隧道近接高鐵爆破開挖的減振技術研究

譚因軍，唐 旭，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 概述

在近接施工中，鉆爆法施工產生的振動效應會對圍巖及既有結構產生顯著的影響，因此需要設置合理的減振措施。在軟弱(巖石強度不超過20 MPa)、節理發育的圍巖條件下，銑挖法具有很好的適用性和較高的工效[1-2]，而且具有振動小、噪音低及精確控制隧道“超欠挖”等特點[3-4]。采用銑挖與爆破聯合開挖法進行隧道開挖，可發揮銑挖和爆破的優勢，提高工效且保證施工安全。

銑挖與爆破聯合開挖法及爆破減振技術方面的研究，王海[5]結合現場和通過數值模擬論證銑挖爆破工法減震百分比在44 %～46 %左右；王新明[7]通過對貴州省畢威高速公路水塘隧道的開挖方法進行研究，得到銑挖與鉆爆聯合施工的合理施工順序；任澤華[7]、姚勇[8]和舒磊[9]等結合數值模擬和現場監測，提出單孔爆破水壓減振、注漿加固等減振措施。本文依托浦梅鐵路岐山隧道近接既有高鐵線路的工程建設，對銑挖切槽爆破開挖核心土的開挖方法進行研究，利用銑挖切槽作為減振措施，達到減弱爆破振動目的。

2 模型建立與分析

2.1 工程概況

岐山隧道全長1 065 m，全位于既有贛瑞龍和贛龍線之間，距離既有線最小間距38 m(Dy2K395+160)，位于隧道出口段，設計均為V級圍巖，設計采用上下臺階法控制爆破開挖近接既有高鐵線路施工。岐山隧道近接既有高鐵線路平面位置關系如圖1所示。

2.2 銑挖切槽減振措施

岐山隧道最小間距近接施工段，原設計采用上下臺階法控制爆破開挖。為了減小爆破振動對圍巖及既有結構的擾動，如圖2所示，設置1 m寬的銑挖切槽以實現爆破減振作用。

2.3 計算模型

為了明確銑挖切槽爆破開挖核心土法與上下臺階法控制爆破的開挖效果，如表1設置6種工況進行計算分析。兩種開挖方法的計算模型圖3～圖4所示。

圖1 隧道出口段近接既有高鐵平面(單位：m)

圖2 銑挖切槽爆破開挖示意

2.4 材料參數

巖石和二次襯砌、炮泥采用理想彈塑性動力學模型進行求解計算。計算所需材料的具體參數見表2、表3和表4。

表1 各工況下銑挖爆破結合工法設置

圖3 上下臺階法爆破開挖示意

圖4 銑挖切槽爆破開挖示意

巖石強度密度ρ/(g·cm-3)彈性模量E/GPa泊松比γ/Mbar屈服強度/GPa切線模量ET /GPa硬化系數/Mbar襯砌2.40310.200.0312.6———炮泥2.301.00.350.0050.50.410MPa2.152.60.320.011.00.515MPa2.208.50.300.0153.270.520MPa2.2515.70.280.026.130.5

表3 炸藥參數

表4 空氣參數

2 計算結果分析

如圖5所示，在地表處距離震源每隔10 m處布置一個監測點，以便提取各監測點的綜合振速最大值以及相應節點所屬單元最大、最小主應力。

圖5 監測點布置示意

2.1 綜合振速分析

提取各監測點的綜合振速，如表5所示。

由表5可知：相同巖石強度條件下，地表各點綜合振速在銑挖爆破聯合開挖條件下均比上下臺階爆破開挖有大幅度的減小，最大減小幅度達到60 %。因為設置的銑挖切槽避免了爆破振動對周圍巖土體的直接沖擊，極大地減小了爆破對圍巖的擾動和臨近建筑物的影響。

由圖6和圖7可知，不同開挖方法條件下，地表水平方向的綜合振速最大值由近向遠逐漸減小，在距震源20 m范圍內衰減速度快，大于20 m后衰減緩慢。對比同種開挖方法，綜合振速最大值隨巖石強度增大而減小。采用上下臺階爆破開挖的綜合振速最大值為4.12 cm/s，而銑挖爆破聯合開挖的綜合振速最大值為1.78 cm/s，相比減少了56.8 %。

圖6 上下臺階爆破開挖地表綜合振速分布

圖7 銑挖爆破結合開挖地表綜合振速分布

表5 各工況下地表監測點振速

2.2 最大主應力分析

提取各工況地表各監測點的最大主應力，如表6所示。

表6 各工況下地表監測點最大主應力值

由表6可知：巖石強度相同時，地表各點最大主應力在銑挖爆破聯合開挖條件下均比上下臺階爆破開挖有大幅度減小，最大減小幅度達到56.7 %。

對比同種開挖方法，地表各點最大主應力隨巖石強度增大而減小。采用上下臺階爆破開挖最大主應力最大值為155.45 kPa，而采用銑挖爆破聯合開挖最大主應力最大值為80.91 kPa，相比減少了52 %。

2.3 最小主應力分析

提取各工況地表各監測點的最小主應力，如表7所示。

由表7可知：巖石強度相同時，地表各點最小主應力在銑挖爆破聯合開挖條件下均比上下臺階爆破開挖有大幅度的減小，最大達到58.6 %。

表7 各工況下地表監測點最小主應力值

對比同一種開挖方式下，不同巖石強度條件下地表各點最小主應力隨巖石強度增大而減小。采用上下臺階爆破開挖最小主應力最大值為177.42 kPa，而采用銑挖爆破聯合開挖的最小主應力最大值為88.45 kPa，相比減少了50 %。

在不同開挖方法條件下，地表沿水平方向最大、最小主應力最大值分布由近向遠逐漸遞減，并且在震源附近衰減的速度較快，遠離震源位置衰減緩慢。

4 結論

采用LS-DYNA軟件，對不同圍巖條件下采用銑挖爆破綜合開挖方法進行模擬分析，得出以下結論：

(1)通過設置的銑挖切槽避免了爆破振動對周圍巖土體的直接沖擊，極大地減小了爆破對圍巖的擾動和臨近建筑物的影響。

(2)地表各點綜合振速、最大主應力、最小主應力在銑挖切槽爆破開挖核心土開挖條件下均比上下臺階爆破開挖有大幅度的減小，最大減幅達到60 %、56.7 %、58.6 %。

(3)銑挖爆破聯合開挖的綜合振速、最大主應力和最小主應力的最大值比上下臺階爆破開挖分別減少了56.8 %、52 %和50 %。