盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)道爆破施工優(yōu)化

楊 波， 王海亮， 褚夫蛟， 周 勇， 肖景鑫， 張 棟

(1.中鐵二局集團(tuán)成都新技術(shù)爆破工程有限公司， 成都 610031； 2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院， 青島 266590；3.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 淄博 255000； 4.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 武漢 430070)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，地下隧道的建設(shè)也越來越多，但是在隧道建設(shè)過程中，盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)道爆破施工不可避免的會(huì)對既有隧道造成不良影響，甚至造成隧道的變形、失穩(wěn)等情況[1-2]，引起了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Zhao等[3]采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)合的研究方法對鄰近隧道爆破振動(dòng)對既有隧道影響進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值研究。Yu等[4]提出了爆破施工引起的既有隧道振動(dòng)的監(jiān)測方案，根據(jù)爆炸振動(dòng)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)了三種爆炸振動(dòng)不同方向傳播的爆炸振動(dòng)波的頻譜變化特性。楊建群等[5]通過連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值計(jì)算方法(distinct lattice spring model， DLSM)計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析水平層狀巖體隧道中爆破施工對臨近隧道的影響。林立宏等[6]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)對比爆破隧道與鄰洞隧道振動(dòng)響應(yīng)差異性研究爆破作用下鄰洞隧道振動(dòng)響應(yīng)特征及衰減規(guī)律。劉趕平[7]采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過對主洞開挖爆破作用下主洞及鄰近斜井支洞圍巖中的爆破振動(dòng)速度響應(yīng)特征進(jìn)行分析得出主洞與斜井交匯區(qū)域振動(dòng)速度不隨著爆心距的增加而減小，而是出現(xiàn)小幅的增大。劉敏等[8]通過數(shù)值模擬的方法研究了爆破對小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，得到了不同隧道結(jié)構(gòu)的震動(dòng)、應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。程平等[9]亦采用了數(shù)值模擬的方法研究了在隱伏巖溶區(qū)爆破開挖對小凈距隧道施工安全的影響，獲得了爆破振動(dòng)效應(yīng)下圍巖的應(yīng)力及位移情況。

以上研究為隧道爆破的穩(wěn)定性影響的研究提供了很好的基礎(chǔ)，但是這些研究大都是新建隧道施工對現(xiàn)有隧道、臨近隧道的穩(wěn)定性的影響，但是聯(lián)絡(luò)道爆破施工對隧道的穩(wěn)定性影響也比較大，現(xiàn)結(jié)合青島市某線地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)道爆破開挖工程，根據(jù)盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)道空間位置關(guān)系及圍巖特點(diǎn)優(yōu)化爆破開挖方案，利用有限元軟件建立隧道型，模擬爆破掌子面與盾構(gòu)隧道右洞管片0距離接觸的極限狀態(tài)下，管片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，以此驗(yàn)證采用此方案的安全性。

1 項(xiàng)目概況

青島市地鐵8號線大洋站～青島北站區(qū)間連接北岸紅島高新區(qū)和青島東岸城區(qū)，穿越膠州灣海域。其中海域盾構(gòu)段2.9 km(泥水盾構(gòu)施工)，爆破施工包含6～8號聯(lián)絡(luò)通道，爆破作業(yè)段位于海域，平均水深4～8 m變化，爆破周圍及地面無建(構(gòu))筑物、管線等重點(diǎn)保護(hù)對象。作業(yè)部位高程約-40 m，其上覆巖層主要為凝灰?guī)r，巖層上覆蓋層數(shù)不等的中粗砂、泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥等。

在聯(lián)絡(luò)道開挖初期，對開挖端隧道進(jìn)行了管片切割，先進(jìn)行矩形小斷面的開挖方式，以減小爆破對管片的沖擊，繼而矩形斷面擴(kuò)挖至拱形斷面。以8號聯(lián)絡(luò)道為例，聯(lián)絡(luò)道從盾構(gòu)隧道左洞始挖，其拱形斷面高4.9 m，寬4.5 m，爆破設(shè)計(jì)如圖1所示，相關(guān)爆破參數(shù)如表1所示。

表1 聯(lián)絡(luò)道爆破參數(shù)

數(shù)字為起爆雷管段別

聯(lián)絡(luò)道爆破施工時(shí)，由于爆破施工部位離隧道盾構(gòu)安裝的管片較近，爆破沖擊很大程度上會(huì)導(dǎo)致管片失穩(wěn)，為了降低對管片所造成的損失和減少管片位移，需對爆破網(wǎng)路及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為降低爆破荷載對圍巖的沖擊作用，從減小最大一次齊爆藥量的角度出發(fā)，對8號聯(lián)絡(luò)道爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，將桶形掏槽調(diào)整為漸進(jìn)式螺旋掏槽，并增加崩落眼的延時(shí)間隔數(shù)量，爆破方案優(yōu)化后如圖2所示，相關(guān)爆破參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后聯(lián)絡(luò)道爆破參數(shù)

數(shù)字為起爆雷管段別

為了解聯(lián)絡(luò)道開挖對盾構(gòu)隧道管片的影響，掌握優(yōu)化后的爆破方案所取得的有益效果，需對爆破施工進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對比得到2種爆破方案下，盾構(gòu)隧道對聯(lián)絡(luò)道爆破荷載作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模擬8號聯(lián)絡(luò)道爆破開挖情況，為得到爆破方案優(yōu)化前后的盾構(gòu)隧道管片動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，建立完整的隧道右洞管片模型，模擬爆破掌子面與盾構(gòu)隧道右洞管片0距離接觸的極限狀態(tài)下，管片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。根據(jù)聯(lián)絡(luò)道與盾構(gòu)隧道的關(guān)系以及所在區(qū)域的地質(zhì)情況，結(jié)合隧道管片結(jié)構(gòu)及配筋設(shè)計(jì)資料，建立有限元模型如圖3所示，并劃分網(wǎng)格，模型尺寸為35 m(長)×30 m(寬)×22 m(高)，除隧道外模型介質(zhì)均為微風(fēng)化凝灰?guī)r，建模所用材料參數(shù)如表3所示。

圖3 有限元模型

表3 模型所用材料參數(shù)

2.2 荷載設(shè)置

2.2.1 上覆靜荷載

8號聯(lián)絡(luò)道上部除微風(fēng)化凝灰?guī)r外還有中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥及海水，根據(jù)地質(zhì)剖面圖及各層位介質(zhì)的厚度、密度，通過公式P=ρgh計(jì)算得到模型上覆荷載為626.416 kPa，其中，P為荷載；ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度；h為介質(zhì)厚度。

2.2.2 爆破動(dòng)荷載

目前對隧道爆破振動(dòng)影響的研究中，關(guān)于爆破沖擊荷載的相關(guān)參數(shù)尚無較為完善的方法和理論加以確定。結(jié)合前人研究，采用目前應(yīng)用較為廣泛的三角形荷載方式來模擬爆破荷載時(shí)程曲線[10]，最大爆壓計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Z為比例距離，Z=R/Q，其中，R為爆心至荷載作用面的距離；Q為最大一次齊爆藥量。

三角形荷載的時(shí)間包括上升段時(shí)間、總作用時(shí)間，其計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

結(jié)合隧道爆破方案，模擬計(jì)算聯(lián)絡(luò)道爆破開挖下的振動(dòng)響應(yīng)，由于周邊孔采用不耦合裝藥，會(huì)減弱炸藥爆炸對炮孔壁的沖擊，從而降低爆破荷載，因此方案優(yōu)化前荷載以1.6 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計(jì)算基礎(chǔ)，而方案優(yōu)化后荷載以0.8 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計(jì)算基礎(chǔ)，兩種爆破方案模擬采用的爆破荷載時(shí)程曲線如圖4、圖5所示，所建荷載均勻施加在開挖輪廓面上。

圖4 聯(lián)絡(luò)道爆破荷載時(shí)程曲線

圖5 爆破方案優(yōu)化后聯(lián)絡(luò)道爆破荷載時(shí)程曲線

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

2.3.1 主應(yīng)力分析

提取爆破方案優(yōu)化前后隧道右洞管片的最大、最小主應(yīng)力，如圖6、圖7所示。提取聯(lián)絡(luò)道開挖輪廓外主應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

從圖6、圖7可以看出，當(dāng)聯(lián)絡(luò)道掌子面與盾構(gòu)隧道管片0距離接觸時(shí)，在隧道管片上出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中最大主應(yīng)力主要集中在開挖輪廓附近，而最小主應(yīng)力主要集中在爆心附近。由于輪廓內(nèi)管片在聯(lián)絡(luò)道開挖前后需切除，因此僅對輪廓外的主應(yīng)力進(jìn)行分析。從表4中可以了解到，當(dāng)爆破方案優(yōu)化后，最大最小主應(yīng)力的極值均較優(yōu)化前有了非常大幅度的降低，分別降低了63.45%、36.60%，由于管片混凝土采用C55等級，內(nèi)置HPB300鋼筋(屈服強(qiáng)度為300 MPa)，由此可知優(yōu)化后的應(yīng)力值不會(huì)造成管片的整體失穩(wěn)。而此時(shí)開挖輪廓內(nèi)部應(yīng)力集中明顯，仍然會(huì)導(dǎo)致管片破損。

表4 輪廓外管片主應(yīng)力最大值

圖7 優(yōu)化后方案爆破后管片主應(yīng)力云圖

2.3.2 螺栓應(yīng)力分析

結(jié)合上述結(jié)論，提取爆破方案優(yōu)化前后管片間螺栓的軸向應(yīng)力。由于管片連接所用螺栓材質(zhì)均采用316L不銹鋼，螺栓根據(jù)《緊固件機(jī)械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.6—2014)選擇A4L-80P等級，經(jīng)查表得到此類螺栓屈服強(qiáng)度最小為170 MPa。以此為參照，獲取不同距離下螺栓爆破響應(yīng)的安全性。數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。開挖斷面輪廓外的螺栓應(yīng)力情況如表5所示。

從圖8中可以看出，爆破方案優(yōu)化前后，爆破導(dǎo)致的螺栓應(yīng)力最大值位于開挖輪廓范圍內(nèi)，而輪廓外的具有最大應(yīng)力值的螺栓均位于輪廓同一側(cè)。由表5可知，爆破方案優(yōu)化后，螺栓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯降低，最大應(yīng)力值由了較打幅度的減小。以螺栓的屈服強(qiáng)度170 MPa為參照，爆破方案優(yōu)化前，開挖輪廓內(nèi)外的螺栓均有產(chǎn)生破壞的情況。而爆破方案優(yōu)化后，位于開挖輪廓內(nèi)的最大螺栓應(yīng)力值為98.37 MPa，小于其強(qiáng)度，而輪廓外的最大應(yīng)力值僅有64.83 MPa。較優(yōu)化前相比，開挖輪廓內(nèi)外螺栓應(yīng)力分別降低了77.23%、72.36%。由此可知，爆破方案優(yōu)化后，盾構(gòu)隧道管片整體的連接螺栓均不會(huì)發(fā)生屈服，管片連接的安全穩(wěn)定能夠得到充足的保障。

表5 螺栓軸向應(yīng)力值

圖8 螺栓軸應(yīng)力云圖

2.3.3 管片位移

提取聯(lián)絡(luò)道掌子面爆破導(dǎo)致的管片間的接觸位移，模擬結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，管片間最大相對位移集中在爆心位置。而爆破方案優(yōu)化后，聯(lián)絡(luò)道開挖輪廓內(nèi)的位移變化不大，約為11.1 mm，而輪廓外的位移明顯減小。提取輪廓外的最大位移可知，采用優(yōu)化前的爆破方案，輪廓外的最大相對位移為3.6 mm，而方案優(yōu)化后的位移為2.6 mm，位移減小了27.78%。由此可知，爆破方案優(yōu)化后，聯(lián)絡(luò)道爆破對輪廓外管片的擾動(dòng)有了明顯的降低。

圖9 管片相對位移云圖

3 結(jié)論

(1)針對聯(lián)絡(luò)道爆破開挖影響盾構(gòu)隧道管片穩(wěn)定性問題，通過數(shù)值模擬軟件，建立聯(lián)絡(luò)道與盾構(gòu)隧道管片的關(guān)系模型，以聯(lián)絡(luò)道掌子面與管片0距離接觸作為研究對象，獲取聯(lián)絡(luò)道爆破開挖方案優(yōu)化前后掌子面爆破對管片穩(wěn)定性的影響。

(2)通過數(shù)值模擬得到了爆破方案優(yōu)化前爆炸應(yīng)力對管片的沖擊應(yīng)力超過了管片強(qiáng)度，而方案優(yōu)化后，主應(yīng)力值降低較明顯，最大降幅63.45%，此時(shí)管片的整體穩(wěn)定性得到了保障。而開挖輪廓內(nèi)的管片仍然受到了較大的應(yīng)力沖擊，此時(shí)較容易發(fā)生破損現(xiàn)象。

(3)提取方案優(yōu)化前后管片連接螺栓的軸向應(yīng)力，得到爆破方案優(yōu)化后，螺栓應(yīng)力較方案優(yōu)化前有了非常大的降幅，開挖輪廓內(nèi)外的螺栓應(yīng)力分別降低了77.23%、72.36%，降低后的應(yīng)力均小于螺栓的屈服強(qiáng)度。

(4)對管片間的相對位移進(jìn)行分析，通過提取的結(jié)果可知，方案優(yōu)化后輪廓內(nèi)位移依然較大，而輪廓外位移僅為2.6 mm，較優(yōu)化前降低了27.78%，由此可知管片是相對穩(wěn)定的。

(5)通過以上分析可以看出，方案優(yōu)化后管片的穩(wěn)定性有了較大幅度的提升，由此可知，對于近距離隧道爆破應(yīng)注意減小一次起爆的炸藥量，爆破設(shè)計(jì)前應(yīng)充分考慮到爆炸沖擊對臨近結(jié)構(gòu)的影響，通過數(shù)值模擬的方式能掌握爆破的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，從而確定合理的爆破參數(shù)。