上下平行近距離隧道爆破施工對既有隧道結構安全性的影響

張麗娟

（福建省精創交通設計咨詢有限公司，福建福州350001）

0 引言

隨著交通基礎設施建設蓬勃發展，交通網絡日漸完善，各支線縱橫交錯。新舊隧道近接施工的案例越來越多。當新建隧道與既有隧道間距較小時，在保證既有隧道結構安全的前提下，修建新隧道已成為工程建設者亟待解決的難題。許多專家、學者基于工程實例，研究分析隧道爆炸引起的臨近結構物的振動響應，提出合理的設計參數及防護措施等[1]。其中，在建隧道與既有隧道兩者空間關系以相交或水平相鄰為主，全線走向上下平行的案例較少?；谌S有限元數值模擬，研究某新建隧道施工時產生的爆破振動對平行近接的既有隧道圍巖的動力響應特性，得到爆破對既有隧道的影響規律，為上下平行近接礦山法隧道施工提供參考。

1 近距離爆破對既有隧道的影響機制

巖土體爆破過程復雜，理論研究普遍認為爆破破壞是反射拉應力波與爆生氣體壓力共同作用的結果，即應力波引起最初的巖土體裂隙，隨后爆生氣體滲入裂隙，使其進一步擴展。該理論認為兩者都是引起巖土體破壞的重要原因，特別是在介質破壞過程的不同階段起著重要作用[2]。

當新建隧道與既有隧道間距較小，既有隧道位于新建隧道爆破壓應力波影響范圍內，新建隧道必須考慮可能產生的、對相鄰既有隧道的不利影響[3]。新建隧道與既有隧道的空間位置、隧道間距等都是影響既有隧道安全性的重要因素。兩者的空間位置分成兩類：相交和平行。其中,兩者空間相交時，爆破對既有隧道產生影響的區域面積較小。在垂直相交的情況下，影響的區域面積最小。兩者空間平行時，影響的區域面積較大，既有隧道的整個迎爆面均為影響區域面。因此，新建隧道與既有隧道走向平行時是比較復雜和不利的情況。尤其兩者走向上下平行時，既有隧道的襯砌結構應力還會隨著上方新建隧道巖土體卸載而發生變化，相互響應機制更為復雜。基于某平行于下方既有隧道的礦山法隧道施工進行爆破影響性分析與評價。

2 工程概況

在福泉高速連接線拓寬工程中，某新建隧道與福州地鐵某區間隧道走向近似平行，新建隧道位于既有地鐵隧道上方。新建隧道為單洞隧道，隧道埋深3.2m，全長305m，采用礦山法施工。新建隧道在隧道進口FDHK4+775 處，隧道埋深4.4m，與既有隧道凈距約18.6m；在隧道洞身FDHK4+900 處，隧道埋深17.1m，與既有隧道凈距約19.6m；在隧道出口FDHK5+060 處，隧道埋深3.2m，與既有隧道凈距約17.3m。新建隧道出口處與既有隧道間距最小，以隧道出口處作為分析的重點，研究新建隧道爆破對既有隧道的影響,兩者橫剖面關系圖如圖1所示。

圖1 新建隧道出口處與既有隧道橫剖面關系圖

新建隧道所處山體屬剝蝕殘丘地貌，山體呈圓緩形。地鐵隧道底部位于中風化花崗巖地層中，出口段的圍巖等級為Ⅴ級。新建隧道進出洞口Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段長為93m，采用CD 法施工，單次循環炮眼深度控制在100cm 左右，設計進尺為80cm，炮眼直徑采用φ38～42mm，各道工序間隔300～500cm。

根據《爆破安全規程》（GB 6722—2014）中爆破振動安全距離公式，最大單響裝藥量計算公式如下：

式（1）中：V——安全允許振速取2.5cm/s；K——堅硬巖取150；a——堅硬巖取1.4；R——爆破振動安全距離為18.3m（取洞頂離爆破點的距離）；Q——爆破時最大一段的藥量（kg）。

根據式（1），可求得Q= 0.95kg。因此，該工程單次爆破最大裝藥量為0.95kg。

3 平行近距爆破對既有隧道的影響分析與評價

采用MIDAS GTS NX 有限元程序，建立三維有限元模型。在建隧道與既有隧道的最小凈距位于出口段，以出口段為主要研究對象建立模型，分析討論：在新建隧道出口段兩隧道距離最小處爆破時，既有隧道影響區域范圍內的速度響應及應力響應；在新建隧道不同位置爆破時，既有隧道的速度響應以及出口段距離最小處速度響應規律。

3.1 計算假設

其一，不考慮結構面的影響，假設巖土體為連續、均勻的介質。

其二，爆破荷載簡化成作用在隧道襯砌壁上的均布荷載，作用方向垂直于洞壁。

3.2 計算模型

新建隧道與既有隧道走向近似平行，兩者于新建隧道出口處凈距最小。通過考慮該工程的影響范圍，并根據實際地形地貌條件，建立120m×100m×75m 的三維有限元模型。在模型設置中，巖土體視為理想彈塑性體，采用四面體實體單元模擬；既有隧道及新建隧道襯砌均按各向同性彈性材料考慮，采用三角形板單元模擬。三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

3.2.1 巖土體物理力學計算參數

巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體的物理力學參數

3.2.2 邊界條件

模型邊界條件主要考慮兩個動力邊界條件：特征值分析的彈性邊界和時程分析的黏彈性邊界。

（1）特征值分析的彈性邊界

地表定義為自由邊界，其余各面邊界通過曲面彈簧定義為彈性邊界。各面法向基床系數取《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）中推薦的圍巖彈性抗力系數，切向基床系數取值為零。

（2）時程分析的黏彈性邊界

在動力分析過程中，基于單側波動概念的黏彈性邊界，既可以約束動力問題中的零頻分量，也可以模擬人工邊界外半無限介質的彈性恢復性能。采用黏彈性邊界作為時程分析的邊界條件，具有良好的穩定性和較高的精度。

3.2.3 爆破荷載

MIDAS GTS NX 中爆破荷載采用美國National Highway Institute 提及的公式，計算得到爆破發生時的最大爆破壓力。每kg 炸藥的爆破壓力公式如下[4]：

式（2）～（3）中：Pdet——爆破壓力（kPa）；Ve——爆破速度（cm/s）；ρ——炸藥比重（g/cm3）；PB——孔壁面上壓力（kPa）；dc——火藥直徑；dh——孔眼直徑。

而實際上，作用于孔壁上的爆破壓力并非常數，而是隨著時間變化，通常用指數型的時間滯后函數來表達。參考類似的工程實際以及相關的計算內容，計算采用的時程動壓力公式如下[5]：

式（4）中：B=16338，為荷載常量。

以上各式中，炸藥爆速取值為200000cm/s，密度為1g/cm3，假定為耦合裝藥，可得dc=dh。通過計算，每kg 炸藥產生的最大爆破壓力PB=20.9MPa，加載到峰值壓力的升壓時間約為6ms。

3.3 結果分析

根據計算結果，分別對不同爆破位置的情況進行探討：

其一，爆破1 位置位于新建隧道出口段FDHK5+060 處，即新建隧道與既有隧道凈距離最小處，分析既有隧道影響區域范圍內的速度響應及應力響應。

其二，以爆破點1 為起始點，沿新建隧道走向，每間隔15m 設置一個爆破點，分析不同爆破點爆破時既有隧道的速度響應，以及不同爆破點爆破時，對爆破點1 位置對應的既有隧道的速度響應。

3.3.1 位置1 結果分析

（1）速度響應分析

提取0.10s 時間下既有隧道的速度響應云圖見圖3。

圖3 既有隧道速度響應云圖

從圖3 可知，既有隧道振速最大值為0.068cm/s，位于新建隧道起爆位置附近，隧道拱頂部位振速最大。隨著時間推移，隧道振速急劇增大而后緩慢減小，受爆破振動影響的區域逐漸擴大，影響逐漸減小。

（2）應力響應分析

對應于響應時間0.10s 時，既有隧道振速最大，隧道襯砌受到最大剪應力及最大主應力作用。提取既有隧道襯砌的最大剪應力和最大主拉應力分別為43.39kPa 和76.69kPa，小于C25 噴射混凝土的抗剪、抗拉強度。既有隧道襯砌受到爆破荷載作用的抗拉和抗剪強度均在安全范圍之內。

3.3.2 不同爆破位置結果分析

（1）以爆破位置1 為起始點，沿新建隧道走向，每隔15m 設置一個爆破點，分析各個爆破位置在時間為0.10s 時，既有隧道的最大速度響應，見圖4。

圖4 不同爆破位置引起的結構最大振動速度響應曲線

從圖4 分析可得，既有隧道與新建隧道兩者之間距離是重要的影響因素之一。隧道走向近乎上下平行時，單點爆破均會引起下方既有隧道產生較大的振動速度。上下平行隧道間距變化不大，前后爆破位置引起的最大振動速度變化不大，振動速度最大值位于兩者距離最小處。因此，上下平行隧道近距離施工時，需全線嚴格控制前后爆破的時間差、爆破進尺、單次爆破量等因素，避免引起下方既有隧道的振動疊加，造成既有隧道結構的破壞。

（2）分析各個位置爆破在時間為0.10s 時，爆破位置1 處既有隧道的速度響應，如圖5所示。

圖5 各個位置爆破時，位置1 處既有隧道速度響應曲線

從圖5 可以看出，當爆破點位于位置1 正上方時，既有隧道速度響應最大。隨著爆破點與其距離增大時，位置1 處結構的速度響應逐漸減小。

綜上所述，新建隧道與既有隧道上下平行建設時，新建隧道于不同的位置爆破，既有隧道均會受到較大的影響，其中爆破點正下方的隧道結構振動速度最大，應力最大，受影響最大。兩隧道間距是影響既有隧道結構安全性的重要因素之一，間距越小處，既有隧道結構的振動響應越大。因此，制定合理的爆破方案，可以降低既有地鐵隧道的結構振動速度，減小結構受力情況，確保了既有結構的安全性。

4 結語

新建隧道與鄰近既有隧道上下平行時，既有隧道受新建隧道爆破影響的范圍大，新建隧道全線施工爆破均會對下方隧道產生影響。其中影響最大的是兩者凈距最小處。

新建隧道爆破點正下方的既有隧道結構振動速度最大，應力值最大。隨著時間增大，傳播距離變大，應力波對既有隧道產生的影響逐漸減弱。

上下平行近接爆破施工的隧道，需全線采取有效的措施，降低爆破荷載的峰值壓力，減小爆破擾動。在整個建設過程中，特別是在隧道出口段、入口段等對既有隧道影響明顯的位置處施工時，必須嚴格控制前后爆破的時間差，加大相鄰雷管段的段位差，控制單次爆破量等，降低爆破產生的最大振速，避免振動疊加，導致結構受損。

在實際的工程中，爆破振動效應受諸多因素影響，而數值分析根據假設條件做了一定的簡化。因此，在數值分析的結論基礎上，還應加強現場監測，根據實際的監測數據及時調整，保證既有隧道的結構安全。