為方便，故眾多研究都側(cè)重于對(duì)鄰近隧道振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，忽視了隧道襯砌出現(xiàn)破壞的本質(zhì)問(wèn)題是其自身應(yīng)力值超過(guò)強(qiáng)度值[4-6]。因此，本文分析爆破振動(dòng)速度時(shí)，考慮了鄰近隧道受新隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波及新隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布疊加影響，對(duì)新隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道產(chǎn)生的影響進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

1 新隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 鄰近隧道損壞評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

鄰近隧道因運(yùn)營(yíng)多年，其結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)有待評(píng)定。根據(jù)新版JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評(píng)定標(biāo)度分為5類，其中4、5類隧道結(jié)構(gòu)分別處于嚴(yán)重破損和危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害處治。對(duì)于此類隧道，應(yīng)首先評(píng)定其受力狀態(tài)。

1.2 隧道受爆破影響的振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)外大都將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為衡量隧道受爆破振動(dòng)影響的主要物理量，對(duì)爆破震動(dòng)的研究也以振動(dòng)速度的測(cè)量和分析為依據(jù)[7-8]。但是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，不同標(biāo)準(zhǔn)給出的安全振動(dòng)速度相差很大，所以還有待進(jìn)一步研究和探索。

GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》對(duì)各構(gòu)筑物的爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)有明確要求，對(duì)不同振動(dòng)頻率區(qū)間給出了各類構(gòu)筑物的安全允許值。公路交通隧道爆破振動(dòng)安全允許振動(dòng)速度為10～20 cm/s。長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院對(duì)地下結(jié)構(gòu)工程的允許爆破振動(dòng)速度和破壞標(biāo)準(zhǔn)給出的建議值如表1所示。

表1 地下結(jié)構(gòu)允許的爆破振動(dòng)速度和破壞標(biāo)準(zhǔn)

瑞士提出的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)為頻帶寬度在10～60 Hz時(shí)，爆破引發(fā)的振動(dòng)速度為3 cm/s；頻帶寬度為60～90 Hz時(shí)，爆破引發(fā)的振動(dòng)速度為3～4 cm/s。

1.3 鄰近隧道受爆破應(yīng)力波的影響

國(guó)內(nèi)外眾多研究中，隧道襯砌應(yīng)力和應(yīng)力增量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)拉壓強(qiáng)度安全系數(shù)和基于隧道健全度的應(yīng)力增量容許值來(lái)確定。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)如表2所示。

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)

隧道施工過(guò)程中，鄰近隧道襯砌安全性評(píng)價(jià)按下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：K為襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，按表2取值；Rt為混凝土極限抗拉強(qiáng)度；Rc為混凝土極限抗壓強(qiáng)度；σt為混凝土截面所受拉應(yīng)力；σc為混凝土截面所受壓應(yīng)力。

文獻(xiàn)[9]結(jié)合日本《鐵路隧道近接施工指南》結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析方法，參照我國(guó)《鐵路隧道設(shè)備劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)—隧道》[10]，提出了基于應(yīng)力增量的隧道健全度劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 隧道襯砌應(yīng)力增量容許值

注：A表示結(jié)構(gòu)功能嚴(yán)重劣化；AA為結(jié)構(gòu)功能嚴(yán)重劣化，危及行車安全；A1為結(jié)構(gòu)功能嚴(yán)重劣化，進(jìn)一步發(fā)展危及行車安全；B為劣化繼續(xù)發(fā)展會(huì)升至A級(jí)；C為影響較少；D為無(wú)影響。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)爆破監(jiān)測(cè)

某高速公路隧道為上下行分離行駛的4車道公路隧道，暗洞段采用復(fù)合式襯砌，洞口及明洞段采用整體式模筑襯砌。為了緩解交通壓力，需在隧道兩側(cè)新建2個(gè)隧道，新隧道與鄰近隧道大致平行，凈距15～60 m。隧址區(qū)巖性主要為灰?guī)r、白云巖、鹽溶角礫巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)巖、砂巖等。

鄰近隧道運(yùn)營(yíng)多年，襯砌出現(xiàn)了不同程度的裂縫和滲水等現(xiàn)象，故分別于2004年和2010年進(jìn)行隧道的加固處治和路面病害整治。

在隧道進(jìn)口段，新隧道與鄰近隧道凈距為15 m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，設(shè)計(jì)要求隧道襯砌安全允許振動(dòng)速度為10 cm/s。施工中采用CD法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.8 m，先導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖每次爆破裝藥量32 kg。

在新隧道施工爆破過(guò)程中，對(duì)鄰近隧道靠新隧道側(cè)邊墻進(jìn)行了多次爆破振速監(jiān)測(cè)，本文整理并提供最大3次爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)及時(shí)反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)爆破工藝進(jìn)行了控制，同時(shí)，有效減少了爆破振動(dòng)速度，使其控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。但是在該段新隧道開(kāi)挖完后，發(fā)現(xiàn)鄰近隧道拱腰及邊墻處出現(xiàn)數(shù)條裂縫。為此，本文對(duì)該段爆破施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2 模擬分析

2.2.1 計(jì)算參數(shù)確定

2.2.1.1 爆破沖擊荷載

對(duì)地下洞室爆破沖擊荷載的確定，本文按如下原則進(jìn)行計(jì)算：

1) 爆炸荷載以壓力形式均布荷載作用于洞室開(kāi)挖面上，方向垂直于邊界面。

2) 根據(jù)爆破實(shí)際情況，將荷載曲線簡(jiǎn)化為三角形波，如圖1所示。圖1中，P為壓力；t為時(shí)間。

圖1 爆破荷載簡(jiǎn)化曲線

3) 沖擊荷載曲線典型加載到峰值壓力的升壓時(shí)間為100 ms，卸載時(shí)間為500 ms，共計(jì)600 ms。為了解爆破振動(dòng)波在巖體中的傳播規(guī)律，總的計(jì)算時(shí)間取1 s。

4 ) 三角形波峰壓力的最大值Pmax按以下方法近似確定。

確定爆破荷載峰值，即確定作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力。在C-J(查普曼-朱格特理論)爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為：

(3)

式中：PD為炸藥爆轟平均初始?jí)毫?；ρe為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度；γ為炸藥等熵指數(shù)。

對(duì)于耦合裝藥條件而言，作用在炮孔上的壓力即為炸藥爆轟壓力，則

P0=PD

(4)

式中：P0為耦合裝藥時(shí)爆破荷載峰值壓力。

對(duì)于不耦合裝藥條件而言，爆炸后爆生氣體將在炮孔內(nèi)膨脹。假設(shè)爆生氣體為多方氣體，則狀態(tài)方程為：

P=Aρv0

(5)

式中：P為某一狀態(tài)下的爆生氣體壓力；ρ為某一狀態(tài)下爆生氣體的密度；A為常數(shù)；v0為爆生氣體的等熵指數(shù)。當(dāng)P≥Pk時(shí)，取v0=γ=3.0；當(dāng)P

隧道爆破爆生氣體的膨脹只經(jīng)過(guò)P>Pk一個(gè)狀態(tài)，此時(shí)由上式可得到炮孔初始平均壓力：

(6)

式中：dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑。

大量研究結(jié)論表明，掏槽眼起爆時(shí)，由于缺乏相應(yīng)的臨空面，整個(gè)爆破最大振速出現(xiàn)在掏槽眼起爆時(shí)刻，故本文只對(duì)掏槽眼爆破進(jìn)行研究。根據(jù)大量施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)于掏槽孔采用不耦合裝藥。

按照公路隧道施工經(jīng)驗(yàn)，鉆爆法一般采用2號(hào)乳化炸藥，密度為1 000 kg/m3，爆速為3 200 m/s。炸藥直徑32 mm，掏槽眼直徑40 mm，孔深為1 m。

根據(jù)圣維南原理，將同排炮孔連心線所在豎直面建成平面。如圖2所示，假定單個(gè)炮孔壁上作用有壓力P0，炮孔半徑為r0，孔間距為a，根據(jù)力和力矩平衡，可以將圖2(a)所示作用在炮孔壁上的壓力P0，等效施加在圖2(b)所示的炮孔連心線上，需施加的等效壓力為：

Pe=(2r0/a)P0

(7)

圖2 等效施加爆破荷載示意

根據(jù)設(shè)計(jì)文件提出的開(kāi)挖方法，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，擬定掏槽眼數(shù)目。因此，采用式(7)可以計(jì)算得到作用在隧道開(kāi)挖輪廓線上的壓力Pe。

進(jìn)行光面爆破時(shí)，掏槽眼最先起爆，以便將中心巖石拋擲出來(lái)，為圍巖增加臨空面，達(dá)到最佳爆破效果。根據(jù)爆破原理及常規(guī)施工習(xí)慣，對(duì)該隧道采用CD法開(kāi)挖時(shí)并按4孔掏槽眼布置，Pe=6.04 MPa。

2.2.1.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用勘察報(bào)告提供的值，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)范取值，具體力學(xué)參數(shù)如表5所示。

表5 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模型建立

本文針對(duì)該隧道爆破開(kāi)挖分別建立了靜力模型和動(dòng)力模型。靜力模型主要模擬新建隧道首部施工開(kāi)挖引起的鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力最終值和相對(duì)變化值。動(dòng)力模型主要模擬新建隧道首部爆破開(kāi)挖引起鄰近隧道2次襯砌的振動(dòng)速度和應(yīng)力值。

靜力模型中，左右側(cè)和底面邊界采用法向位移約束，圍巖的荷載釋放比例參考JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，圍巖及初期支護(hù)承擔(dān)20%圍巖壓力，2次襯砌承擔(dān)80%圍巖壓力。

首先，模擬新隧道施工前鄰近隧道的現(xiàn)狀內(nèi)力。由于鄰近隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較久，可認(rèn)為其初期支護(hù)和圍巖為一整體，承受施工期間20%的圍巖變形荷載，而隧道2次襯砌承受80%的圍巖變形荷載。

動(dòng)力模型中，針對(duì)深埋隧道，左右面和上下面4個(gè)邊界均采用無(wú)反射邊界條件；針對(duì)淺埋隧道，僅在左右和底面采用無(wú)反射邊界條件。由于首部開(kāi)挖前，隧道掌子面缺乏自由臨空面，首部爆破開(kāi)挖時(shí)對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物造成的爆破振動(dòng)速度最大，故只分析首部爆破時(shí)對(duì)鄰近隧道的影響。計(jì)算模型所圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

2.2.3 鄰近隧道受新隧道爆破開(kāi)挖的影響

2.2.3.1 鄰近隧道2次襯砌爆破振動(dòng)速度分析

爆破后0.2 s內(nèi)，鄰近隧道的拱頂、拱腰和邊墻部位爆破振動(dòng)速度達(dá)到最大值，之后逐漸趨于平緩，約1 s后，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。鄰近隧道2次襯砌振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)在左側(cè)拱腰處，為9.10 cm/s；拱頂為8.76 cm/s，靠近新隧道側(cè)邊墻振速為8.20 cm/s，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明本模型基本正確。

2.2.3.2 鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力分析

1) 鄰近隧道現(xiàn)狀應(yīng)力分析。

鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力分布如圖4所示。鄰近隧道2次襯砌結(jié)構(gòu)均受壓應(yīng)力，其中第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂處，為3.96 kPa，受拉；第三主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在邊墻，為-2 100 kPa，受壓。從計(jì)算結(jié)果看，鄰近隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 鄰近隧道現(xiàn)狀2次襯砌應(yīng)力云圖

2) 新隧道首部開(kāi)挖階段鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力。

本文主要模擬新隧道首部開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力重分布對(duì)鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力的影響。按對(duì)鄰近隧道結(jié)構(gòu)最不利影響工況分析，導(dǎo)洞開(kāi)挖后應(yīng)力釋放100%。

襯砌應(yīng)力分布如圖5所示。新隧道首部開(kāi)挖階段，第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂，為3.96 kPa，受拉；第三主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在近新隧道側(cè)邊墻底端，為-2 100 kPa，受壓。從應(yīng)力分析來(lái)看，鄰近隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

新隧道首部開(kāi)挖時(shí)，鄰近隧道2次襯砌第一主應(yīng)力增加50.73%，第三主應(yīng)力增加5.68%，均出現(xiàn)在近新隧道側(cè)拱腰部位；但鄰近隧道2次襯砌總體應(yīng)力較小，故結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 爆破振動(dòng)引起的鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力。

本文主要分析新隧道首部開(kāi)挖爆破過(guò)程中，鄰近隧道2次襯砌的應(yīng)力分布情況及爆破的影響程度。

鄰近隧道2次襯砌受爆破應(yīng)力波引起的應(yīng)力分布如圖6所示。新隧道掏槽眼爆破時(shí)，鄰近隧道2次襯砌受爆破振動(dòng)影響較明顯，第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在近新隧道側(cè)邊墻處，為1 606.91 kPa，受拉；第三主應(yīng)力最小值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離新隧道側(cè)拱腰處，為-218.68 kPa，受壓。

圖5 新隧道首部開(kāi)挖鄰近隧道2次襯砌應(yīng)力云圖

圖6 鄰近隧道2次襯砌受爆破應(yīng)力波引起的應(yīng)力云圖

將2次襯砌在靜力階段和動(dòng)力階段的應(yīng)力進(jìn)行累加，得到新隧道首部爆破開(kāi)挖時(shí)鄰近隧道2次襯砌各部位的應(yīng)力值。新隧道首部爆破開(kāi)挖時(shí)，鄰近隧道2次襯砌近新隧道側(cè)邊墻處的拉應(yīng)力達(dá)到1.57 MPa，超過(guò)規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強(qiáng)度(fcd=1.47 MPa)，結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)開(kāi)裂。

3 結(jié)論

由于新隧道與鄰近隧道距離較近，故新隧道施工對(duì)鄰近隧道有一定影響。本文以國(guó)內(nèi)某隧道工程為例，建立了有限元二維模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比分析，并得到以下結(jié)論：

1) 在鄰近隧道旁開(kāi)挖新隧道時(shí)，應(yīng)通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，及時(shí)調(diào)整新建隧道的施工工法和工藝，將鄰近隧道的振速控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，但新隧道爆破開(kāi)挖依然會(huì)使鄰近隧道襯砌開(kāi)裂。

2) 鄰近隧道與新隧道距離較近時(shí)，新隧道爆破開(kāi)挖會(huì)對(duì)鄰近隧道形成爆破沖擊應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)引起鄰近隧道襯砌應(yīng)力出現(xiàn)重分布，這是其襯砌出現(xiàn)開(kāi)裂的原因。

3) 對(duì)于運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)的鄰近隧道，應(yīng)查明其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、圍巖條件、地下水狀態(tài)，以便對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

4) 根據(jù)不同的工程特點(diǎn)，爆破振動(dòng)控制時(shí)，在振動(dòng)速度的基礎(chǔ)上，要引入頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，建立振動(dòng)速度、應(yīng)力、應(yīng)力增量等多參數(shù)的振動(dòng)安全判據(jù)。

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Study on the Influence of Tunnel Blasting on the Safety of Adjacent Tunnels

CHEN Shaohui1,ZHANG Xiankang1,SHI Bo2,CHEN Faben3

With the increasing number of underground construction projects,evaluation of the influence degree of adjacent tunnels is one of the prerequisites for the construction of new tunnels. In this paper,static model is set up to simulate the existing stress state of adjacent tunnel lining,so to analyze the stress distribution of adjacent tunnel linings during new tunnel excavation. The dynamic state model is then set up to analyze the stress state of the secondary lining of the adjacent tunnel caused by the stress wave from new tunnel blasting,and the stress of the tunnel lining in the static model and dynamic model is superimposed to evaluate influence to adjacent tunnel during new tunnel excavation and blasting. If the blasting vibration velocity or the stress value of any stage exceeds the safe value,necessary control measures should be taken for the new tunnel construction to ensure the safety of adjacent tunnels.

tunnel construction; blasting vibration velocity; safety evaluation; stress; monitoring & measuring; numerical simulation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.022

重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)(重大)項(xiàng)目(csct2013yykfC30001)

2016-08-23

陳紹輝(1968-)，男，云南省曲靖市人，本科，高工。

1009-6477(2016)06-0100-06

U459.2

A