新建引水隧洞下穿既有高速公路隧道爆破振動影響研究

丁玉仁

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，平潭 350400)

0 引言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加，帶來了公路、鐵路及水利工程隧道建設(shè)項(xiàng)目的高速發(fā)展， 地下空間得到了更大程度的利用。在市政、交通及水利行業(yè)工程建設(shè)大跨越式發(fā)展中，小凈距平行隧道、新建隧道臨近既有建筑物、新建隧道下穿側(cè)穿既有隧道等形式的地下近接工程越來越多。采用鉆爆法施工的隧道近距離穿越既有隧道時(shí)，由爆破開挖引發(fā)的既有隧道振動安全問題日益凸顯， 關(guān)于近接隧道爆破施工的振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)、 振動響應(yīng)評價(jià)及爆破控制措施受到工程爆破領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員的重點(diǎn)關(guān)注。

近年來， 國內(nèi)外學(xué)者在隧道近接開挖爆破振動影響分析方面做了很多研究。仇文革[1]系統(tǒng)地劃分了廣義地下工程近接施工的類型， 為各類近接施工影響分析提出了分析判斷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；龔倫等[2]結(jié)合工程監(jiān)測結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬爆破分析結(jié)果的可行性， 并得出爆破施工重點(diǎn)監(jiān)測范圍；馮仲仁[3]、劉敦文等[4]研究了近接施工隧道間距和爆破裝藥量對爆破引起振動的影響；劉拓[5]、劉均紅[6]結(jié)合引水隧洞下穿既有高速公路、鐵路隧道的案例，通過數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式方法， 得出引起既有隧道質(zhì)點(diǎn)振動速度的大小分布情況及振速與爆源距離的關(guān)系； 針對交叉隧道開挖爆破振動的不利影響，陳慶[7]、于建新等[8]通過對爆破振動監(jiān)測結(jié)果的回歸分析， 提出了相應(yīng)的爆破振動控制技術(shù)措施。隧道工程地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)措施影響爆破施工振動波的傳播， 不同環(huán)境條件下的近接爆破施工影響會有著很大差異。

本文以平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿福銀高速公路竹岐隧道為工程背景，利用經(jīng)驗(yàn)公式法和三維數(shù)值模擬方法開展引水隧洞下穿高速公路隧道的爆破施工影響分析， 為爆破施工控制措施提供依據(jù)， 以確保既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和行車交通的安全運(yùn)行。

1 工程概況

閩江竹岐-大樟溪引水線路金水湖-溪源溪隧道在閩侯縣竹岐鄉(xiāng)附近(樁號JX2+450)下穿福銀高速公路竹岐隧道，交叉段總體埋深200～300m，兩條隧道交叉角度為55.7°， 交叉位置福銀高速公路隧洞路面高程約為54.00m，引水隧洞隧洞頂高程為19.55m，隧洞頂與高速公路路面凈距34.45m，新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。 交叉段落洞身段圍巖為正長斑巖，圍巖微風(fēng)化-新鮮，弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度大于80MPa，屬工程堅(jiān)硬巖類，交叉影響段圍巖巖體為Ⅲ級圍巖。 該區(qū)為基巖山區(qū)，賦存的地下水較貧乏，地下水與地表水循環(huán)深度不大。

圖1 新建引水隧洞與既有高速公路隧道交叉段位置關(guān)系示意圖

本工程新建引水隧洞開挖洞徑為5.5m，斷面采用平底圓型，底寬為4m。 既有高速公路隧道為分離式雙線雙洞隧道， 單洞行車道寬度為2×3.75m， 水平向直徑約11.6m，豎向高度約8.1m，左右洞軸距為37.62～50m。 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖如圖2 所示。

圖2 引水隧洞及高速公路隧道斷面圖(單位：cm)

2 爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)的選取

根據(jù)國內(nèi)《爆破安全規(guī)程》[9]規(guī)定，地下建筑如水工隧道、交通隧道、礦山巷道等振動判據(jù)采用保護(hù)對象所在地的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度(取三個(gè)垂直分量中的最大值)。高速公路隧洞可參照交通隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)選取， 即在爆破振動影響下，質(zhì)點(diǎn)最大振動速度不得大于10～20cm/s。 日本《接近既有隧道施工對策指南》[10]中對健全度為A2、A1(變異程度有發(fā)展趨勢) 的隧道爆破振動速度的限制值為3cm/s。

綜合國內(nèi)外安全規(guī)程、指南等相關(guān)規(guī)定，隧道爆破開挖采用質(zhì)點(diǎn)的峰值振動速度來推斷高速公路隧道的受害限界，結(jié)合工程實(shí)際情況，考慮到處于運(yùn)營中隧道拱部錨固有電氣化設(shè)施等多種部件，為了確保安全，取既有高速公路隧道的振動速度安全控制標(biāo)準(zhǔn)[V]=3cm/s，并將既有隧道振速達(dá)到1/3[V]=1cm/s 的區(qū)間作為爆破監(jiān)測的范圍。

3 爆破振動三維數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

為了模擬引水隧洞爆破施工對既有福銀高速竹岐隧道的影響，本節(jié)采用MIDAS/GTS 軟件建立三維有限元模型。 計(jì)算時(shí)為減小“邊界效應(yīng)”[11]，模型沿高速公路隧道縱向截取160m，橫向截取230m，模型左邊界距公路隧道左洞軸線100m，模型上邊界按隧道實(shí)際埋深取205～230m，下邊界距公路隧道左洞100m，建立如圖1、圖3 三維計(jì)算模型，共劃分單元67591 個(gè)。

圖3 三維計(jì)算模型示意圖

本文數(shù)值模擬采用全斷面法開挖， 根據(jù)工程實(shí)際情況，由于高速公路隧道已先期通車，為分析引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產(chǎn)生的最大影響， 本模擬分析過程采用既有高速公路隧道已貫通， 引水隧洞已開挖至與高速公路左洞交叉點(diǎn)處位置， 采用1m 單循環(huán)進(jìn)尺繼續(xù)爆破開挖的施工過程。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)， 模型對已經(jīng)施工完成的福銀高速竹岐隧道模擬其二次襯砌， 對已開挖段引水隧洞模擬其初期支護(hù)， 二者均采用板單元模擬， 并定義為彈性材料屬性。對圍巖和地層采用實(shí)體單元建模，隧道所在巖層采用德魯克-普拉格本構(gòu)模型， 其余巖土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

模型的邊界條件為： 特征值分析除地表為自由邊界外，其余各邊界通過曲面彈簧定義為彈性邊界；爆破振動時(shí)程分析中除地表為自由邊界外， 其余各邊界取帶阻尼彈性系數(shù)的粘彈性邊界曲面彈簧。

3.2 材料計(jì)算參數(shù)選取

本次計(jì)算參數(shù)參照地勘資料和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)選取[12]，如表1 所示。

3.3 爆破荷載

由于數(shù)值模擬的簡化， 將掌子面多個(gè)藥孔微差爆破產(chǎn)生的爆破荷載以均布壓力荷載形式作用在隧道壁上， 方向垂直于洞壁。 爆破荷載采用美國National Highway Institute 里提及的公式， 即每1kg 炸藥的爆破壓力如下[13]：

表1 巖土層及隧道襯砌計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

式中：Pdet為爆破壓力，kPa；Ve為炸藥爆速，cm/s；ρ 為炸藥比重，g/cm3；PB為孔壁面上壓力，kPa；dc為火藥直徑；dh為孔眼直徑。

實(shí)際上作用于孔壁上的動壓力隨時(shí)間是變化的，通常取為指數(shù)型的時(shí)間滯后函數(shù)。 根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐本報(bào)告中采用的時(shí)程動壓力公式如下：

式中，B 為荷載常量。

根據(jù)式(1)～(3)，取炸藥爆速為300000cm/s，炸藥密度為1g/cm3，當(dāng)耦合裝藥時(shí)，dc=dh。 本模擬過程假定引水隧洞爆破開挖最大單段裝藥量為10kg，炸藥產(chǎn)生的最大爆炸壓力為PB=208.91MPa，加載到峰值壓力的升壓時(shí)間為6ms，爆破荷載時(shí)間歷程如圖4 所示。

圖4 爆破荷載時(shí)程函數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 引水隧洞爆破開挖對既有高速公路隧道產(chǎn)生的振動速度影響

為探究引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 單循環(huán)進(jìn)尺爆破開挖對高速隧道質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度的影響，選取公路隧道橫斷面各考察點(diǎn)布置如圖5 所示。

由于引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處爆破開挖引起左洞的峰值振速明顯大于右洞， 提取高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處橫斷面各考察點(diǎn)的水平和豎向峰值振動速度，如表2 所示。

圖5 高速公路隧道橫斷面各考察點(diǎn)布置圖

表2 各考察點(diǎn)計(jì)算峰值振動速度(cm/s)

由表2 可得， 既有高速隧道截面豎向振速峰值均大于水平振速峰值， 高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處橫斷面的豎向峰值振速為0.854cm/s，位于左洞隧道的底板中點(diǎn)位置，并沿拱腳往拱頂位置逐漸衰減，爆破施工對既有高速隧道的影響主要集中于底板位置。

為探究高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向的振速響應(yīng)， 選取沿高速公路隧道左洞軸線方向距離交叉點(diǎn)不同位置處(引水隧洞未開挖側(cè)為正)的底板中點(diǎn)豎向峰值振動速度，如圖6 所示。

由圖6 可得，高速公路隧道左洞沿隧道軸線方向底板中點(diǎn)豎向振動速度在交叉點(diǎn)處達(dá)到最大，為0.854cm/s，并沿與交叉點(diǎn)距離的增大而逐漸衰減。

綜合上述結(jié)論， 引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為0.854cm/s，位于高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處底板中點(diǎn)位置， 峰值振速小于監(jiān)測振速安全控制標(biāo)準(zhǔn)1cm/s， 新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產(chǎn)生的影響較小。

3.4.2 引水隧洞爆破開挖爆破振動影響范圍

圖6 公路隧道左洞距交叉點(diǎn)不同位置處底板中點(diǎn)豎向峰值振速圖

圖7 爆破振動速度等值面圖

為了能更直觀地觀察引水隧洞爆破開挖振動產(chǎn)生的爆破振動影響范圍， 提取引水隧洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺爆破 開 挖 引 起 振 動 速 度 為V=0.1cm/s、0.5cm/s、0.8cm/s、1.0cm/s、3.0cm/s、5.0cm/s 的振速等值面圖如圖7 所示。由圖7 可知，隨著質(zhì)點(diǎn)振動速度的提高，等值面逐漸向引水隧洞交叉開挖點(diǎn)處縮小。其中爆破振速監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)V=1.0cm/s 等值面的影響半徑約為29.7m(5.4D)，安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)V=3.0cm/s 等值面的影響半徑約為16.2m(2.95D)，均小于兩隧道之間的最小凈距34.45m(6.26D)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法和三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，對平潭及閩江口水資源配置工程閩江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿既有福銀高速公路竹岐隧道進(jìn)行爆破施工影響分析，得出了以下結(jié)論：

(1)通過三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，得出當(dāng)爆破最大段裝藥量為10kg 時(shí)，引水隧洞在與高速公路隧道左洞交叉點(diǎn)處1m 進(jìn)尺開挖爆破施工引起既有高速公路隧道產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為0.854cm/s，新建引水隧洞爆破施工對既有高速公路隧道產(chǎn)生的影響較小。

(2)三維數(shù)值模擬計(jì)算得出的引水隧洞爆破振速監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)V=1cm/s 影響半徑約為5.4D (D 為新建隧洞外徑)， 安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)V=3cm/s 影響半徑約為2.95D，均小于兩隧道之間的最小凈距6.26D(34.45m)。

4.2 建議

考慮到爆破施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素， 為確保既有高速公路竹岐隧道安全，提出以下建議：

(1)施工單位在正式爆破開挖前，應(yīng)對引水隧洞與高速公路竹岐隧道交叉段進(jìn)行爆破專項(xiàng)設(shè)計(jì)， 然后根據(jù)爆破專項(xiàng)方案進(jìn)行爆破震動現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)測試結(jié)果，對高速公路竹岐隧道安全控制標(biāo)準(zhǔn)、 數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果及參數(shù)取值的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)成果，優(yōu)化爆破方案，確保高速公路竹岐隧道結(jié)構(gòu)安全。

(2)爆破開挖過程中，制定完整的監(jiān)測方案，確定合理的安全控制值、預(yù)警值；同時(shí)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破方案，信息化、動態(tài)化施工。

(3)建議制定完善的應(yīng)急預(yù)案，協(xié)調(diào)好各方面的力量保證引水隧洞爆破開挖時(shí)高速公路竹岐隧道的安全。 細(xì)化預(yù)警值、警戒值，并明確處理方案。