考慮施工爆破振動影響的小凈距隧道設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究

趙 杰

（山西誠達(dá)公路勘察設(shè)計有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家高速公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，我國山區(qū)高速公路規(guī)模越來越大，其面臨的地形地貌、氣候、水文地質(zhì)等條件越來越復(fù)雜。小凈距隧道由于其地形適應(yīng)能力強、利于橋隧銜接、提高線形標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)勢，其具有較好的社會經(jīng)濟效益，在山區(qū)高速公路設(shè)計施工中逐步得到推廣。然而，由于小凈距隧道的先、后行洞在施工過程中對中巖柱產(chǎn)生多次力學(xué)影響，尤其是在軟弱圍巖地段，受施工爆破振動的影響，中巖柱的穩(wěn)定性較低，嚴(yán)重威脅施工安全，影響施工進(jìn)度。

目前，學(xué)者們針對小凈距隧道開展了大量的研究，也取得了一系列突破性的研究成果。李桂江[1]利用理論分析、數(shù)值模擬手段深入研究了淺埋偏壓小凈距隧道在不同凈距及地表坡度下的力學(xué)特性，為施工提供技術(shù)保障；李磊[2]結(jié)合依托工程，綜合利用理論分析、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬手段研究擠壓陡傾千枚巖地層條件下小凈距隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并提出施工優(yōu)化方案；岳旭光[3]利用數(shù)值模擬手段對小凈距隧道施工爆破振動對鄰近隧道的影響進(jìn)行了研究，總結(jié)分析其影響特性，并提出施工控制措施；趙亞龍[4]利用數(shù)值模擬手段對小凈距隧道先后行洞在不同滯后距離施工狀態(tài)下的力學(xué)及變形情況進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在滯后距離小于15 m時隧道應(yīng)力及位移較大，應(yīng)采取相應(yīng)的工程處治措施，同時給出了小凈距隧道的合理滯后距離應(yīng)為2～3倍的隧道開挖跨度。上述研究成果為小凈距隧道的設(shè)計施工技術(shù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，然而，由于隧道工程受圍巖不確定性的影響，各隧道的設(shè)計參數(shù)均具有其獨特性。本文依托某小凈距隧道，結(jié)合其工程的具體情況，利用現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬手段研究其受施工爆破振動的影響特性，并提出其設(shè)計參數(shù)優(yōu)化方案。研究成果為類似工程的設(shè)計施工提供借鑒經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西某高速公路隧道為雙向分離式隧道，其左右 線 起 止 里 程 為 ZK5+550—ZK6+350、K5+550—K6+355，其長度分別為800 m、805 m，屬中隧道。該隧址區(qū)位于剝蝕中山地貌區(qū)，山勢陡峻，總體呈中間高、兩側(cè)低的趨勢，其進(jìn)出口自然坡度分別為40°、45°，隧址區(qū)平均海拔1 350 m。該隧道設(shè)計時速為80 km/h，隧道凈寬為10.25 m，凈高5.0 m。隧道采用新奧法原理施工，其支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，初支結(jié)構(gòu)為錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架或格柵鋼架組成，二次襯砌為模注鋼筋混凝土。

隧道左右洞間距為6.5 m，根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范[5]中關(guān)于小凈距隧道的相關(guān)規(guī)定：小凈距隧道中巖柱厚度小于獨立雙洞最小凈距值，一般小于1.5倍隧道開挖跨度。因此，該隧道屬于典型的小凈距隧道，其具體情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口現(xiàn)場情況

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)隧道地質(zhì)勘察結(jié)果，隧址區(qū)地層由上而下依次為第四系中上更新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土（Q2-3）、中上志留統(tǒng)白龍江群下部（S2+3bl1）、中上志留統(tǒng)白龍江群上部（S2+3bl2），其中粉質(zhì)黏土呈硬塑狀，土質(zhì)不均勻，含有大量的卵石、礫石，主要分布于進(jìn)出口地表，覆蓋厚度較小。中上志留統(tǒng)白龍江群下部巖性主要為泥灰?guī)r、板巖、千枚巖，其表面風(fēng)化程度較高，呈破碎狀，強度較低。而中上志留統(tǒng)白龍江群上部巖性為中厚層白云質(zhì)灰?guī)r、千枚巖，巖體較破碎，為較硬巖。

1.3 隧道施工現(xiàn)場情況

由于該隧道圍巖呈破碎狀，整體性較差，圍巖條件較差，對小凈距隧道的爆破施工極為不利。尤其在隧道洞口段，其上覆圍巖厚度較小，屬淺埋小凈距隧道，圍巖的自穩(wěn)定性較差，給隧道洞口施工帶來極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。該隧道右洞為先行洞，其施工至K5+570時，即距離洞口20 m處，在爆破施工的影響下，其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)右拱肩處產(chǎn)生明顯開裂，其裂縫寬度為0.8～2.5 cm，具體情況如圖2所示。

圖2 隧道初支結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)場情況

2 施工爆破振動特性研究

2.1 施工爆破方案

根據(jù)該隧道的設(shè)計方案，其在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下分別采用上下臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在爆破過程中采用斜眼掏槽法，其在掌子面開挖輪廓線內(nèi)0.8 m范圍內(nèi)孔距為0.5 m，呈梅花型雙層布設(shè)。在掌子面其他部位，炮孔呈梅花型單層布設(shè)，其孔距為0.8 m，孔深均為1.0 m。爆破采用13段非電毫秒雷管起爆，各段之間爆破時差大于10 ms，各炮眼裝藥量均為0.18 kg。

2.2 爆破振動測試方案

為深入研究小凈距隧道先后行洞在施工過程中因爆破振動而產(chǎn)生的相互影響效應(yīng)，結(jié)合依托工程的實際情況，開展現(xiàn)場試驗以準(zhǔn)確測試爆破振動影響情況，選取先行洞K5+580、K5+675斷面為測試斷面1、2，其與后行洞的凈距均為5.5 m，其圍巖分別屬Ⅳ、Ⅴ級，整體性較差。分別以上述兩個斷面為中心，設(shè)置3個振動測點，其沿隧道軸線間距為2 m，測點均位于中巖柱的邊墻部位，該處為迎爆面，其為最大振動速度及幅度的產(chǎn)生區(qū)域。振源設(shè)置在后行洞的掌子面中心部位。本次試驗采用TC-4850型拾振器，其帶有X、Y、Z三向速度傳感器，并配有專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件。在測試現(xiàn)場，為保證測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕捎谜迟N方式將拾振器固定在隧道初支結(jié)構(gòu)表面，并用數(shù)據(jù)傳輸電纜將采集到的電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集箱。本試驗的測點布設(shè)情況如圖3所示，其現(xiàn)場情況如圖4所示。

圖3 隧道爆破振動測點布設(shè)示意圖（單位：m）

圖4 隧道爆破振動現(xiàn)場測試

2.3 施工爆破振動特性

通過上述隧道爆破振動現(xiàn)場試驗，測得各測點的X、Y、Z三向振速隨時間的變化規(guī)律，取斷面1、2的中心點（P2）處的測試結(jié)果，其具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 斷面1測點P2三向振速-時間關(guān)系曲線

圖6 斷面2測點P2三向振速-時間關(guān)系曲線

通過對上述現(xiàn)場測試結(jié)果的分析，可以看出，Ⅳ級圍巖爆破振速平均值為20 cm/s，而Ⅴ級圍巖爆破振速平均值為12 cm/s。可見，隨著隧道圍巖級別的提高，隧道圍巖整體性差，爆破振動傳播速度隨之下降，其主要原因在于巖質(zhì)越完整、越堅硬，振動波在其中傳播的速度越快。在爆破振速監(jiān)測結(jié)果中，X方向（隧道邊墻法向）的振速明顯大于Y方向（隧道邊墻平行向）的振速。X方向為爆破振動波的主要傳播方向，即爆破振動波的X方向分量對隧道威脅最大。同時，對比分析各測點的振速，可以看出P2相對于P1、P3的振速較大，此原因主要在于P2距離振源最近，其受到后行洞爆破振動的影響最大，因此在小凈距隧道施工過程中應(yīng)將該處作為施工爆破振動重點控制部位。

3 隧道設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

為深入研究考慮施工爆破振動影響下的小凈距隧道設(shè)計參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合本項目的技術(shù)特點，分別選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（V級圍巖）及臺階法（Ⅳ級圍巖）兩種典型工況，利用數(shù)值模擬手段分析其合理凈距值，以期為小凈距隧道設(shè)計施工提供技術(shù)支撐。

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下合理凈距研究

本次數(shù)值模擬采用Midas/GTS軟件，模型為彈塑性模型并服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。根據(jù)隧道設(shè)計參數(shù)，選取先后行洞凈距為6 m、8 m兩種工況，分別模擬后行洞爆破施工對先行洞的塑性區(qū)影響，所得計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 Ⅴ級圍巖6 m凈距隧道塑性區(qū)分布

圖8 Ⅴ級圍巖8 m凈距隧道塑性區(qū)分布

從圖7、圖8中可以看出，在Ⅴ級圍巖6 m凈距工況中，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中，其后行洞爆破后對中巖柱產(chǎn)生較大影響，塑性區(qū)基本貫通，可見6 m凈距對于Ⅴ級圍巖爆破施工偏不安全，應(yīng)采取相應(yīng)工程措施對中巖柱穩(wěn)定性進(jìn)行保護(hù)。而采用8 m凈距時，圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，尤其在先行洞一側(cè)的塑性區(qū)應(yīng)變較弱，塑性區(qū)未貫通整個中巖柱，小凈距隧道整體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。同時，可以看出，小凈距隧道后行洞在施工爆破作業(yè)時，掌子面對應(yīng)的先行洞位置受振動影響最為明顯，其為爆破施工振動速度影響的控制點。

3.2 臺階法施工條件下合理凈距研究

采用與上述數(shù)值模擬相同的方法，對Ⅳ級圍巖條件下采用臺階法施工的小凈距隧道爆破振動影響進(jìn)行研究，所得凈距為6 m、8 m條件下的隧道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖9、圖10所示。

圖9 Ⅳ級圍巖6 m凈距隧道塑性區(qū)分布

圖10 Ⅳ級圍巖8 m凈距隧道塑性區(qū)分布

從圖9、圖10中可以看出，在Ⅳ級圍巖條件下，小凈距隧道凈距為6 m時，后行洞爆破施工對先行洞圍巖影響較大，其產(chǎn)生的塑性區(qū)完全貫通，中巖柱受力狀況較差，極易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，應(yīng)及時采取加固措施對中巖柱進(jìn)行處理，保證其穩(wěn)定性。在同等條件下，與V級圍巖相比，其塑性區(qū)分布范圍更大，這也進(jìn)一步驗證了爆破振速在Ⅳ級圍巖中傳播速度較V級圍巖傳播速度大。當(dāng)凈距為8 m時，后行洞爆破施工后，其產(chǎn)生的塑性區(qū)分布范圍明顯減小，對先行洞的影響較為有限，中巖柱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。但其塑性應(yīng)變值相對于同等條件下的V級圍巖偏大，可見，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對小凈距隧道施工爆破振動的控制效果優(yōu)于上下臺階法。

4 結(jié)論

本文依托某小凈距隧道，結(jié)合其工程的具體情況，利用現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬手段研究其受施工爆破振動的影響特性，并提出其設(shè)計參數(shù)優(yōu)化方案，所得結(jié)論如下：

a）小凈距隧道洞口段上覆圍巖厚度小，屬淺埋小凈距隧道，圍巖的自穩(wěn)定性較差，使得先行洞易受后行洞爆破振動的影響而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂。

b）通過開展小凈距隧道現(xiàn)場爆破振速測試試驗可知，隨著隧道圍巖級別的提高，隧道圍巖整體性差，爆破振動傳播速度隨之下降。X方向（隧道邊墻法向）的振速明顯大于Y方向（隧道邊墻平行向）的振速。先行洞中對應(yīng)于后行洞掌子面的位置為爆破振動嚴(yán)格控制的部位。

c）通過數(shù)值模擬手段研究可知，在Ⅳ級、V級圍巖中，凈距為8 m較6 m時的圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，中巖柱穩(wěn)定性增強。且采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對小凈距隧道施工爆破振動的控制效果優(yōu)于上下臺階法。