上跨既有高速鐵路隧道控制爆破振動(dòng)效應(yīng)分析

郭甲祥

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

上跨既有高速鐵路隧道控制爆破振動(dòng)效應(yīng)分析

郭甲祥

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

受地形條件限制以及高速鐵路網(wǎng)絡(luò)密度的加大，上跨或下穿既有高速鐵路爆破施工越來(lái)越多，因既有隧道質(zhì)量缺陷無(wú)法得到準(zhǔn)確判斷，爆破作業(yè)造成的潛在危險(xiǎn)更大，對(duì)爆破需要更精準(zhǔn)的控制。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范中未涉及類似近距離既有高速鐵路爆破作業(yè)要求，本文針對(duì)設(shè)計(jì)提出的控制爆破要求，按照對(duì)既有鐵路隧道振速不大于3 cm/s的控制指標(biāo)，進(jìn)行了爆破方案設(shè)計(jì)，確定了爆破參數(shù)，并對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)爆破振動(dòng)波速及影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出了爆破影響可控制在允許范圍的結(jié)論，為順利實(shí)施爆破作業(yè)提供了技術(shù)依據(jù)。

鐵路隧道 上跨高速鐵路 控制爆破 振動(dòng)效應(yīng) 振速

1 工程概況

新建福平鐵路鼓山隧道穿越福州市鼓山，起訖里程DK5+095～DK13+294，全長(zhǎng)8 199 m，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，隧道洞身于DK12+189處上跨既有溫福鐵路聯(lián)絡(luò)線鼓山1#隧道，夾角57°，垂直凈間距約28.87 m。既有溫福高鐵聯(lián)絡(luò)線鼓山1#隧道全長(zhǎng)2550m，隧道圍巖級(jí)別為Ⅱ，二次襯砌采用C25素混凝土，厚度25 cm。新建福平鐵路鼓山隧道與上跨既有溫福高鐵鼓山1#隧道交叉點(diǎn)前后100m范圍設(shè)計(jì)要求采用控制爆破技術(shù)，且必須在天窗時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)既有高速鐵路隧道造成振速不得超過(guò)3cm/s。既有高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全必須保證，不能出現(xiàn)任何影響運(yùn)營(yíng)安全的問(wèn)題，本文針該隧道的實(shí)際情況，對(duì)鼓山隧道進(jìn)行了爆破方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算考察了爆破振動(dòng)效應(yīng)，為工程順利實(shí)施提供了技術(shù)保證。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

隧道洞身以Ⅱ級(jí)圍巖為主，根據(jù)爆破區(qū)域周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、以及為確保鄰近既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全，采用微差控制爆破技術(shù)。

在上跨交叉點(diǎn)處（DK12+189）前后40 m范圍內(nèi)，采用三臺(tái)階法爆破開挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，鉆孔直徑40mm，炸藥單耗0.9kg/m3，爆破規(guī)模控制在總裝藥量34.2 kg以內(nèi)，最大單響藥量控制在3.15 kg以內(nèi)；距離上跨交叉點(diǎn)前后40~50 m范圍，采用全斷面法爆破開挖，每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，鉆孔直徑40 mm，炸藥單耗1.1 kg/m3，爆破規(guī)模控制在總裝藥量199.5 kg以內(nèi)，最大單響藥量控制在13.65kg以內(nèi)；距離上跨交叉點(diǎn)大于50 m地段，采用全斷面法爆破開挖，每循環(huán)進(jìn)尺3.0m，爆破規(guī)模控制在總裝藥量298.21 kg以內(nèi)，最大單響藥量控制在39.38以內(nèi)；且在爆破振動(dòng)速度安全允許范圍內(nèi)，進(jìn)尺、孔網(wǎng)參數(shù)及爆破規(guī)模、最大單響藥量可隨著與既有鼓山1#隧道距離增加進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

上跨交叉點(diǎn)三臺(tái)階法的炮孔布置詳見圖1。孔網(wǎng)參數(shù)與裝藥量詳見表1～表3。

圖1 上跨交叉點(diǎn)三臺(tái)階法炮孔布置示意圖

表1 上跨交叉點(diǎn)三臺(tái)階法上臺(tái)階爆破參數(shù)表

圖2 距離交叉點(diǎn)40～50m全斷面法炮孔布置示意圖

表2 上跨交叉點(diǎn)三臺(tái)階法中臺(tái)階爆破參數(shù)表

表3 上跨交叉點(diǎn)隧道三臺(tái)階法下臺(tái)階爆破參數(shù)表

距離上跨交叉點(diǎn)40~50 m全斷面法開挖炮孔布置詳見圖2。孔網(wǎng)參數(shù)與裝藥量詳見表4。

表4 距離交叉點(diǎn)40～50 m全斷面法爆破參數(shù)表

3 爆破振動(dòng)速度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法

爆破振動(dòng)速度可按下式計(jì)算：

式中：R 為爆源至保護(hù)建筑的距離，單位：m；Q 為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，單位：kg；V 為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，單位：cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按《爆破安全規(guī)程》選取，或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。本文隧道洞身Ⅱ級(jí)級(jí)圍巖取K=150、取α=1.5；其余取K=250、取α=1.8。

根據(jù)本文方案確定的參數(shù)，按式（1）計(jì)算的爆破振動(dòng)速度如表5所示，可見，爆破振動(dòng)速度均小于設(shè)計(jì)提供的控制值3 cm/s。表明簡(jiǎn)化計(jì)算法得到的結(jié)果是安全的。

表5 爆破振動(dòng)速度計(jì)算值

4 爆破振動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

采用三維計(jì)算模型。在三維建模時(shí)，將既有鐵路隧道縱向作為z 軸，且z 軸經(jīng)過(guò)隧道拱心；y 軸垂直地表。模型各邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界，隧道已開挖區(qū)設(shè)為自由邊界。開挖隧道下面是既有鐵路隧道，計(jì)算采用SOLID164三維實(shí)體單元。

4.2 巖體力學(xué)物理指標(biāo)

計(jì)算中圍巖及襯砌的物理力學(xué)參數(shù)詳見表6。

表6 圍巖及混凝土物理力學(xué)參數(shù)

4.3 爆破荷載

根據(jù)爆破對(duì)巖體的破壞和影響的不同，爆破作用范圍可分為近區(qū)、中區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。爆破作用近區(qū)為巖石粉碎區(qū)，爆破作用中區(qū)巖體往往產(chǎn)生裂隙破壞，爆破作用遠(yuǎn)區(qū)巖體只發(fā)生彈性振動(dòng)。對(duì)于集中裝藥或單孔柱狀裝藥，采用波動(dòng)理論，可以近似計(jì)算爆破在炮孔壁上的初始峰值應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。在隧道掘進(jìn)爆破過(guò)程中，一般是分布在一定空間內(nèi)的多孔裝藥起爆，任意一處由爆破產(chǎn)生的應(yīng)力是多個(gè)應(yīng)力波疊加的結(jié)果，目前還沒有一種理論方法能較為準(zhǔn)確地計(jì)算多孔裝藥起爆在某處產(chǎn)生的應(yīng)力。

根據(jù)隧道施工成型的要求，在爆破過(guò)程中，應(yīng)保證隧道圍巖不受破壞，此時(shí)圍巖處于彈性振動(dòng)狀態(tài)，因而在建立隧道掘進(jìn)爆破的振動(dòng)模型時(shí)，可作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：（1）爆破振動(dòng)荷載以均布?jí)毫奢d形式作用在隧道周壁，作用方向?yàn)榉ň€方向；（2）隧道周壁處于爆破作用遠(yuǎn)區(qū)，隧道周壁的爆破振動(dòng)荷載不會(huì)造成圍巖破壞；（3）爆破振動(dòng)荷載簡(jiǎn)化為三角形荷載。通過(guò)試算確定爆破荷載峰值。

在數(shù)值模擬中采取試算的方法來(lái)確定瑞利阻尼參數(shù)，其具體做法是將試算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)部分實(shí)測(cè)的有關(guān)資料進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果逐漸調(diào)整參數(shù)值，最終確定較為合適的瑞利阻尼參數(shù)。經(jīng)試算，瑞利常數(shù)取α=0.4，β=0.0003。

4.4 新建隧道爆破作業(yè)對(duì)既有溫福鐵路聯(lián)絡(luò)線鼓山1#隧道影響

4.4.1 開挖掌子面位于隧道交叉點(diǎn)

由于開挖隧道下面是既有鐵路隧道，兩者夾角為57°，最小距離為28.87 m，因此，交叉處既有鐵路隧道斷面襯砌質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)與應(yīng)力變化情況是考察的重點(diǎn)。在開挖掌子面位于隧道交叉點(diǎn)采用三臺(tái)階法施工，按爆破施工方案，爆破進(jìn)尺為1.1 m，最大單響藥量3.15 kg，底孔單響藥量為2.7 kg。

根據(jù)爆破應(yīng)力波的傳播原理，應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播主要是體波，在自由面處才形成面波。這里計(jì)算得到隧道拱頂質(zhì)點(diǎn)垂直振速最大，最大峰值為1.9 cm/s，水平向振速很小，Vx峰值為0.3 cm/s，Vz峰值為0.7 cm/s，由此可見，到達(dá)既有隧道拱頂?shù)膽?yīng)力波主要是縱波，最大振速小于設(shè)計(jì)要求的3 cm/s，可見，在開挖掌子面位于隧道交叉點(diǎn)附近采用三臺(tái)階法的爆破施工方案滿足安全要求。

4.4.2 開挖掌子面距離隧道交叉點(diǎn)50 m

在開挖掌子面位于隧道交叉點(diǎn)50 m時(shí)，Ⅱ類圍巖，采用全斷面施工，按爆破施工方案，通過(guò)計(jì)算得到典型質(zhì)點(diǎn)振速。計(jì)算得到隧道上部質(zhì)點(diǎn)垂直振速最大，最大峰值為1.8 cm/s， Vx峰值為0.7 cm/s，Vz峰值為1.5 cm/s。最大振速小于設(shè)計(jì)要求的3 cm/s，可見，在開挖掌子面距離隧道交叉點(diǎn)50 m附近采用全斷面法施工能滿足安全要求。

5 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全是鐵路管理工作的重中之中，既有高速鐵路的病害無(wú)法得到全面的掌握，鐵路管理單位對(duì)鄰近既有高速鐵路爆破施工沒有規(guī)范可以參考，再加上高速鐵路列車密度非常大，間隔時(shí)間有限，鄰近既有高速鐵路爆破施工安全要求極其嚴(yán)格。本文通過(guò)對(duì)爆破方案的數(shù)值模擬計(jì)算，以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)施效果進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)一年多的控制爆破，探索出了一套適應(yīng)對(duì)鄰近既有高速鐵路控制爆破的技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，可為今后完善規(guī)范要求和鄰近高速鐵路爆破施工提供參考。

[1]《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）

[2]《民用爆炸物品安全管理?xiàng)l例》（國(guó)務(wù)院令第466號(hào)）

[3]《爆破作業(yè)項(xiàng)目管理要求》（公安部GA991-2012）

[4]《鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理辦法》（鐵運(yùn)［2012］280號(hào)）

Analysis of Controlled Blasting Vibration Effect When Constructing above the Existing High-Speed Railway Tunnels

GUO Jia-xiang
(China Railway 18thBureau Group Tianjin 300222 China)

Restricted by the terrain conditions and the increasing density of the high-speed railway network, more and more blasting constructions go above or beneath the existing high-speed railways. Because the quality defects in the existing tunnels cannot be accurately judged, the potential danger from blasting becomes bigger, which requires more precise control of blasting. Since the technical specifications of domestic construction have no workplace requirements for blasting close to existing high-speed railways, this thesis puts forward requirements on controlled blasting according to the design, set the blasting parameters for vibration velocity is less than 3 cm/s. It also designs the blasting scheme, and makes numerically simulation of the velocity for the effect of blasting vibration and evaluates the influence of blasting vibration, which obtains the conclusion that influence of blasting can be controlled within the allowable range, providing the technical basis for the smooth implementation of the blasting operation.

railway tunnel constructing above high-speed railway vibration effect vibration

A

1673-1816(2016)04-0051-06

2016-04-12

郭甲祥（1980-），男，工程師，研究方向工程實(shí)踐。

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