盾構隧道聯絡道爆破施工優化

楊 波， 王海亮， 褚夫蛟， 周 勇， 肖景鑫， 張 棟

(1.中鐵二局集團成都新技術爆破工程有限公司， 成都 610031； 2.山東科技大學安全與環境工程學院， 青島 266590；3.山東理工大學資源與環境工程學院， 淄博 255000； 4.武漢理工大學資源與環境工程學院， 武漢 430070)

隨著經濟的快速發展，中國基礎設備建設進入高速發展階段，地下隧道的建設也越來越多，但是在隧道建設過程中，盾構隧道聯絡道爆破施工不可避免的會對既有隧道造成不良影響，甚至造成隧道的變形、失穩等情況[1-2]，引起了中外學者的廣泛關注。Zhao等[3]采用現場監測和數值模擬結合的研究方法對鄰近隧道爆破振動對既有隧道影響進行試驗和數值研究。Yu等[4]提出了爆破施工引起的既有隧道振動的監測方案，根據爆炸振動的現場監測數據，總結了三種爆炸振動不同方向傳播的爆炸振動波的頻譜變化特性。楊建群等[5]通過連續-非連續數值計算方法(distinct lattice spring model， DLSM)計算軟件進行數值模擬計算，分析水平層狀巖體隧道中爆破施工對臨近隧道的影響。林立宏等[6]通過數值模擬和現場試驗對比爆破隧道與鄰洞隧道振動響應差異性研究爆破作用下鄰洞隧道振動響應特征及衰減規律。劉趕平[7]采用現場監測與數值模擬相結合的方法，通過對主洞開挖爆破作用下主洞及鄰近斜井支洞圍巖中的爆破振動速度響應特征進行分析得出主洞與斜井交匯區域振動速度不隨著爆心距的增加而減小，而是出現小幅的增大。劉敏等[8]通過數值模擬的方法研究了爆破對小凈距隧道支護結構的影響，得到了不同隧道結構的震動、應力的動態響應情況。程平等[9]亦采用了數值模擬的方法研究了在隱伏巖溶區爆破開挖對小凈距隧道施工安全的影響，獲得了爆破振動效應下圍巖的應力及位移情況。

以上研究為隧道爆破的穩定性影響的研究提供了很好的基礎，但是這些研究大都是新建隧道施工對現有隧道、臨近隧道的穩定性的影響，但是聯絡道爆破施工對隧道的穩定性影響也比較大，現結合青島市某線地鐵盾構隧道聯絡道爆破開挖工程，根據盾構隧道與聯絡道空間位置關系及圍巖特點優化爆破開挖方案，利用有限元軟件建立隧道型，模擬爆破掌子面與盾構隧道右洞管片0距離接觸的極限狀態下，管片的動態響應情況，以此驗證采用此方案的安全性。

1 項目概況

青島市地鐵8號線大洋站～青島北站區間連接北岸紅島高新區和青島東岸城區，穿越膠州灣海域。其中海域盾構段2.9 km(泥水盾構施工)，爆破施工包含6～8號聯絡通道，爆破作業段位于海域，平均水深4～8 m變化，爆破周圍及地面無建(構)筑物、管線等重點保護對象。作業部位高程約-40 m，其上覆巖層主要為凝灰巖，巖層上覆蓋層數不等的中粗砂、泥質粉質黏土、淤泥等。

在聯絡道開挖初期，對開挖端隧道進行了管片切割，先進行矩形小斷面的開挖方式，以減小爆破對管片的沖擊，繼而矩形斷面擴挖至拱形斷面。以8號聯絡道為例，聯絡道從盾構隧道左洞始挖，其拱形斷面高4.9 m，寬4.5 m，爆破設計如圖1所示，相關爆破參數如表1所示。

表1 聯絡道爆破參數

數字為起爆雷管段別

聯絡道爆破施工時，由于爆破施工部位離隧道盾構安裝的管片較近，爆破沖擊很大程度上會導致管片失穩，為了降低對管片所造成的損失和減少管片位移，需對爆破網路及參數進行優化。為降低爆破荷載對圍巖的沖擊作用，從減小最大一次齊爆藥量的角度出發，對8號聯絡道爆破方案進行優化，將桶形掏槽調整為漸進式螺旋掏槽，并增加崩落眼的延時間隔數量，爆破方案優化后如圖2所示，相關爆破參數如表2所示。

表2 優化后聯絡道爆破參數

數字為起爆雷管段別

為了解聯絡道開挖對盾構隧道管片的影響，掌握優化后的爆破方案所取得的有益效果，需對爆破施工進行數值模擬研究，對比得到2種爆破方案下，盾構隧道對聯絡道爆破荷載作用的動態響應情況。

2 數值模擬

2.1 模型建立

數值模擬8號聯絡道爆破開挖情況，為得到爆破方案優化前后的盾構隧道管片動態響應情況，建立完整的隧道右洞管片模型，模擬爆破掌子面與盾構隧道右洞管片0距離接觸的極限狀態下，管片的動態響應情況。根據聯絡道與盾構隧道的關系以及所在區域的地質情況，結合隧道管片結構及配筋設計資料，建立有限元模型如圖3所示，并劃分網格，模型尺寸為35 m(長)×30 m(寬)×22 m(高)，除隧道外模型介質均為微風化凝灰巖，建模所用材料參數如表3所示。

圖3 有限元模型

表3 模型所用材料參數

2.2 荷載設置

2.2.1 上覆靜荷載

8號聯絡道上部除微風化凝灰巖外還有中粗砂、粉質黏土、淤泥及海水，根據地質剖面圖及各層位介質的厚度、密度，通過公式P=ρgh計算得到模型上覆荷載為626.416 kPa，其中，P為荷載；ρ為介質密度；g為重力加速度；h為介質厚度。

2.2.2 爆破動荷載

目前對隧道爆破振動影響的研究中，關于爆破沖擊荷載的相關參數尚無較為完善的方法和理論加以確定。結合前人研究，采用目前應用較為廣泛的三角形荷載方式來模擬爆破荷載時程曲線[10]，最大爆壓計算公式為

(1)

式(1)中：Z為比例距離，Z=R/Q，其中，R為爆心至荷載作用面的距離；Q為最大一次齊爆藥量。

三角形荷載的時間包括上升段時間、總作用時間，其計算公式分別為

(2)

(3)

結合隧道爆破方案，模擬計算聯絡道爆破開挖下的振動響應，由于周邊孔采用不耦合裝藥，會減弱炸藥爆炸對炮孔壁的沖擊，從而降低爆破荷載，因此方案優化前荷載以1.6 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計算基礎，而方案優化后荷載以0.8 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計算基礎，兩種爆破方案模擬采用的爆破荷載時程曲線如圖4、圖5所示，所建荷載均勻施加在開挖輪廓面上。

圖4 聯絡道爆破荷載時程曲線

圖5 爆破方案優化后聯絡道爆破荷載時程曲線

2.3 數值模擬結果

2.3.1 主應力分析

提取爆破方案優化前后隧道右洞管片的最大、最小主應力，如圖6、圖7所示。提取聯絡道開挖輪廓外主應力數據，結果如表4所示。

從圖6、圖7可以看出，當聯絡道掌子面與盾構隧道管片0距離接觸時，在隧道管片上出現了較高的應力集中現象，其中最大主應力主要集中在開挖輪廓附近，而最小主應力主要集中在爆心附近。由于輪廓內管片在聯絡道開挖前后需切除，因此僅對輪廓外的主應力進行分析。從表4中可以了解到，當爆破方案優化后，最大最小主應力的極值均較優化前有了非常大幅度的降低，分別降低了63.45%、36.60%，由于管片混凝土采用C55等級，內置HPB300鋼筋(屈服強度為300 MPa)，由此可知優化后的應力值不會造成管片的整體失穩。而此時開挖輪廓內部應力集中明顯，仍然會導致管片破損。

表4 輪廓外管片主應力最大值

圖7 優化后方案爆破后管片主應力云圖

2.3.2 螺栓應力分析

結合上述結論，提取爆破方案優化前后管片間螺栓的軸向應力。由于管片連接所用螺栓材質均采用316L不銹鋼，螺栓根據《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.6—2014)選擇A4L-80P等級，經查表得到此類螺栓屈服強度最小為170 MPa。以此為參照，獲取不同距離下螺栓爆破響應的安全性。數值模擬結果如圖8所示。開挖斷面輪廓外的螺栓應力情況如表5所示。

從圖8中可以看出，爆破方案優化前后，爆破導致的螺栓應力最大值位于開挖輪廓范圍內，而輪廓外的具有最大應力值的螺栓均位于輪廓同一側。由表5可知，爆破方案優化后，螺栓的動態響應明顯降低，最大應力值由了較打幅度的減小。以螺栓的屈服強度170 MPa為參照，爆破方案優化前，開挖輪廓內外的螺栓均有產生破壞的情況。而爆破方案優化后，位于開挖輪廓內的最大螺栓應力值為98.37 MPa，小于其強度，而輪廓外的最大應力值僅有64.83 MPa。較優化前相比，開挖輪廓內外螺栓應力分別降低了77.23%、72.36%。由此可知，爆破方案優化后，盾構隧道管片整體的連接螺栓均不會發生屈服，管片連接的安全穩定能夠得到充足的保障。

表5 螺栓軸向應力值

圖8 螺栓軸應力云圖

2.3.3 管片位移

提取聯絡道掌子面爆破導致的管片間的接觸位移，模擬結果如圖9所示。

從圖9中可以看出，管片間最大相對位移集中在爆心位置。而爆破方案優化后，聯絡道開挖輪廓內的位移變化不大，約為11.1 mm，而輪廓外的位移明顯減小。提取輪廓外的最大位移可知，采用優化前的爆破方案，輪廓外的最大相對位移為3.6 mm，而方案優化后的位移為2.6 mm，位移減小了27.78%。由此可知，爆破方案優化后，聯絡道爆破對輪廓外管片的擾動有了明顯的降低。

圖9 管片相對位移云圖

3 結論

(1)針對聯絡道爆破開挖影響盾構隧道管片穩定性問題，通過數值模擬軟件，建立聯絡道與盾構隧道管片的關系模型，以聯絡道掌子面與管片0距離接觸作為研究對象，獲取聯絡道爆破開挖方案優化前后掌子面爆破對管片穩定性的影響。

(2)通過數值模擬得到了爆破方案優化前爆炸應力對管片的沖擊應力超過了管片強度，而方案優化后，主應力值降低較明顯，最大降幅63.45%，此時管片的整體穩定性得到了保障。而開挖輪廓內的管片仍然受到了較大的應力沖擊，此時較容易發生破損現象。

(3)提取方案優化前后管片連接螺栓的軸向應力，得到爆破方案優化后，螺栓應力較方案優化前有了非常大的降幅，開挖輪廓內外的螺栓應力分別降低了77.23%、72.36%，降低后的應力均小于螺栓的屈服強度。

(4)對管片間的相對位移進行分析，通過提取的結果可知，方案優化后輪廓內位移依然較大，而輪廓外位移僅為2.6 mm，較優化前降低了27.78%，由此可知管片是相對穩定的。

(5)通過以上分析可以看出，方案優化后管片的穩定性有了較大幅度的提升，由此可知，對于近距離隧道爆破應注意減小一次起爆的炸藥量，爆破設計前應充分考慮到爆炸沖擊對臨近結構的影響，通過數值模擬的方式能掌握爆破的動態響應情況，從而確定合理的爆破參數。