考慮施工爆破振動影響的小凈距隧道設計參數優化研究

趙 杰

（山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家高速公路建設事業的不斷發展，我國山區高速公路規模越來越大，其面臨的地形地貌、氣候、水文地質等條件越來越復雜。小凈距隧道由于其地形適應能力強、利于橋隧銜接、提高線形標準等優勢，其具有較好的社會經濟效益，在山區高速公路設計施工中逐步得到推廣。然而，由于小凈距隧道的先、后行洞在施工過程中對中巖柱產生多次力學影響，尤其是在軟弱圍巖地段，受施工爆破振動的影響，中巖柱的穩定性較低，嚴重威脅施工安全，影響施工進度。

目前，學者們針對小凈距隧道開展了大量的研究，也取得了一系列突破性的研究成果。李桂江[1]利用理論分析、數值模擬手段深入研究了淺埋偏壓小凈距隧道在不同凈距及地表坡度下的力學特性，為施工提供技術保障；李磊[2]結合依托工程，綜合利用理論分析、現場試驗、數值模擬手段研究擠壓陡傾千枚巖地層條件下小凈距隧道圍巖及支護結構的力學特性，并提出施工優化方案；岳旭光[3]利用數值模擬手段對小凈距隧道施工爆破振動對鄰近隧道的影響進行了研究，總結分析其影響特性，并提出施工控制措施；趙亞龍[4]利用數值模擬手段對小凈距隧道先后行洞在不同滯后距離施工狀態下的力學及變形情況進行研究，結果顯示在滯后距離小于15 m時隧道應力及位移較大，應采取相應的工程處治措施，同時給出了小凈距隧道的合理滯后距離應為2～3倍的隧道開挖跨度。上述研究成果為小凈距隧道的設計施工技術發展奠定了良好的基礎，然而，由于隧道工程受圍巖不確定性的影響，各隧道的設計參數均具有其獨特性。本文依托某小凈距隧道，結合其工程的具體情況，利用現場試驗、數值模擬手段研究其受施工爆破振動的影響特性，并提出其設計參數優化方案。研究成果為類似工程的設計施工提供借鑒經驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西某高速公路隧道為雙向分離式隧道，其左右 線 起 止 里 程 為 ZK5+550—ZK6+350、K5+550—K6+355，其長度分別為800 m、805 m，屬中隧道。該隧址區位于剝蝕中山地貌區，山勢陡峻，總體呈中間高、兩側低的趨勢，其進出口自然坡度分別為40°、45°，隧址區平均海拔1 350 m。該隧道設計時速為80 km/h，隧道凈寬為10.25 m，凈高5.0 m。隧道采用新奧法原理施工，其支護結構為復合式襯砌，初支結構為錨桿、噴射混凝土、鋼筋網片、鋼拱架或格柵鋼架組成，二次襯砌為模注鋼筋混凝土。

隧道左右洞間距為6.5 m，根據公路隧道設計規范[5]中關于小凈距隧道的相關規定：小凈距隧道中巖柱厚度小于獨立雙洞最小凈距值，一般小于1.5倍隧道開挖跨度。因此，該隧道屬于典型的小凈距隧道，其具體情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口現場情況

1.2 地質條件

根據隧道地質勘察結果，隧址區地層由上而下依次為第四系中上更新統洪積粉質黏土（Q2-3）、中上志留統白龍江群下部（S2+3bl1）、中上志留統白龍江群上部（S2+3bl2），其中粉質黏土呈硬塑狀，土質不均勻，含有大量的卵石、礫石，主要分布于進出口地表，覆蓋厚度較小。中上志留統白龍江群下部巖性主要為泥灰巖、板巖、千枚巖，其表面風化程度較高，呈破碎狀，強度較低。而中上志留統白龍江群上部巖性為中厚層白云質灰巖、千枚巖，巖體較破碎，為較硬巖。

1.3 隧道施工現場情況

由于該隧道圍巖呈破碎狀，整體性較差，圍巖條件較差，對小凈距隧道的爆破施工極為不利。尤其在隧道洞口段，其上覆圍巖厚度較小，屬淺埋小凈距隧道，圍巖的自穩定性較差，給隧道洞口施工帶來極大的技術挑戰。該隧道右洞為先行洞，其施工至K5+570時，即距離洞口20 m處，在爆破施工的影響下，其初期支護結構右拱肩處產生明顯開裂，其裂縫寬度為0.8～2.5 cm，具體情況如圖2所示。

圖2 隧道初支結構開裂現場情況

2 施工爆破振動特性研究

2.1 施工爆破方案

根據該隧道的設計方案，其在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下分別采用上下臺階法、雙側壁導坑法施工，在爆破過程中采用斜眼掏槽法，其在掌子面開挖輪廓線內0.8 m范圍內孔距為0.5 m，呈梅花型雙層布設。在掌子面其他部位，炮孔呈梅花型單層布設，其孔距為0.8 m，孔深均為1.0 m。爆破采用13段非電毫秒雷管起爆，各段之間爆破時差大于10 ms，各炮眼裝藥量均為0.18 kg。

2.2 爆破振動測試方案

為深入研究小凈距隧道先后行洞在施工過程中因爆破振動而產生的相互影響效應，結合依托工程的實際情況，開展現場試驗以準確測試爆破振動影響情況，選取先行洞K5+580、K5+675斷面為測試斷面1、2，其與后行洞的凈距均為5.5 m，其圍巖分別屬Ⅳ、Ⅴ級，整體性較差。分別以上述兩個斷面為中心，設置3個振動測點，其沿隧道軸線間距為2 m，測點均位于中巖柱的邊墻部位，該處為迎爆面，其為最大振動速度及幅度的產生區域。振源設置在后行洞的掌子面中心部位。本次試驗采用TC-4850型拾振器，其帶有X、Y、Z三向速度傳感器，并配有專業數據分析軟件。在測試現場，為保證測試數據傳輸的可靠性，采用粘貼方式將拾振器固定在隧道初支結構表面，并用數據傳輸電纜將采集到的電信號傳輸至數據采集箱。本試驗的測點布設情況如圖3所示，其現場情況如圖4所示。

圖3 隧道爆破振動測點布設示意圖（單位：m）

圖4 隧道爆破振動現場測試

2.3 施工爆破振動特性

通過上述隧道爆破振動現場試驗，測得各測點的X、Y、Z三向振速隨時間的變化規律，取斷面1、2的中心點（P2）處的測試結果，其具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 斷面1測點P2三向振速-時間關系曲線

圖6 斷面2測點P2三向振速-時間關系曲線

通過對上述現場測試結果的分析，可以看出，Ⅳ級圍巖爆破振速平均值為20 cm/s，而Ⅴ級圍巖爆破振速平均值為12 cm/s。可見，隨著隧道圍巖級別的提高，隧道圍巖整體性差，爆破振動傳播速度隨之下降，其主要原因在于巖質越完整、越堅硬，振動波在其中傳播的速度越快。在爆破振速監測結果中，X方向（隧道邊墻法向）的振速明顯大于Y方向（隧道邊墻平行向）的振速。X方向為爆破振動波的主要傳播方向，即爆破振動波的X方向分量對隧道威脅最大。同時，對比分析各測點的振速，可以看出P2相對于P1、P3的振速較大，此原因主要在于P2距離振源最近，其受到后行洞爆破振動的影響最大，因此在小凈距隧道施工過程中應將該處作為施工爆破振動重點控制部位。

3 隧道設計參數優化

為深入研究考慮施工爆破振動影響下的小凈距隧道設計參數優化技術，結合本項目的技術特點，分別選取雙側壁導坑法（V級圍巖）及臺階法（Ⅳ級圍巖）兩種典型工況，利用數值模擬手段分析其合理凈距值，以期為小凈距隧道設計施工提供技術支撐。

3.1 雙側壁導坑法施工條件下合理凈距研究

本次數值模擬采用Midas/GTS軟件，模型為彈塑性模型并服從Drucker-Prager屈服準則。根據隧道設計參數，選取先后行洞凈距為6 m、8 m兩種工況，分別模擬后行洞爆破施工對先行洞的塑性區影響，所得計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 Ⅴ級圍巖6 m凈距隧道塑性區分布

圖8 Ⅴ級圍巖8 m凈距隧道塑性區分布

從圖7、圖8中可以看出，在Ⅴ級圍巖6 m凈距工況中，采用雙側壁導坑法施工過程中，其后行洞爆破后對中巖柱產生較大影響，塑性區基本貫通，可見6 m凈距對于Ⅴ級圍巖爆破施工偏不安全，應采取相應工程措施對中巖柱穩定性進行保護。而采用8 m凈距時，圍巖塑性區范圍明顯減小，尤其在先行洞一側的塑性區應變較弱，塑性區未貫通整個中巖柱，小凈距隧道整體結構相對穩定。同時，可以看出，小凈距隧道后行洞在施工爆破作業時，掌子面對應的先行洞位置受振動影響最為明顯，其為爆破施工振動速度影響的控制點。

3.2 臺階法施工條件下合理凈距研究

采用與上述數值模擬相同的方法，對Ⅳ級圍巖條件下采用臺階法施工的小凈距隧道爆破振動影響進行研究，所得凈距為6 m、8 m條件下的隧道圍巖塑性區分布情況如圖9、圖10所示。

圖9 Ⅳ級圍巖6 m凈距隧道塑性區分布

圖10 Ⅳ級圍巖8 m凈距隧道塑性區分布

從圖9、圖10中可以看出，在Ⅳ級圍巖條件下，小凈距隧道凈距為6 m時，后行洞爆破施工對先行洞圍巖影響較大，其產生的塑性區完全貫通，中巖柱受力狀況較差，極易產生失穩破壞，應及時采取加固措施對中巖柱進行處理，保證其穩定性。在同等條件下，與V級圍巖相比，其塑性區分布范圍更大，這也進一步驗證了爆破振速在Ⅳ級圍巖中傳播速度較V級圍巖傳播速度大。當凈距為8 m時，后行洞爆破施工后，其產生的塑性區分布范圍明顯減小，對先行洞的影響較為有限，中巖柱基本處于穩定狀態。但其塑性應變值相對于同等條件下的V級圍巖偏大，可見，采用雙側壁導坑法施工對小凈距隧道施工爆破振動的控制效果優于上下臺階法。

4 結論

本文依托某小凈距隧道，結合其工程的具體情況，利用現場試驗、數值模擬手段研究其受施工爆破振動的影響特性，并提出其設計參數優化方案，所得結論如下：

a）小凈距隧道洞口段上覆圍巖厚度小，屬淺埋小凈距隧道，圍巖的自穩定性較差，使得先行洞易受后行洞爆破振動的影響而產生結構開裂。

b）通過開展小凈距隧道現場爆破振速測試試驗可知，隨著隧道圍巖級別的提高，隧道圍巖整體性差，爆破振動傳播速度隨之下降。X方向（隧道邊墻法向）的振速明顯大于Y方向（隧道邊墻平行向）的振速。先行洞中對應于后行洞掌子面的位置為爆破振動嚴格控制的部位。

c）通過數值模擬手段研究可知，在Ⅳ級、V級圍巖中，凈距為8 m較6 m時的圍巖塑性區范圍明顯減小，中巖柱穩定性增強。且采用雙側壁導坑法施工對小凈距隧道施工爆破振動的控制效果優于上下臺階法。