青島海底隧道導洞擴挖法導洞位置比選研究★

許 建 張曉強

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063; 2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國基礎設施建設步伐的加快、設計理念的轉變及技術裝備水平的提高，長大隧道(洞)在公路、鐵路、水利工程設計中所占比例越來越大，高速鐵路、雙線鐵路、大跨公路隧道越來越多，這些隧道橫斷面較大甚至超大，獨頭掘進長度也不斷增加[1-3]。如何實現長大隧道的安全、投資、工期及其風險控制，已成為隧道工程設計、施工和施工組織技術所需研究的關鍵問題之一。長大隧道的施工組織方案及其成效，對長大隧道施工各方面的成敗起著決定性的作用。

1 工程概況

青島第二條海底隧道穿越膠州灣，初步計劃黃島端接疏港高速，青島端在海泊河入海口附近登陸，全長15.8 km，雙向六車道標準，設計車速80 km/h。第二海底隧道定位為以通行客車為主，兼顧貨運的跨海通道。膠州灣是一個深入內陸半封閉性的海灣，灣內水域闊，四周多山丘，岸線曲折，地形復雜，水深變化較大，膠州灣最大水深64 m。隧道軸線最大水深42 m，平均水深15 m。隧道沿線地質條件如圖1所示。K8+020～K12+700段，約4.7 km，隧道圍巖為燕山期花崗巖為主，巖質堅硬，中微風化巖石埋深淺，以Ⅱ級、Ⅲ級為主。K12+700～K18+000段，約5.3 km，為白堊紀沉積巖含礫砂巖、礫巖為主，泥質膠結，巖質極軟～較軟，隧道圍巖以Ⅳ級、Ⅴ級為主。

經過方案比選，隧道施工推薦方案為淺埋方案。

2 開挖方案設計

2.1 導洞法開挖爆破設計

為降低爆破振動對地表建筑的影響，提高施工效率，隧道采用φ4.5 m TBM導洞擴挖法施工。根據爆破參數的選取原則和爆破開挖斷面形式，確定導洞擴挖法基本爆破參數設計如表1所示。

2.2 導洞位置方案

表1 爆破參數設計表

海底隧道導洞擴挖法導洞位置的選擇受到很多因素的影響，各因素對導洞位置的選擇都會產生影響[4]。本文選取不同導洞位置對既有建筑物影響進行研究，設計了三種不同導洞位置，導洞位于正中上部(方案一)、導洞位于正中部(方案二)、導洞位于正中下部(方案三)。采用ANSYS-LSDYNA有限元分析軟件，模擬導洞開挖已完成，實施全斷面爆破開挖的過程。結合工程要求，對比分析三種方案，比選出一種既滿足開挖掘進要求，同時對地表建筑物影響最小的方案，該方案下導洞所處的位置，也是我們所尋找的最優導洞位置。

3 開挖爆破動力響應數值模擬

3.1 數值模擬模型及參數設定

模型材料由巖石、炸藥、堵塞、房屋建筑和空氣5個部分組成，均選用實體單元Solid164進行網格劃分。其中巖石采用拉格朗日網格建模，炸藥和空氣2種材料采用歐拉網格建模，單元使用多物質ALE算法。為了模擬無限大巖體，模型的外邊界均采用無反射邊界條件。同時為了保證分析過程中，歐拉單元與拉格朗日單元能始終耦合，建模過程中歐拉單元部分區域與拉格朗日單元重合[5]。

根據爆破設計方案，分別選取三種方案中最大單段藥量段作為研究工況。模型孔深為3 m，炮孔直徑為47 mm，裝藥直徑為32 mm，裝藥深度為2.5 m，堵塞0.5 m，裝藥使用2號巖石乳化炸藥。輔助孔采用連續裝藥結構，起爆位置設置在炸藥中心處。根據隧道埋設路線地表重點保護小高層建筑物位置，隧道埋深30 m，上覆圍巖取至地表30 m，下覆圍巖邊界取為3倍洞高；爆破對3倍～5倍洞徑區域影響較為明顯，故取模型寬度為90 m；模型沿隧道進尺方向取63 m；地表小高層三維尺寸X×Y×Z為15 m×20 m×30 m。模型中已開挖隧道填充為空氣。模型采用自帶LS-DYNA Solver進行求解運算，使用LS-PREPOST軟件進行后處理。數值模擬中所有參數均統一使用cm-g-μs單位制。三維有限元模型如圖2所示。三種方案對應導洞位置細節如圖3所示。

3.2 計算方案

爆破過程是一個高速復雜的過程，襯砌拆除爆破的效果受到襯砌材料性質、巖石性質和節理等因素的影響，無法將所有因素全部考慮進去，而只能考慮影響爆破效果的主要因素，簡化一些次要因素，故模擬中做了如下假設：

1)研究所涉及的襯砌、巖石及炸藥等材料均為連續且各向同性介質；

2)整個爆炸過程為絕熱過程，不考慮熱力學參量的影響；

3)不考慮巖石中裂隙的影響。由于涉及兩種以上物質，數值模擬采用多物質材料與拉格朗日結構耦合算法，該算法不需要定義各部分結構間復雜的接觸關系，雖然網格數量巨大、求解時間長，但計算較穩定。

3.3 有限元模擬結果

選取隧道走向方向建筑近爆源側進行監側點布置，測點沿隧道掘進方向依次編號為A號～K號。監測點位置示意圖如圖4所示。

根據三種不同導洞位置隧道開挖數值模擬結果，提取A號～K號監測點峰值合成振動速度，繪制結果見表2。

由表2建筑物質點峰值合成振動速度分布可繪制圖5。

表2 不同導洞位置下隧道爆破開挖方向建筑物質點峰值合成振動速度 cm/s

4 導洞位置方案比選

通過表2我們可以發現：隨著導洞位置朝正中下部移動，建筑物質點峰值合成振動速度也隨之增大；導洞位于正中下部引起建筑物質點峰值合成振動速度是最大的，也是減震最不利的一種形式。

由圖5可以看出，導洞位于正中上部爆破開挖引起建筑物質點合成峰值振動速度明顯小于導洞位于正中位置及導洞位于正中下部，減震效果較原設計而言也得到了進一步的優化。即導洞位于正中上部這種情況是3種工況中減震效果最好的，采用導洞位于正中上部這種爆破開挖方案將對地表建筑物的影響最小。

5 結語

以不同導洞位置開挖爆破對地表建筑影響作為導洞位置的選取標準，選擇一種對地表建筑影響最小的導洞布置方案，得出以下結論：

1)三個方案中，導洞位置在正中上部比其他方案中監測點峰值合成振動速度小；

2)建筑物上監測點位置在爆破截面上的峰值合成振動速度最大，隨著遠離爆破截面振速減小；

3)隨著導洞位置下移，建筑物上監測點峰值合成振動速度隨之增大。

由于海底隧道導洞擴挖法導洞位置的選擇受到很多因素的影響，各因素對導洞位置的選擇都會產生影響。本文僅以導洞位置不同對地表建筑影響不同這一因素作為導洞選取標準，選擇一種對地表建筑影響最小的導洞布置方案。即導洞位于正中上部的隧道開挖方案，但是具體工程施工導洞位置的設計應該綜合考慮多方面的因素，綜合選取。