新建隧道爆破施工對既有軌道交通區間隧道的動力影響分析

李青松 田志龍 王長壽 許 珂 謝佳桓

中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250014

隨著城市軌道交通建設的高速發展，新建隧道下（旁）穿既有運營軌道交通車站或區間隧道的情況時有發生。新隧道在施工時，尤其是在爆破施工過程中，會對圍巖造成一定的擾動，使圍巖發生變形，繼而對周邊既有結構產生一定的影響，嚴重的話會引發安全、質量問題。故在隧道施工之前，有必要通過數值模擬等相關手段，建立計算模型對爆破產生的振動進行模擬分析。近年來，國內外學者先后在爆破理論、模擬分析等方面進行了相應研究，但大多都僅限于對質點的位移、振速及頻率等方面的研究[1-4]，而對巖土體應力分布情況及其規律的研究較少。因此，本文以重慶軌道交通9號線一期工程觀音橋站施工通道為例，對爆破振動速度及巖土體應力進行綜合分析，以便為后期爆破設計及施工提供的依據。

1 項目概況

重慶軌道交通9號線一期工程觀音橋站位于觀音橋步行街南側建新南路下方，沿建新東路呈東北向布置，為暗挖換乘站。擬建觀音橋站施工通道全長345.39 m，其中SK0+000—SK0+050為明槽段，全長50.00 m；SK0+050—SK0+345.39為暗挖段，全長295.39 m（圖1）。

擬建施工通道旁穿中信大廈、浩博天庭商務大廈等高、低層建筑，其中入駐了設置有眼科手術室的醫院，施工過程中極易對其造成不良影響。

圖1 觀音橋站施工通道平面位置

同時，施工通道旁穿運營的軌道交通3號線觀音橋站—華新街站區間隧道，兩者間最小水平距離僅8.936 m，施工通道與軌道交通3號線區間隧道剖面位置關系如圖2所示。

圖2 施工通道與3號線區間隧道位置關系剖面

2 施工方案

為保證全線整體通車目標，施工通道開挖支護需選擇安全且適宜的方案進行快速施工。同時根據CJJT 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》中相關要求，潛孔爆破距離應大于15 m。經項目部分析討論后，初步確定采用分段分部采取機械鑿巖、光面控制分次爆破相結合的開挖方式。各段開挖方案如下：

1）SK0+50—SK0+85段，屬淺埋隧道，距軌道交通3號線隧道水平距離24.50～50.00 m，采用上、下臺階法進行機械開挖。

2）SK0+85—SK0+205段，距軌道交通3號線隧道水平距離9.45～24.50 m，采用全斷面機械開挖。

3）SK0+205—SK0+345.39段，屬于深埋隧道，圍巖情況較好，距軌道交通3號線隧道凈距離15.80～29.10 m，采取拱頂機械開挖、其余部分光面控制分次爆破施工的開挖方式。

3 模擬分析

3.1 計算背景

應用動力有限元程序可研究巖土結構、鋼筋混凝土結構的特性。它從力學計算、規范驗算與設計的角度，對施工過程中爆破所產生質點的位移、振速及頻率等方面進行模擬、預測，為后期爆破設計及施工提供依據[5-7]。本文旨在運用三維動態有限元程序Ansys/LS-DYNA對隧道爆破過程進行數值模擬計算，從數值模擬計算結果中分析炸藥爆炸對巖體及結構的影響，以深入了解巖石爆破震動的破壞過程。

3.2 荷載模型

本次計算作出以下假設：

1）根據爆破振動理論，假設爆破荷載均布、垂直作用在隧道掌子面及洞壁上，爆破荷載曲線可簡化成三角形（圖3）。根據前人經驗，本次計算取加載時間為10 ms，卸載時間為90 ms。同時，為充分了解爆破應力波在圍巖中的傳播規律，本次計算時長取為1 000 ms。

圖3 爆破荷載歷程

2）經前人對既有眾多爆破荷載峰值公式統計分析得出Pmax經驗公式如下：

式中：z——比例距離，可由式（2）計算得出。

式中：R——炮眼至荷載作用面的距離；

Q——炮眼裝藥量。

3.3 計算模型及參數

3.3.1 模型幾何參數選取

本次模擬采用三維計算模型。隧道縱向為x軸，y軸鉛垂向上，隧道掘進方向為z軸，爆破進尺取1.0 m。將計算模型的4個側面和底部均設為無反射邊界約束，各邊界位移滿足ux=0、uy=0、uz=0，地表設為自由邊界。

本次分析是研究9號線觀音橋站施工通道爆破施工對軌道交通3號線區間隧道的影響，根據爆破設計和驗算結果，為了控制爆破震動滿足安全要求，故本次計算模擬選取距離軌道交通3號線區間隧道最近位置即是最不利位置進行分析。在施工通道里程為SK0+205處，該位置距離軌道交通3號線區間隧道結構外邊線最小水平距離為15 m，最小豎向距離為5.05 m，最小直線距離18 m。

本次爆破施工最大段裝藥量均為1.2 kg，如圖4所示。建立計算模型如圖5所示。

3.3.2 材料參數選取

圖4 隧道爆破施工步序

圖5 爆破模型單元劃分

計算斷面中涉及到的材料有填土、砂質泥巖、砂巖3種圍巖的巖石材料。巖土體及建筑物均采用實體單元Solid164來模擬，模型采用材料的靜力指標。由于軌道交通3號線施工已造成圍巖擾動，軌道交通3號線地勘參數參考性不強，同時考慮到擬建施工通道機械開挖及爆破施工對圍巖的不利影響，本次評估采用的巖土物理力學參數是在最新軌道交通9號線觀音橋站及施工通道地勘參數基礎上對其乘以折減系數0.6得到的，計算參數如表1所示。

表1 評估采用的巖土物理力學參數

3.3.3 荷載組合選取

在模擬計算時，根據觀音橋站施工通道圍巖情況及進尺要求，將計算持續時間定為1.0 s。同時根據相關規定，施工過程中，爆破傳到軌道結構物的振速需控制在1.5 cm/s以下，傳至房屋建筑的振速需控制在2.0 cm/s以下。

綜上所述，計算組合情況為：循環進尺1 m，爆心距建筑物最小凈距18 m，最大裝藥量1.2 kg，荷載峰值204.95 kPa。

需要說明的是，實際施工過程中，爆破是分段進行的，不可能出現單孔單響的情況，同時為了解結構在時差選擇上的動力響應，因此在本次數值模擬中采用三段爆破的方式，爆破的時差綜合考慮為50 ms。

3.4 觀察點

一般說來，爆破震動荷載下的構筑物的動力響應包括質點的位移、振速、加速度、應力、頻率等多方面因素。本報告所進行的數值模擬，重點放在了對既有建筑物的節點的振動速度以及巖土體應力分布的數據分析統計上。

為了合理地研究觀音橋站施工通道爆破開挖引起的軌道交通3號線區間隧道結構及房屋建筑振動速度的響應規律，按照圖6進行爆破振速觀察點的布置。

圖6 爆破觀察點布置

3.5 數值模擬計算結果

3.5.1 觀察點振速峰值模擬結果

根據模擬結果，各觀察點的峰值振速如表2所示。

表2 觀察點振動速度

通過對表3中數據的分析可以得出：施工通道爆破開挖時引起軌道交通3號線區間隧道的峰值振動速度的最大值為y方向的1.38 cm/s，所有振動速度均控制在1.5 cm/s以下，處于安全限速以內。

爆破振速隨爆源距離的增大基本呈現減小的現象，這就是峰值振速隨爆源距的衰減效應。在軌道交通3號線區間隧道結構上振速較大的位置出現在距離振源最近的迎爆側及隧道拱頂。所以建議施工通道爆破施工時，加強對區間隧道迎爆側及拱頂位置的監測。

3.5.2 應力變化模擬結果

觀音橋站施工通道爆破開挖應力變化的模擬結果如圖7所示。

分析圖7可以得出，施工通道爆破產生的應力較小。

同時，由于施工通道爆破開挖時，已開挖完成部分形成空洞，空洞表面可以看作是自由面，而自由面均存在反射波的影響，這就形成了空洞效應。受空洞效應的影響，軌道交通3號線區間隧道峰值振速會得到放大。空洞效應的放大效果受空洞埋深影響，如果空洞埋深越小，峰值振動速度放大效果越明顯，反之則越弱。

圖7 等效應力云圖

4 爆破振速監測

為測定爆破作業對周邊敏感建（構）筑物、巖土體的振動影響程度，同時為控制與優化爆破施工參數提供依據。在施工通道爆破的施工過程中，考慮到既有區間隧道已經投運監測不便的情況，項目部選取了觀察點3附近的中信大廈進行測點布設，隨后對隧道爆破開挖全過程的爆破振速監測結果進行統計，并計算其平均值，統計結果如表3所示[8]。

表3 爆破振速結果統計

從表4可以看出，在施工通道爆破段施工期間，中信大廈監測點爆破振速均控制在1.5 cm/s以下，說明爆破方案可行、爆破參數合理。

5 結語

1）通過數值分析施工通道爆破施工引起的軌道交通3號線區間隧道振速最大值為1.38 cm/s，均控制在1.5 cm/s以下，可見施工通道爆破施工對軌道交通3號線區間隧道的影響較小，風險可控。

2）在軌道交通3號線區間隧道結構上振速較大的位置出現在距離振源最近的迎爆側及隧道拱頂。建議施工通道爆破施工時，加強對區間隧道迎爆側及拱頂位置的監測。

3）通過對等效應力云圖分析，得出施工通道爆破產生的應力較小。

4）由于施工通道爆破開挖時，已開挖完成部分形成空洞，空洞表面可以看作是自由面，而自由面均存在反射波的影響，這就形成了空洞效應。受空洞效應的影響，軌道交通3號線區間隧道峰值振速會得到放大。放大效果受空洞埋深影響，如果空洞埋深越小，峰值振動速度放大效果越明顯，反之則越弱。

5）在施工過程中，項目部選取了觀察點3附近的中信大廈進行測點布設，振速監測結果顯示：在施工通道爆破段施工期間，中信大廈監測點爆破振速均控制在1.5 cm/s以下，說明爆破方案可行、爆破參數合理。