超小間距雙洞隧道開挖施工方法與爆破動(dòng)力分析

張國(guó)強(qiáng) 汪令平 崔文輝 趙向忠

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

超小間距雙洞隧道開挖施工方法與爆破動(dòng)力分析

張國(guó)強(qiáng) 汪令平 崔文輝 趙向忠

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

針對(duì)重慶某超小間距雙洞隧道工程，提出交叉中隔墻法(CRD法)三臺(tái)階施工法，同時(shí)采用銑挖機(jī)開挖與爆破開挖相結(jié)合的方式開挖后行洞。并經(jīng)有限元爆破動(dòng)力分析表明，與全部采用爆破開挖相比，中墻巖柱水平向最大振動(dòng)速度由193 cm/s減小至2.98 cm/s，滿足巖柱的安全需要。

超小間距，雙洞隧道，施工方法，爆破動(dòng)力分析

1 工程概況

重慶軌道交通十號(hào)線紅土地站位于六號(hào)線正下方，為了確保六號(hào)線的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)，在軌道六號(hào)線正下方，將十號(hào)線25.2 m的大跨度單洞隧道分成兩個(gè)分離的11.44 m的小跨度單洞拱形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可見，雙洞凈間距僅1.66 m，屬超小間距。在雙洞隧道開挖施工過程中，不僅要考慮爆破開挖下上部已建六號(hào)線結(jié)構(gòu)的安全，還要考慮后行洞爆破開挖對(duì)雙洞間中隔墻巖體的穩(wěn)定影響。

2 研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[1]針對(duì)云萬(wàn)高速公路張家山隧道小凈距段施工，提出采用小循環(huán)進(jìn)尺、分區(qū)開挖的臺(tái)階分部法和短臺(tái)階斷面法開挖，并控制最大段裝藥量、段間隔時(shí)間、確定合理的爆破參數(shù)和對(duì)先行洞最不利部位振速監(jiān)測(cè)等一系列爆破減振控制技術(shù)，以保證小凈距段先行洞的安全和后行洞施工的順利進(jìn)行。文獻(xiàn)[2]針對(duì)國(guó)家高速公路泉州至南寧橫線福建省境內(nèi)永安至寧化高速公路A9合同段雷公鋪隧道及七里坑小凈距隧道的施工，提出了超前支護(hù)、洞身開挖、中央巖柱加固、錨噴支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)等工序的施工舉措。文獻(xiàn)[3]以重慶軌道交通三號(hào)線一期工程新牌坊—鄭家院子區(qū)間隧道工程開挖施工為例,重點(diǎn)介紹了在不同圍巖級(jí)別中,小凈距隧道采用的開挖施工方法、施工工序、特殊情況的處理,從而滿足小凈距隧道中夾巖層及隧道回填埋深層的穩(wěn)定,確保隧道施工安全。文獻(xiàn)[4]結(jié)合京福高速公路里洋小凈距隧道施工實(shí)踐,介紹了小凈距隧道開挖和中夾巖墻加固施工技術(shù),并就施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)加以說明。文獻(xiàn)[5]利用ANSYS軟件對(duì)小凈距隧道在不同開挖方法下的圍巖的變形及應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)先開挖隧道位移變化特征、圍巖應(yīng)力進(jìn)行研究,得出Ⅲ級(jí)圍巖條件下小凈距隧道的合理開挖方法。文獻(xiàn)[6]以河源洞小凈距隧道為工程背景,通過模擬研究比較不同施工方法下的塑性區(qū)、位移、應(yīng)力情況，研究結(jié)果表明：側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中對(duì)圍巖開挖次數(shù)較多,圍巖受到的擾動(dòng)較大,塑性區(qū)范圍比臺(tái)階法大；在相同的開挖次數(shù)下,CRD(中隔墻)法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍又大于側(cè)壁導(dǎo)坑法。對(duì)于圍巖條件較差的情況,控制位移是施工中應(yīng)該注意的一項(xiàng)重要工作,側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)于控制位移的增量有明顯優(yōu)越性,所以在軟弱地層可以優(yōu)先考慮采用。

3 開挖施工方法

前面查閱的文獻(xiàn)中，研究小間距雙洞隧道開挖施工方法主要是合理設(shè)計(jì)施工順序、超前支護(hù)、中央巖柱加固、監(jiān)控量測(cè)等。而且文獻(xiàn)中定義的小間距雙洞隧道根據(jù)的是文獻(xiàn)[7]JTG D70/2—2014公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，文獻(xiàn)[7]規(guī)定，圍巖為Ⅱ類時(shí)，當(dāng)雙洞隧道凈間距小于1.5倍隧道開挖數(shù)面的寬度時(shí)，即可定義為小凈間距。

重慶軌道交通十號(hào)線紅土地站雙洞隧道凈間距僅1.66 m，遠(yuǎn)小于規(guī)范定義的小凈間距，屬超小間距，僅從施工順序調(diào)整、巖柱加固等方面下手無法保證雙洞間中隔墻巖體的穩(wěn)定，為此，作者提出了交叉中隔墻法(CRD法)三臺(tái)階施工，同時(shí)采用爆破開挖與機(jī)械開挖相結(jié)合的施工方法。

平面順序上，CRD法施工確保中隔壁兩側(cè)導(dǎo)洞錯(cuò)開20 m以上，同一側(cè)導(dǎo)洞上下臺(tái)階步距控制在10 m。為確保軌道六號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全，先開挖一側(cè)隧道,待先行洞初期支護(hù)及二次襯砌施工完成后再開挖另一側(cè)隧道。圖2為CRD法施工步序圖，右洞為先行洞，左洞為后行洞。

先行洞施工完成后，再開挖左側(cè)后行洞，為保護(hù)兩洞之間的中墻巖柱，后行洞靠近先行洞側(cè)的二、三階，即圖2中的⑤⑥部，采用機(jī)械開挖。同時(shí)為減小爆破開挖對(duì)上部六號(hào)線的振動(dòng)影響，先行洞和后行洞的①④部均采用機(jī)械開挖。機(jī)械開挖部分如圖2中陰影部分所示。

機(jī)械開挖采用德國(guó)進(jìn)口的艾卡特1 500(ER1500)銑挖機(jī)。該型號(hào)銑挖機(jī)最大挖掘半徑為10.18 m，最大挖掘高度為10 m，單次銑挖進(jìn)尺為50 cm～80 cm，滿足下穿段開挖施工要求。

爆破采用控制爆破(松動(dòng)弱爆破)，孔徑42 mm，孔深0.8 m，起爆采用光面爆破，毫秒起爆方式；選用微差毫秒雷管，跳段使用相隔間距大于50 ms，避免震波疊加影響；采用低密度、低爆速、低猛度、高爆力的炸藥。

4 爆破動(dòng)力分析

根據(jù)前面的開挖施工方法，對(duì)后進(jìn)洞的⑤⑥部，采用銑挖機(jī)開挖，從理論上講，增大了炮眼與中墻巖柱的距離，可以減小爆破對(duì)中墻巖柱的振動(dòng)影響，但具體減小了多少、是否能保證中墻巖柱的穩(wěn)定，需要進(jìn)行爆破動(dòng)力分析。

采用有限元程序Ansys10.0做爆破動(dòng)力分析，根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，隧道圍巖上層主要為砂巖，下層主要為砂質(zhì)泥巖。巖石力學(xué)參數(shù)按表1取值。

表1 有限元分析巖石力學(xué)參數(shù)

已建六號(hào)線混凝土圈重度取25 kN/m3，彈性模量30 000 MPa，泊松比0.2。十號(hào)線屬在建隧道，不考慮混凝土圈。

動(dòng)力分析模型圖如圖3所示，先開展振型分析，得到前五階自振主頻，再開展動(dòng)力分析。炮眼爆炸壓力可采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWJ狀態(tài)加以描述[8]。

對(duì)兩種工況做對(duì)比分析：工況一，先行洞開挖完畢，后行洞②部已開挖至六號(hào)線中心正下方，①部機(jī)械開挖超越②部2.0 m，②部上方靠右第一個(gè)炮眼炸藥爆炸；工況二，先行洞全部開挖完畢，后行洞①②③部也開挖完成，⑤部已開挖至六號(hào)線中心正下方，④部機(jī)械開挖超越⑤部2.0 m，⑤部上方靠右第一個(gè)炮眼炸藥爆炸。

在工況一、工況二動(dòng)力分析時(shí)，在與炮眼等高的中墻巖柱先行洞側(cè)布置“監(jiān)測(cè)點(diǎn)”1，僅監(jiān)測(cè)X方向(水平方向)的振動(dòng)，如圖4所示。動(dòng)力分析步長(zhǎng)0.000 075 s，總步數(shù)350。

圖5，圖6分別為“監(jiān)測(cè)點(diǎn)”1在工況一、工況二時(shí)X向(水平向)振動(dòng)速度。

由圖5可知，當(dāng)采用機(jī)械開挖與爆破開挖相結(jié)合的方式施工后行洞時(shí)，中墻巖柱水平方向最大振動(dòng)速度Vx=2.98 cm/s，考慮到對(duì)先行洞已進(jìn)行了初步支護(hù)，可認(rèn)為基本滿足巖柱的安全需要。

由圖6可見，當(dāng)全部采用爆破開挖時(shí)，中墻巖柱水平方向最大振動(dòng)速度Vx=193 cm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了振動(dòng)速度允許值2.0 cm/s，中墻巖柱將會(huì)發(fā)生徹底破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

重慶軌道交通十號(hào)線紅土地站雙洞隧道凈間距僅1.66 m，遠(yuǎn)小于規(guī)范定義的小凈間距，屬超小間距，針對(duì)此特殊隧道工程，本文提出了交叉中隔墻法(CRD法)三臺(tái)階施工，同時(shí)采用銑挖機(jī)開挖與爆破開挖相結(jié)合的方式開挖后行洞，可以極大的減小對(duì)兩洞之間中墻巖柱的振動(dòng)影響，中墻巖柱先行洞側(cè)水平向最大振動(dòng)速度可以由193 cm/s減小至2.98 cm/s，滿足巖柱的安全需要。

本文提出的超小間距雙洞隧道開挖施工方法，既能保證施工進(jìn)度，又滿足安全穩(wěn)定需要，可以在超小間距雙洞隧道工程施工中推廣應(yīng)用。

[1] 趙禹鋒.小凈距隧道施工中減振技術(shù)研究[J].重慶建筑,2010,9(4):48-52.

[2] 崔 健.淺談小凈距隧道的開挖[J].安徽建筑,2015,22(5):105-106.

[3] 張立業(yè).小凈距雙隧道開挖施工方法[J].山西建筑,2010,36(23):311-312.

[4] 王玉成.小凈距隧道開挖及中夾巖墻加固施工技術(shù)[J].山西建筑,2005,31(10):81-82.

[5] 鄒俊杰.小凈距隧道開挖方法的研究[J].四川建材,2014(4):161-162.

[6] 吳 賁,楊小禮.小凈距隧道施工方法優(yōu)化研究[J].礦業(yè)工程研究,2009,24(4):21-25.

[7] JTG D70/2—2014，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] 康 楠.地下工程非爆破法開挖技術(shù)研究[D].重慶：后勤工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，2015.

Constructionmethodandblastingdynamicanalysisofdoubleholetunnelwithsupersmallspace

ZhangGuoqiangWangLingpingCuiWenhuiZhaoXiangzhong

(ChinaRailwaySixthGroupCo.,Ltd,Beijing100036,China)

Aimed at as for some extreme small space double-trock tunnel in Chongqing tunnel, the cross partition method (CRD method) in three step has been put forward, and the combination of milling machine excavation and blasting excavation has been used to dig the later tunnel. The blasting dynamic analysis of the finite element shows that, compared with the whole blasting excavation, the maximum horizontal vibration velocity of the middle wall rock column is reduced from 193 cm/s to 2.98 cm/s, which meets the safety requirements of the rock column.

super small space, double hole tunnel, construction method, blasting dynamic analysis

1009-6825(2017)23-0173-03

2017-06-05

張國(guó)強(qiáng)(1982- )，男，工程師

U455

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