鄰近鐵路隧道爆破施工動力影響研究

陳 壯

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國鐵路隧道建設事業的蓬勃發展，越來越多的新建鐵路隧道工程將投入建設，由于受地形地質條件等因素的限制，新建隧道與既有隧道之間設計距離較近，交叉角度小，新建隧道在施工過程中，對既有隧道結構破壞、影響運營安全的情況時有發生。這就產生了下穿隧道爆破施工時，既要保證隧道施工安全，又要能使既有隧道安全穩定的關鍵問題。因此，合理組織施工方案是減少對既有隧道影響的重要技術措施，通過數值實驗仿真分析，研究隧道施工對既有隧道的影響具有非常重要的現實意義[1-2]。

1 工程概況

邊巖隧道下穿既有線焦柳鐵路蜈蚣山一號隧道，交叉點鐵路里程為DK48+580，平面交角34°軌底標高為325.802 m，對應焦柳鐵路里程為K1004+563.5，軌面標高為369.479 m，結構凈距43.677 m，既有焦柳鐵路上跨新建邊巖隧道，近接最短距離約30 m。

2 數值模擬分析

2.1 有限元模型

工法采用三臺階法，隧道邊緣以外3 m范圍采用注漿加固。以新建隧道與既有隧道中心線交匯處為中心，掘進正、反方向取30 m研究范圍，模型上、下取4倍洞徑，為48 m。考慮中臺階長度4 m，下臺階長度6 m，上臺階開挖至兩條隧道中心線交匯處為計算工況，計算所用的三維模型展示了兩隧道的空間位置關系(圖1)。

圖1 隧道空間位置關系

2.2 爆破荷載計算參數及控制標準

巖體爆炸是一個復雜的瞬時過程，炸藥在炮孔中爆炸產生高溫高壓的爆生氣體在炮孔中急劇膨脹，產生爆破沖擊波,作用于周圍巖體，形成了粉碎區，接著迅速衰減為應力波[3-5]。由于炸藥爆炸機理及其影響因素的復雜性，當前并沒有有效的量測手段，因此無法準確確定爆炸過程的每一細節。目前常用的方法是根據相關的經驗公式和爆破振動的監測結果推測爆炸沖擊波的大小及衰減情況。在數值模擬中通常的做法是假定爆破輸入荷載為三角形脈沖波，該荷載形式需要確定荷載峰值和爆破荷載作用時間。

根據現有研究成果[6-7]，當采用的裝藥形式為不耦合裝藥時，單個炮孔初始平均壓力P0由下式確定。

(1)

式中：dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑。

對于大且復雜的三維模型，為簡化建模工作量和節省計算工作量，等效荷載在建模時不考慮炮孔形狀，即在模型中不體現出來，然后對爆破荷載時程曲線進行等效，施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面。為此本文采用等效壓力施加在炮孔軸線與同排炮孔連心線所確定的平面上，壓力作用的深度范圍與炮孔內裝藥段長度相等，施加的等效壓力Pe為：

Pe=(2r0/a)p0

(2)

式中：r0為炮孔半徑;a為炮孔間距。

對于爆破荷載的作用時間，爆破荷載作用時間假設為t2=6ms，其中上升時間t1=1ms，下降時間為5 ms。等效三角爆破荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載時程曲線

2.3 斷面監測

本次模擬主要對新建隧道與既有隧道中心線交匯處斷面進行監測，該斷面是兩條隧道空間關系上最近的斷面，同時，作為對比，監測新建隧道與既有隧道外輪廓相交處的斷面，其中包括已開挖段和未開挖段。斷面監測點布置圖如圖3，監測斷面設置如圖4。

圖3 斷面監測布置

圖4 監測斷面

3 計算結果分析

由于篇幅有限，僅列出監測斷面一上臺階爆破施工對既有鐵路隧道的最大振動速度。圖5列出了X、Y、Z三個方向最大振動速度變化關系。

(a)既有隧道底板監測點1振動速度時程

分析可知上臺階施工時，對既有隧道造成的影響最大。底板監測點中，最大速度為Z方向振動速度，為3.01 cm/s，拱墻及拱頂的振動速度相比底板振動速度更小，拱墻和拱頂部位未發現有振動超限的情況。一方面底板距離新建隧道最近，其次開挖上臺階時，相較于中臺階及下臺階，爆破部位距離監測截面是最近的，因此這種振動效應最明顯。總體而言，由于新建隧道和既有隧道之間距離較大，采用該爆破設計參數不會對既有隧道造成損害。

4 結論

通過進行數值模擬，分析了下穿隧道爆破施工引起既有鐵路隧道的動力響應，得出如下結論：

(1)采用爆破設計參數進行施工時，可能出現少許既有隧道底板振動速度超限的情況；但這是基于計算模型圍巖采用連續均勻介質的前提。在實際情況下，由于圍巖為V級圍巖，圍巖破碎且存在節理，能在一定程度上阻礙爆破地震波的傳播，因此可認為采用該套爆破設計參數是安全可靠的。

(2)最危險的斷面在于上臺階掌子面所對應的既有隧道段面，該斷面實施爆破施工時距離既有隧道最近，應當重點監控；其次是新建隧道掌子面后方的區域，由于該部分圍巖相對已經開挖的區域具有更高的完整性，爆破地震波傳播衰減小，對既有隧道影響大，因此也應當重點監測；而對于已經開挖區域對應的既有隧道區域，可以作為次要監測區域，因為該區域受到的爆破地震波影響最小，其原因是新建隧道本身起到了隔震的作用。

(3)隧道的上、中、下三個臺階的面積比會影響既有隧道監測，是因為開挖斷面越大，起爆時藥量越大，產生的爆破振動作用越大。對此可以考慮調整臺階面積比、采用微差起爆或者設置減震措施等手段進行防護。