新建隧道近接既有隧道爆破施工減振措施研究

張志威，梅 頂，吳建鵬

(浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

臨金高速公路臨安至建德段是浙皖兩省溝通聯(lián)系的重要通道，對(duì)貫徹落實(shí)長(zhǎng)三角一體化國(guó)家戰(zhàn)略、帶動(dòng)周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。畢浦隧道是分水連接線工程的唯一隧道，為一座分離式隧道，建成后將與S208省道既有畢浦隧道一起構(gòu)成雙線交通形態(tài)。眾多專家學(xué)者對(duì)小凈距隧道展開(kāi)研究并取得一定成果[1-3]。為了有效地控制目標(biāo)建筑物或保護(hù)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，不同學(xué)者提出了應(yīng)用于各類工程實(shí)際的爆破減振措施[4-6]，采用合理有效的減振措施，是達(dá)到順利施工的關(guān)鍵。本文以畢浦隧道為工程背景，采用Midas-GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了在施工過(guò)程中使用的減振措施減振規(guī)律。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建畢浦隧道位于畢浦隧道進(jìn)口位于瑤琳鎮(zhèn)永安村油車邊，油嶺線起點(diǎn)附近，處于省道S208上下行路線之間，洞口北側(cè)為省道S208西行方向畢浦隧道，線間距為17 m～26 m，洞口南側(cè)距離108 m為省道S208東行方向，省道S208上下行均為兩車道。畢浦隧道是分水連接工程的唯一隧道，建成后將與S208省道一起構(gòu)成雙線交通形態(tài)，如圖1所示。

畢浦隧道Ⅴ級(jí)圍巖占比22%，Ⅳ級(jí)圍巖占比為78%，地層以中風(fēng)化砂巖為主，不同圍巖分布段落情況如表1所示。

表1 新建畢浦隧道圍巖統(tǒng)計(jì)表

由于實(shí)際施工方案Ⅳ級(jí)圍巖炸藥量遠(yuǎn)大于Ⅴ級(jí)圍巖，故取Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行研究。

1.2 爆破設(shè)計(jì)

隧道開(kāi)挖爆破采用孔內(nèi)毫秒導(dǎo)爆管雷管延期，孔外用同段別導(dǎo)爆管雷管簇連采用，俗稱“大把抓”法，用導(dǎo)爆管雷管一次擊發(fā)起爆。起爆方式由掏槽孔最先起爆，輔助孔次之，周邊孔應(yīng)同時(shí)起爆，底孔最后起爆。

采用中空直眼螺旋掏槽和復(fù)式楔形掏槽，按設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線布置周邊炮眼，間距為40 cm～60 cm，輔助眼間距為50 cm～80 cm。8臺(tái)～10臺(tái)YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼平行作業(yè)。Ⅳ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法，循環(huán)進(jìn)尺上臺(tái)階控制在2 m，下臺(tái)階控制在2.5 m。炮孔布置和引爆網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

2 爆破監(jiān)測(cè)

為保證既有隧道安全，需要對(duì)爆破造成的鄰近隧道振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，儀器放置隧道拱腳位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離P=5 m，當(dāng)條側(cè)線放置5臺(tái)儀器。

根據(jù)不同爆破位置，現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行3次爆破振速監(jiān)測(cè)，按照監(jiān)測(cè)方案并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況以及理論分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由于振速已接近規(guī)范要求，為保證爆破施工安全，需設(shè)計(jì)減隔振措施，保證施工的合理化和安全性。

表2 爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)振速峰值表

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型的建立

通過(guò)Midas-GTS建立有限元模型，考慮邊緣至少為4倍洞徑，模型總寬為134 m，縱向長(zhǎng)度取100 m，高度結(jié)合實(shí)際地形變化取70 m，從洞口向洞內(nèi)埋深逐步增大。其中圍巖采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)以及錨桿采用彈性本構(gòu)模擬。數(shù)值模型如圖4所示。

3.2 減振措施和布置方法

3.2.1 控制爆破原理

控制爆破主要選擇兩種方法：第一種是使用微差爆破的方法進(jìn)行，采用電子雷管，按照延時(shí)的順序設(shè)置孔內(nèi)電子雷管延期時(shí)間，與導(dǎo)爆管雷管起爆順序相同，用母線對(duì)斷面雷管進(jìn)行連接，考慮到電子雷管內(nèi)部芯片抗物理擠壓能力較差，應(yīng)適當(dāng)減少段別延秒時(shí)間差，采用電子雷管專用起爆器進(jìn)行引爆。第二種是采用布置減震孔對(duì)爆破形成的振動(dòng)進(jìn)行減震處理，通過(guò)在拱部周邊布設(shè)減震孔形成減震隔離帶和小導(dǎo)坑超前開(kāi)挖所創(chuàng)造爆破凌空面達(dá)到減震之目的，其原理就是利用爆破凌空面和減震隔離帶在爆破時(shí)對(duì)爆破震動(dòng)能量的大量吸收及消耗，使隔離帶后面的區(qū)域受到的震動(dòng)大大減小，從而確保了爆破安全。

3.2.2 施工方法

布眼見(jiàn)圖5。在拱部周邊共布設(shè)三環(huán)，孔間距為300 mm×300 mm，梅花形布設(shè)，第一環(huán)沿開(kāi)挖輪廓線外側(cè)300 mm布設(shè)，第二環(huán)沿開(kāi)挖輪廓線布置，減震孔間隔布設(shè)一排φ40 mm周邊眼，在開(kāi)挖輪廓線內(nèi)側(cè)300 mm布置第三環(huán)減震孔，減震孔間布設(shè)二圈眼，所有減震孔均不裝藥。

3.3 圍巖及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)畢浦隧道工程概況，對(duì)材料參數(shù)保守取值：圍巖的動(dòng)彈性模量取值為靜彈性模量的5倍，襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)彈性模量較靜彈性模量提高25%，動(dòng)泊松比較靜泊松比降低20%，圍巖數(shù)據(jù)選取表如表3所示；混凝土動(dòng)彈性模量取值為靜彈性模量的1.25倍，數(shù)據(jù)選取表如表4所示。

表3 有限元建模圍巖參數(shù)選取

表4 有限元支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

3.4 邊界條件的選取與計(jì)算

時(shí)程分析應(yīng)采用黏性邊界模型生成后，Midas-GTS軟件系統(tǒng)根據(jù)模型尺寸以及物理力學(xué)性質(zhì)自動(dòng)計(jì)算，從而建立邊界條件約束，其中X，Y，Z方向的阻尼常數(shù)分別為：411.24 kN·s/m，799.32 kN·s/m，411.24 kN·s/m，此外X，Y方向彈簧剛度為0，Z方向的彈簧剛度為2 050 689.42 kN/m。

3.5 爆破沖擊荷載的確定

一般耦合裝藥爆破壓力都加載在孔壁的垂直方向上，荷載公式見(jiàn)式(1)，式(2)，1 kg藥量爆破荷載時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

(1)

(2)

其中，Pdet為孔內(nèi)壓力,kbar；PB為孔壁的壓力,kbar；Sge為火藥的比重；dc為炸藥直徑,mm；dh為炮眼直徑,mm；ve為爆破速度,ft/s。

因作用在孔壁上的動(dòng)壓力隨時(shí)間而變化，需采用爆破時(shí)程壓力的計(jì)算公式計(jì)算(見(jiàn)式(3))。

(3)

其中，B為荷載常量；PD為每1 kg裝藥量的動(dòng)壓力。

本隧道模擬中火藥的比重Sge取值0.8 g/m3；炸藥直徑dc取值32 mm；炮眼直徑dh取值42 mm；ve為爆破速度3 050 m/s，換算成英式單位為10 006.56 ft/s。同時(shí)，1 kbar=105kPa。由公式計(jì)算可知：此次爆破模擬孔內(nèi)壓力Pdet為20.42 kbar，即2.042×106kPa，孔壁壓力PB為9.03 kbar，即9.03×105kPa。本次有限元模擬，選取爆破荷載上升時(shí)間12 ms，總時(shí)間120 ms。通過(guò)對(duì)荷載系數(shù)B的調(diào)整控制爆破荷載上升時(shí)間為12 ms，其中1 kg藥量爆破荷載時(shí)程曲線圖見(jiàn)圖6，峰值時(shí)刻出現(xiàn)在0.012 s，爆破動(dòng)力荷載最大值為8.23×105kPa。

3.6 計(jì)算結(jié)果分析

3.6.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，平均誤差10%左右，證明此數(shù)值模型可以較好地模擬隧道爆炸施工情況。

表5 爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬振速峰值對(duì)比表 cm/s

3.6.2 參數(shù)分析

1)微差爆破。

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分復(fù)雜，各炮孔之間距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置存在差異，同時(shí)應(yīng)力波的傳播還受到場(chǎng)地環(huán)境、爆心距、隧道埋深等多種因素影響，采用全周期Δt=T的微差爆破，數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表6。由微差爆破數(shù)值模擬結(jié)果可知，平均減振率為22.55%，效果明顯，且微差爆破之后的最大峰值滿足爆破安全規(guī)程要求。

表6 微差爆破數(shù)值模擬振速峰值表 cm/s

2)減振孔。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 設(shè)置減振孔爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)振速峰值表 cm/s

由表7可知，當(dāng)設(shè)置單排減振孔時(shí)，減振率在20.266%～21.327%，其平均值為20.955%；雙排減振孔的減振率為37.616%～44.615%，平均減振率為41.212%; 三排減振孔的減振效果最好，減振率可以達(dá)到58.124%～63.898%，平均降振率為61.157%，即三條隔振溝可以降振一半還多。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)畢浦隧道爆破施工下采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬結(jié)果的處理和分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況，綜合整理得到以下結(jié)論：1)根據(jù)新建畢浦隧道和既有隧道的空間位置關(guān)系，基于Midas-GTS軟件建立了基于等效荷載理論的三維數(shù)值模擬方法，通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小，說(shuō)明用Midas-GTS數(shù)值模擬軟件分析隧道爆破對(duì)臨近建筑物的影響是可行的。2)由微差爆破數(shù)值模擬結(jié)果可知，平均減振率為22.55%，效果明顯，且微差爆破之后的最大峰值滿足《爆破安全規(guī)程》要求。3)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行分析，設(shè)置單排、雙排和三排減振孔平均減振率分別為20.955%，41.212%和61.157%?？梢钥闯鰷p振效果與減振孔排數(shù)相關(guān)性很大，而且距離減振孔更近的測(cè)點(diǎn)效果更明顯。