后行洞爆破施工對分離式隧道穩(wěn)定性影響研究

摘要：

為確定分離式隧道后行洞爆破施工對先行洞以及后行洞結構穩(wěn)定性的影響，以某公路隧道為研究對象，采用理論計算、數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的手段，研究后行洞爆破過程中先行洞及后行洞初次支護位移及振動速度的變化規(guī)律，確定爆破振動影響范圍。結果表明：后行洞爆破施工對先行洞初支迎爆側的影響大于背爆側，且對迎爆側拱腰的影響最大;監(jiān)測斷面前后10 m范圍內(nèi)初支變形量波動較明顯，當控制標準為10 cm/s時，后行洞爆破施工對先行洞初支穩(wěn)定性的影響較小。爆破施工過程中后行洞拱頂豎向位移最大，而拱腰水平位移最大，第10開挖步后豎向位移和水平位移均基本收斂;在此過程中，上臺階爆破對初支位移的影響大于下臺階。當以10 mm/d為控制標準時，爆破振動對后行洞初支的影響范圍為20 m，與薩氏理論所確定的19.7 m的安全距離基本吻合。此外，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測所得后行洞拱腰收斂和拱頂下沉的變化規(guī)律基本一致，但其值前者略小于后者，分別減小了1.2%和2.3%。

關鍵詞：

分離式隧道; 爆破; 后行洞; 先行洞

中圖分類號： U455.6""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2024）05-1074-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230209001

Impact of second tunnel blasting on the stability of a separated tunnel

JIA Jianqing1， WANG Xin1，2， XI Boqi1， ZHANG Bangxin3， LIU Zhongshuai3

（1. School of Traffic and Transportation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China;

2.Inner Mongolia Dongwu Railway" Co.， Ltd.， Ordos 017000， Inner Mongolia， China;

3. China Merchants Chongqing Communications Technology Research amp; Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， China）

Abstract：

The separated highway tunnel was taken as an example to study the stability influenced by the blasting construction of the second tunnel on the first one. In the process of blasting construction of the second tunnel， the variation of displacement and vibration velocity of the initial support of the first and second tunnels were studied through theoretical calculation， numerical analysis， and in-site monitoring， and the influence range of blasting vibration was also determined. Results indicated that the blasting construction of the second tunnel has a considerable impact on the blasting side of the initial support of the first tunnel than on the back-blasting side， and the impact on the arch waist at the blasting side is the largest. The deformation of the initial support fluctuates within 10 m before and after the monitoring section. The blasting construction of the second tunnel has minimal impact on the stability of the initial support of the first tunnel when the control standard is 10 cm/s. During the blasting construction， the maximum vertical and horizontal displacements occur at the vault and arch waist of the second tunnel， respectively， and the vertical and horizontal displacements are convergent after the 10th excavation step. In this process， the blasting influence of the upper bench on the displacement of the initial support is greater than that of the lower bench. When the control standard is 10 mm/d， the influence range of blasting vibration on the initial support of the second tunnel is 20 m， which is consistent with the safe distance of 19.7 m determined by Saskatchewan theory. In addition， the variation rules of arch waist convergence and vault settlement of the second tunnel obtained from numerical simulation are consistent with the in-site monitoring results， but the former is slightly smaller than the latter， reducing by 1.2% and 2.3%， respectively.

Keywords：

separated tunnel; blast; second tunnel; first tunnel

0 引言

爆破法是隧道工程施工中最常用的方法之一。在分離式隧道爆破施工過程中，后行洞爆破可能引起先行洞及后行洞動力響應，進而導致隧道支護結構損傷破壞甚至坍塌。因此，適時確定隧道爆破振動狀態(tài)對確保工程安全性和穩(wěn)定性具有重要現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學者針對隧道爆破振動開展了大量研究工作。夏祥等［1］確定了距爆源不同距離處的質點最大振速和振動主頻與藥量之間的關系;唐先習等［2］對爆破振動作用下初支混凝土的損傷規(guī)律進行了試驗研究;吳波等［3］、蔚立元等［4］和朱正國等［5］采用現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等手段，研究了小凈距隧道爆破施工的動力響應，并優(yōu)化了爆破技術參數(shù);傅洪賢等［6］分析了隧道爆破近區(qū)圍巖振動規(guī)律，確定了適用于不同圍巖的電子雷管爆破參數(shù);季相臣等［7］研究了后行洞不同類型炮孔爆破時圍巖的振速傳播規(guī)律;Wu等［8］、Zhao等［9］、Zhang等［10］和仇文革等［11］研究了新建隧道爆破施工對臨近既有隧道穩(wěn)定性的影響，并提出了相應的控制措施;王源等［12］揭示了不同裝藥量爆破振動的頻譜特性及其變化規(guī)律。

此外，有些學者還研究了地下連續(xù)墻及新建隧道爆破過程中既有隧道襯砌的振動特征和響應頻譜特性［13-15］，以及隧道爆破施工對上覆營運道路［16］、居民建筑［17］和隧道洞口邊坡［18］安全性與穩(wěn)定性的影響，取得了豐碩的成果。

目前，針對爆破法施工對隧道穩(wěn)定性的影響研究中，以后行洞爆破一次對先行洞的影響為主，而對于掌子面推進過程中爆破振動對先行洞以及后行洞初支時效變化規(guī)律的研究較少;此外，針對分離式隧道的研究也比較缺乏。因此，本文利用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬及理論計算相結合的手段，研究了分離式公路隧道后行洞掌子面爆破掘進過程中，先行洞和后行洞初支的動力響應特征以及爆破影響范圍，研究結果對相關工程具有一定借鑒價值。

1 工程概況

某隧道右線起點樁號YK12+840，終點樁號YK18+080，線長5 250 m;左線起點樁號ZK12+840，終點樁號ZK18+056，線長5 216 m。隧道穿越大埡豁和黑馬關，最大埋深442.68 m;隧道進口段左洞為先行洞，右洞為后行洞。隧道所在地屬構造剝蝕低中山地貌，地形起伏變化較大，山體呈東西走向，地勢西高東低，坡面上緩下陡，坡腳處自然坡度40°～45°，坡面上部沖溝發(fā)育，多呈“V”型。

隧道圍巖以Ⅳ級為主，采用二臺階爆破法施工，上、下臺階間距12 m。施工工序為：上臺階開挖6個循環(huán)進尺后上、下臺階同時開挖，亦即上、下臺階開挖錯距為6個循環(huán)進尺。在上、下臺階每個循環(huán)進尺的圍巖開挖完成后，及時對其內(nèi)圍巖施作初次支護。

工程采用微差爆破，底板眼與掏槽眼起爆時間間隔0.1 s以上，相鄰起爆斷面微差時間不小于50 ms;爆破開挖循環(huán)進尺2 m。爆破網(wǎng)絡如圖1所示，裝藥量參數(shù)列于表1（表中，符號①～⑥的含義與圖1相同）。

2 隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 模型建立

隧道跨度12.76 m，凈高9.8 m，兩洞間距20 m。根據(jù)圣維南定理，建立的有限元模型尺寸為150 m×60 m×80 m（長×寬×高），如圖2所示。

模型中圍巖采用M-C屈服準則，圍巖和混凝土襯砌采用實體單元，錨桿為桿單元。模型前、后及左、右邊界為法向約束，底部為固定邊界，上表面為自由邊界。模擬分析時通過“殺死”開挖區(qū)以及“激活”初支和錨桿的手段實現(xiàn)隧道的掘進過程。隧道圍巖及支護結構物理力學參數(shù)列于表2。

2.2 爆破荷載確定

隧道爆破過程影響因素復雜，數(shù)值模擬時通常在炮孔壁直接加載半定性半定量的時變荷載來實現(xiàn)。三角形荷載由于荷載與爆破振動波形相對簡單，且與爆炸壓縮波沿隧道徑向的演化特征較為相似，是常用的加載方式之一［15-16］。

三角形爆破荷載峰值為［18-19］：

Pmax=139.97Z+844.81Z2+2 154Z3-0.803 4（1）

Z=W3Q （2）

式中：Z為比例距離;Q為裝藥量（kg）;W為炮孔至荷載作用面的距離（m）。

三角形荷載上升段加載時間和總時間分別為［19］：

tr=12×r2-μ×Q0.05/K （3）

ts=84×3r2-μ×Q0.2/K （4）

式中：tr為上升段加載時間（s）;ts為總作用時間（s）;K為圍巖體積壓縮模量（MPa）;μ為圍巖泊松比;γ為對比距離（m）。

由式（1）～式（4）計算可得各段峰值荷載及加卸載時間（表3）。

由工程爆破網(wǎng)絡及加卸載作用時間所確定的作用于隧道洞壁的爆破荷載如圖3所示。

2.3 模擬結果及分析

2.3.1 后行洞爆破對先行洞初支的影響

（1）對先行洞初支位移的影響

后行洞掌子面爆破時，先行洞監(jiān)測斷面（位于隧道右洞進深15 m處，記為Z=15斷面）初支位移云圖如圖4所示，位移曲線如圖5所示。

由圖4～圖5可知：①水平方向上，后行洞爆破對先行洞初支迎爆側拱腰處的影響最明顯，該處最大水平位移為3.65 mm;其次是迎爆側拱肩位置，最大水平位移為3.14 mm;對拱頂位置影響最小，最大水平位移為2.2 mm。水平位移的影響程度依次為：迎爆側拱腰＞迎爆側拱肩＞背爆側拱肩＞背爆側拱腰＞拱頂。②豎向方向上，后行洞爆破對先行洞初支拱頂處的影響最大，最大豎向位移為5.09 mm，其次為迎爆側拱肩。豎向位移的影響程度為：拱頂＞迎爆側拱肩＞迎爆側拱腰＞背爆側拱肩＞背爆側拱腰。③水平位移小于豎向位移，表明后行洞爆破施工對先行洞初支位移的影響中，豎向位移占主導地位。④在監(jiān)測斷面前后10 m范圍內(nèi)，先行洞初支變形速率先增大后逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。由此可知，爆破荷載對先行洞初支的影響范圍約為20 m。

（2） 對先行洞初支振動速度的影響

先行洞初支振動速度曲線如圖6所示。從圖中可以看出：①后行洞爆破對先行洞初支迎爆側動力響應大于背爆側，且同一斷面不同位置處振動速度有一定差異，影響程度沿迎爆側拱腰呈環(huán)向分布，表現(xiàn)為迎爆側拱腰gt;迎爆側拱肩gt;拱頂gt;背爆側拱肩gt;背爆側拱腰。由于豎向方向速度大于水平方向，

因此爆破振動易導致先行洞支護結構的豎向拉伸破壞［14-16］。②由速度峰值分布可知：初支水平速度在第15 d時達到最大值，為6.16 cm/s，豎向速度在第13 d時達到最大值，為9.82 cm/s;速度曲線呈衰減趨勢向兩側分布。由于交通隧道允許安全振速為10～20 cm/s［20］，考慮該隧道為軟巖隧道且圍巖穩(wěn)定性較差，因此取10 cm/s為安全控制標準。由數(shù)值模擬結果可知，先行洞初支振動速度均未達到該控制標準，因此，后行洞爆破對先行洞初支結構穩(wěn)定性的影響較小。

2.3.2 后行洞爆破對后行洞初支的影響

（1） 對后行洞初支位移的影響

后行洞掌子面爆破時，后行洞監(jiān)測斷面（以進深0 m為監(jiān)測斷面，記為Z=0斷面）初支位移云圖如圖7所示，位移曲線如圖8所示。

由圖7（a）及圖8（a）可知：水平方向上，爆破振動對拱腰處影響最大，最大水平位移為13.51 mm;對拱頂處影響最小，其最大水平位移為1.01 mm。水平位移隨著爆心距的增加而逐漸增大，第7開挖步后爆轟波對初支的擾動減弱，初支水平位移逐漸減小;第10開挖步后初支水平位移基本趨于穩(wěn)定，變形速率小于0.2 mm/d。因此，掌子面爆破后初支結構發(fā)生拉伸破壞的潛在范圍為距掌子面15 m左右。

由圖7（b）及圖8（b）可知：在豎向方向上，爆破振動對拱頂影響最大，拱肩次之，拱腰影響最小;拱頂、拱肩及拱腰處最大豎向位移分別為38.84 mm、29.51 mm和26.34 mm。拱頂、拱肩及拱腰處豎向位移隨著掌子面推進而逐漸增大，第10開挖步后豎向位移基本趨于穩(wěn)定且變形速率小于0.2 mm/d，表明爆轟波在第10開挖步后對初支的縱向拉伸作用較小。

本工程采用上＼，下臺階施工法。根據(jù)上＼，下臺階錯位間距及施工工序，第7開挖步時下臺階開始挖掘，此時初支水平位移和豎向位移變形速率均有所減小，第10開挖步后位移值基本趨于穩(wěn)定，說明上臺階爆破產(chǎn)生的應力波對其初支結構的影響較下臺階明顯。

（2） 對后行洞初支振動速度的影響

后行洞爆破時初支振動速度時程曲線如圖9所示。

由圖9可知：①振動速度隨著掌子面推進而減小，監(jiān)測斷面不同位置處的振動速度迥異。水平方

向上，振速自拱腰沿環(huán)向至拱頂逐漸減小，拱腰振速最大，拱肩次之，拱頂最小。豎向方向上，振速自拱頂沿環(huán)向至拱腰逐步減小，拱頂振速最大，拱肩次之，拱腰最小。②隨著后行洞掌子面的不斷向前推進，監(jiān)測斷面各點的振動速度小于20 cm/s，符合安全要求［19］。以10 cm/s為爆破振動速度控制標準時，掌子面爆破對初支穩(wěn)定性的影響范圍為20 m。

2.3.3 理論分析

由薩氏公式得［21］：

V=M×Q13Rα （5）

式中：Q為最大裝藥量（kg），根據(jù)工程設計爆破網(wǎng)絡計算，得到Q=24.6 kg;R為爆破振動安全允許距離（m）;V為安全允許質點振速，文獻［20］規(guī)定交通隧道最大允許振速為10～20 cm/s，本文考慮該隧道處于弱-中富水區(qū)，且部分節(jié)理裂隙密集帶可能有股狀出水，為確保隧道安全，選取V =10 cm/s;M、α均為與地形及地質條件等有關的經(jīng)驗參數(shù)，本文取M=175，α=1.5［20］。

則爆破沖擊波的安全允許距離為［16-18］：

R=Q13×MV1α （6）

由式（6）計算可得該隧道工程的爆破振動安全距離為19.7 m，與數(shù)值模擬所得20 m的影響范圍基本一致。

3 隧道穩(wěn)定性現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 后行洞穩(wěn)定性現(xiàn)場監(jiān)測

為進一步確定爆破振動對后行洞穩(wěn)定性的影響，對拱頂下沉及拱腰收斂進行現(xiàn)場監(jiān)測分析。在此基礎上，采用指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)對拱頂下沉和水平收斂進行擬合分析?，F(xiàn)場監(jiān)測及擬合分析結果如圖10所示。

從圖10（a）可以看出，后行洞爆破過程中隧道圍巖變形經(jīng)歷了三個階段：（1）急劇變形階段。隧道爆破作業(yè)后7 d內(nèi)圍巖變形速率較大，約為5 mm/d;7 d后下臺階開始施工時拱腰位移速率較小，約為1 mm/d，說明下臺階爆破開挖對隧道穩(wěn)定性的影響較小。在此期間，拱腰累積變形為26.7 mm，占總位移的94.1%。（2）緩慢變形階段。第7～10 d內(nèi)圍巖變形速率約為0.5 mm/d，處于緩慢變形階段。（3）穩(wěn)定變形階段。10 d后圍巖變形基本穩(wěn)定，變形速率為0.15～0.1 mm/d。

從圖10（b）可以看出，拱頂沉降量在第9 d后逐漸變小，此時累積沉降值為37.54 mm，占總沉降量的94.4%，沉降速率為0.91 mm/d;第7 d下臺階開始施工時拱頂沉降速率為2.69 mm/d，10 d后變形速率為0.19 mm/d，第13 d后沉降量基本穩(wěn)定，累積沉降量為39.74 mm。

從圖10還可以看出，隧道后行洞爆破時拱腰收斂及拱頂下沉的指數(shù)函數(shù)擬合結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果更吻合，由此得出隧道拱腰及拱頂變形穩(wěn)定值分別為33.86 mm和48.37 mm，能夠滿足工程設計要求。

3.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比分析

數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比如圖11所示。

從圖11可以看出，無論拱腰收斂還是拱頂下沉，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果的變化趨勢基本相同，但其值前者略小于后者。數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測所得拱腰收斂值分別為27.9 mm 和28.23 mm，拱頂下沉收斂值分別為38.84 mm 和39.74 mm，前者比后者分別減小了1.2%和2.3%。數(shù)值模擬結果可為隧道工程爆破施工設計提供一定的技術參數(shù)。

4 結論

（1） 分離式隧道后行洞爆破施工過程中，先行洞初支迎爆側拱腰水平位移及拱頂豎向位移波動較明顯，但對先行洞穩(wěn)定性影響較小。

（2） 后行洞爆破對后行洞拱腰水平位移的影響最明顯，而豎向位移從拱頂呈環(huán)向向下逐漸減小。第7開挖步后初支位移速率減小，第10開挖步時變形基本趨于穩(wěn)定。以10 mm/d為爆破振動速度控制標準時，掌子面爆破對初支穩(wěn)定性的影響距離為20 m。

（3） 薩氏理論所確定的爆破振動安全距離為19.7 m，與數(shù)值計算所得后行洞爆破施工對其初支結構穩(wěn)定性的影響范圍基本相同。

（4） 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測所得拱腰收斂和拱頂下沉的變化趨勢基本相同，但其值前者略小于后者，分別減小了1.2%和2.3%。數(shù)值模擬結果可為隧道工程爆破施工設計提供一定的技術參數(shù)。

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（本文編輯：張向紅）