空間交叉隧道爆破施工動力響應(yīng)分析

朱洪江

(西南交通大學，四川成都 610031)

1 新建隧道對既有隧道的影響

隨著我國基建事業(yè)的發(fā)展，越來越多的新建復線工程將投入建設(shè)，由于受地形地質(zhì)條件等因素的限制，新建隧道與既有鐵路隧道之間設(shè)計距離較近，新建隧道在施工過程中，既有隧道結(jié)構(gòu)破壞、影響運營安全的情況時有發(fā)生。合理組織開挖方案是減少對既有隧道影響的重要技術(shù)措施。因此，通過數(shù)值仿真分析，研究隧道施工對既有隧道的影響具有重要現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學者針對新建隧道對既有隧道的影響問題開展了一些研究，取得了部分研究成果。研究內(nèi)容主要集中在以下兩個方面。

(1)新建隧道施工方法及工藝對既有隧道的影響。通過三維物理模型試驗，研究新建立交隧道施工對既有隧道的影響[1]。采用數(shù)值模擬的方法，研究上穿既有地鐵隧道的作用機理[2]，分析新建隧道和既有隧道對不同的開挖方案的施工方法選擇敏感性的影響，計算雙孔隧道開挖掌子面間的合理縱向間距[3]，引入屈服接近度概念探討隧道不同近接施工力學變化規(guī)律[4]，對比分析明挖暗埋法和暗挖法新建隧道施工時既有隧道的變形及內(nèi)力變化規(guī)律[5]。結(jié)合現(xiàn)場實測資料，分析新隧道開挖過程中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形和襯砌混凝土的應(yīng)變變化情況[6]，探討既有隧道的加固方法和新建隧道的施工對策。

(2)施工爆破振動對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。通過對不同圍巖類別和不同間距的隧道進行爆破振動監(jiān)測和模擬分析，采用經(jīng)驗參數(shù)或理論研究分析評價爆破振動影響和開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布的影響[7-10]。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，眾多學者重點分析了新建隧道爆破振動及不同凈距對既有隧道的影響，但是對于新建隧道不同施工方案，其合理施工方法與施工順序的研究尚不夠深入。

鑒于此，本文重點分析新建引水隧洞工程采用全斷面法爆破、上下臺階法爆破施工方法，研究對既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)的潛在影響包括爆破振動影響和開挖后圍巖應(yīng)力重分布引起鐵路隧道沉降與變形，為新建引水隧洞工程施工方案的合理選擇提供參考。

2 引水隧洞與既有鐵路隧道空間位置關(guān)系

新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞K7+941.06～K8+141.06交叉影響段200 m與衢寧鐵路古田隧道交叉角度約51°，交叉中心里程為DK158+332。對應(yīng)衢寧鐵路古田隧道交叉段范圍里程為：DK158+232～DK158+352(隧道出口)，總長120 m。瑞垟引水一期工程8#引水隧洞與衢寧鐵路古田隧道平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 引水隧洞與衢寧鐵路古田隧道交叉段平面位置關(guān)系

瑞垟引水一期工程8#引水隧洞與衢寧鐵路古田隧道走向夾角約51°，此處衢寧鐵路隧道軌頂高程為287.51 m，瑞垟引水一期工程8#引水隧洞洞底高程為238.00 m，洞頂高程為241.35 m，與鐵路隧道內(nèi)軌頂面垂直凈距約46.0 m，與隧道結(jié)構(gòu)凈距約44.0 m。交叉段豎向位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 瑞垟引水一期工程8#引水隧洞與衢寧鐵路古田隧道交叉段縱斷面位置關(guān)系

3 爆破振動理論計算

從爆破振動指標對引水隧洞施工對衢寧鐵路塔古田隧道既有線的影響進行分析。一般認為沖擊波對既有鐵路線無影響，故在此僅對爆破振動對衢寧鐵路既有線的影響進行評價，分析對象為衢寧鐵路古田隧道距隧洞爆破施工段最近處鐵路軌道(路基)、接觸網(wǎng)鋼筋混凝土支柱。

3.1 爆破裝藥量控制標準

根據(jù)反映爆破振動規(guī)律的薩道夫斯基公式，爆破振動裝藥量計算公式為

(1)

式中：v為爆破地震速度，cm/s；Q為總裝藥量或最大段藥量，kg；R為爆源到被保護物的距離，m；

k、α為與介質(zhì)、爆破方式等因素有關(guān)系數(shù)，選取可以參照表1。

表1 不同巖性K、α取值

按最為保守的最不利工況選取K、α值，隧道爆破圍巖巖性按中硬巖考慮，K值按中硬巖石最不利時選取最大值150，α按最不利取最小值1.3。

3.2 計算參數(shù)的確定

由前述新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞與衢寧鐵路古田隧道的空間相對位置關(guān)系可知，引水隧洞距古田隧道內(nèi)軌頂面46.21 m。計算爆破振動影響時，考慮到隧洞整體開挖影響，爆源到需保護的鐵路軌道(路基)間距取42 m，爆源到接觸網(wǎng)鋼筋混凝土支柱間距取46 m。

如果按未鋪軌的控制標準計算爆破振動對衢寧鐵路古田隧道的影響，引水隧洞采用全斷面法爆破開挖時，參考式(1)可以計算，得出單段最大裝藥量為28.91 kg，實際考慮到引水隧洞的大小(寬3.5 m，高3.35 m；S=13.8 m2)，最大段裝藥量一般達不到這么大，可按最大段裝藥量12 kg考慮。

3.3 計算結(jié)果及其分析

3.3.1 計算爆破振動對鐵路軌道(路基)的影響

基于上述確定的計算參數(shù)及建議的最大段裝藥量，再代入式(1)的變式計算可得

(2)

如果引水隧洞在上方鐵路古田隧道鋪軌前穿越施工，則v=3.42 cm/s小于本工程要求的振動速度控制值5.0 cm/s，對鐵路隧道振動影響處于安全范圍內(nèi)；

如果引水隧洞在上方衢寧鐵路古田隧道鋪軌后穿越施工，由于v=3.42 cm/s大于本工程要求的振動速度控制值3.0 cm/s，則按單段最大裝藥量12 kg會對鐵路隧道振動造成安全影響，需要進一步采取施工控制措施。

3.3.2 計算爆破振動對接爆源到接觸網(wǎng)鋼筋混凝土支柱的影響

基于上述確定的計算參數(shù)，代入式(1)的變式計算可得

(3)

即有v=3.03 cm/s小于本工程要求的振動速度控制值4.0 cm/s，因此施工爆破對衢寧鐵路接觸網(wǎng)鋼支柱的影響是處于安全范圍內(nèi)的。

4 計算模型及參數(shù)選取

應(yīng)用大型有限計算軟件Midas GTS進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)隧道地質(zhì)剖面圖，結(jié)合工程經(jīng)驗和理論分析，所取土體范圍為水平45 m、縱向200 m、豎向至地表，見圖3和圖4所示。

圖3 三維數(shù)值計算模型

圖4 隧道空間位置關(guān)系模型

4.1 基本假定

由于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，要完全模擬巖土材料的力學性能和嚴格按照實際的施工步驟進行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計算過程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進行適當簡化，在本次數(shù)值模擬中采用了以下假設(shè)：

(1)圍巖土體材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)其為理想彈塑性材料。基于宏觀材料行為，巖土體采用摩爾庫倫彈塑性模型，采用實體單元模擬土體。該模型在數(shù)值計算中效率很高，效果較好，收斂很快，計算相對穩(wěn)定，能較好的描述巖土材料的力學行為，在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

(2)在初始應(yīng)力場模擬時不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力的影響。

(3)襯砌采用彈性模型，新建引水隧洞初期支護和二次襯砌采用實體單元模擬，既有鐵路隧道初期支護和二次襯砌也采用實體單元模擬。

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告中的地質(zhì)參數(shù)及TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，并參考類似工程，進行了力學計算參數(shù)的取值。新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞位于Ⅳ級圍巖，既有衢寧鐵路古田隧道位于Ⅴ級圍巖；新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞初支采用15 cm厚C20噴混凝土，襯砌采用40 cm厚模筑C30混凝土；既有鐵路隧道初支采25 cm厚C25噴混凝土，襯砌采用45 cm厚模筑C35鋼筋混凝土。具體參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

4.3 模擬過程

新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞采用全斷面開挖方式。具體的模擬過程如下：

(1)邊界條件和初始條件：模型的四周、底部邊界為法向約束，模型首先達到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)開挖：模擬過程中，新建瑞垟引水一期工程8#引水隧洞沿著其軸線方向推進，采用全斷面法開挖，每步開挖后，立即對模型進行求解，使其處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(3)支護：開挖后，在瑞垟引水一期工程8#引水隧洞周圍施做初期支護和二次襯砌等支護體系，并進行計算分析。

5 計算結(jié)果分析

為分析新建引水隧洞施工對既有鐵路隧道位移、內(nèi)力和應(yīng)力的影響，選取3個典型施工步進行分析，這3個典型施工步為新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道近側(cè)(引水隧洞開挖80 m)、新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道中心(引水隧洞開挖100 m)、新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道遠側(cè)(引水隧洞開挖120 m)。

5.1 位移分析

根據(jù)計算結(jié)果，新建引水隧洞分別施工至既有鐵路隧道近側(cè)(引水隧洞開挖80 m)、新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道中心(引水隧洞開挖100 m)和新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道遠側(cè)(引水隧洞開挖120 m)時，既有鐵路隧道位移云圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，當新建引水隧洞分別施工至既有鐵路隧道近側(cè)，即引水隧洞開挖至80 m時，既有鐵路隧道位移云圖如圖5(a)、圖5(d)和圖5(g)所示，此時位移隨下穿引水隧洞的施工逐步增大，最大達到0.98 mm，處于安全范圍；當新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道中心，即引水隧洞開挖至100 m時，既有鐵路隧道位移云圖如圖5(b)、圖5(e)和圖5(h)所示，此時位移隨下穿引水隧洞的施工逐步增大，最大達到2.67 mm，處于安全范圍；當新建引水隧洞施工至既有鐵路隧道遠側(cè)，即引水隧洞開挖至120 m時，既有鐵路隧道位移云圖如圖5(c)、圖5(f)和圖5(i)所示，此時位移隨遠離下穿引水隧洞中心的施工逐步減小，遠側(cè)位移為0.33 mm，處于安全范圍。

5.2 振動速度分析

(1)根據(jù)計算結(jié)果，當新建引水隧洞分別施工至既有鐵路隧道近側(cè)，即引水隧洞開挖至80 m時，既有鐵路隧道振動速度如圖6所示。

從圖6中可以看出，既有鐵路隧道振動速度隨下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振動速度為1.38 cm/s，未超過控制振動速度3.0 cm/s，處在安全范圍之內(nèi)。

(2)根據(jù)計算結(jié)果，當新建引水隧洞分別施工至既有鐵路隧道正下方，即引水隧洞開挖至100 m時，既有鐵路隧道振動速度如圖7所示。

從圖7中可以看出，既有鐵路隧道振動速度隨下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振動速度為3.46 cm/s，超過控制振動速度3.0 cm/s，建議減小最大段裝藥量和采用更短的進尺(由于數(shù)值模擬采用的2 m進尺的上下臺階法，土體考慮為均質(zhì)狀態(tài)，提取的點位于爆破位置的正上方，振動速度偏大，具體施工需采取相應(yīng)措施控制振動速度)。

(3)根據(jù)計算結(jié)果，當新建引水隧洞分別施工至既有鐵路隧道遠側(cè)，即引水隧洞開挖至120 m時，既有鐵路隧道振動速度如圖8所示。

從圖8中可以看出，既有鐵路隧道振動速度隨下穿引水隧洞的施工逐步增大，Z向最大振動速度為0.04 cm/s，未超過控制振動速度3.0 cm/s，處在安全范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

本文以瑞垟引水一期工程8#引水隧洞爆破施工下穿既有衢寧鐵路古田隧道為背景，運用理論分析和數(shù)值模擬等方法，對新建引水隧洞爆破施工對既有鐵路隧道有一定影響范圍內(nèi)，研究了引水隧洞開挖至既有鐵路隧道近側(cè)、中心正下方和遠側(cè)三種不同距離時爆破振動對既有鐵路隧道位移和振動速度的影響，主要研究成果如下：

(a)引水隧洞開挖80 m既有鐵路隧道近側(cè)X方向位移

圖6 既有鐵路隧道振動速度分析一

圖7 既有鐵路隧道振動速度分析二

圖8 既有鐵路隧道振動速度分析三

(1)通過對爆破振動的影響理論計算結(jié)果分析可知，對衢寧鐵路古田隧道鐵路軌道(路基)振動速度大于控制振動速度超過安全范圍、接觸網(wǎng)鋼筋砼支柱的振動速度小于控制振動速度，未超過安全范圍。

(2)通過數(shù)值模擬實驗的計算結(jié)果分析可知，爆破施工振動對衢寧鐵路古田隧道的圍巖影響處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。但要注意的是，采用設(shè)計給定的最大段裝藥量開挖至鐵路隧道中心處時，產(chǎn)生的振動速度較大，會超過振動速度安全控制值3.0cm/s，建議在施工階段的爆破設(shè)計進一步減小最大段裝藥量和減小進尺來達到控制振動速度的目的。