無中墻連拱隧道后行洞施工工法及爆破振速預測研究

李 波 趙 亮 姜成業

(云南交投集團公路建設有限公司1) 昆明 650100)(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室2) 武漢 430071)

0 引 言

基于單洞法的無中墻連拱隧道因其結構形式占地面積小、空間利用率高、不再考慮出口路基分幅等優勢[2]在越來越多的地區得到應用，但因其后行洞緊鄰先行洞的特殊結構形式，會造成先行洞襯砌結構開裂、漏水甚至塊體掉落等病害[3]，將嚴重影響工程進度，甚至威脅隧道運營期安全.

針對已有連拱隧道設計及施工出現的一系列問題，已有學者做出了相應研究.在連拱隧道施工工法研究方面，李玉文等[4]結合施工安全、結構受力等各方面的對比分析結果，提出了不同類型的中墻形式并對其適用條件作出了說明；賈永剛等[5]基于采用兩導洞法和三導洞法的連拱隧道施工力學行為對比分析結果，總結了兩種工法的關鍵施工工序及注意事項；丁文其等[6]針對淺埋大跨度隧道運用有限元方法對不同的施工方法進行分析，為施工方案的優化提供了思路；時亞昕等[7]結合三維有限元模型分析結果，通過總結淺埋偏壓連拱隧道中墻受力規律提出了合理中墻形式.在隧道施工爆破振動控制技術研究方面，王仁濤等[8]針對淺埋偏壓隧道爆破施工對周圍建筑物產生振動影響的問題，提出了減小單段最大藥量，合理布置炮眼間距的爆破施工方案；王海龍等[9]為了減小隧道施工對既有隧道爆破的振動影響，結合具體工程案例提出了優化三段式爆破施工方案；閆鴻浩等[10]為了減小爆破振速，針對具體工程案例采用了配置減震孔和藥孔內外微差起爆的方法，降低了施工爆破的影響.

上述研究大多是針對有中隔墻的結構形式，相比本文所提及的基于單洞法施工的無中墻連拱隧道結構形式施工工法有很大不同.文中以具體工程案例為依托，采用數值計算方法對兩種后行洞施工方案進行靜力學對比分析，并運用動力學分析方法對爆破施工方案下的爆破振速進行預測.

1 工程概況

某高速公路起于普洱市墨江縣，全長約246 km，項目按全封閉、全立交高速公路標準建設，雙向四車道，路基寬度25.5 m.該高速公路是西部開放省份打通東南亞大市場的主要交通骨干線之一.

本研究所依托工程為該高速公路建設的重要控制性工程—1號隧道工程.隧道穿越區海拔高程介于1 214.08～1 250.34 m，相對高差36.26 m，屬中切割中山地貌區.根據地質調查揭露結果，隧道區內主要地層為第四系坡殘積層、白堊系下統曼崗組地層.隧道圍巖以碎石土、粉砂巖、石英砂巖為主，呈強～中風化，中厚層狀構造，節理裂隙發育，巖體破碎，多呈碎石狀體結構，圍巖分級為Ⅳ級；巖體富水性較強，隧道開挖時可能存在較大量的滴水、滲水等現象.

2 施工工法的靜力學仿真

2.1 計算模型的建立

選取1號隧道IV級圍巖處一個斷面進行分析研究，埋深31 m.計算邊界左右側分別取6倍洞徑巖體，上部取至地面，下部取3倍洞徑的巖體[11].幾何模型尺寸見圖1.

圖1 幾何模型示意圖

根據現場鉆孔資料獲取的地層信息，將隧道周邊巖土體分為3種材料，從上至下依次為：黏土、強風化粉砂巖和中風化玄武巖.網格采用六面體和五面體單元，共劃分網格單元28 564個，網格模型見圖2.

圖2 網格模型示意圖

2.2 計算方案及參數選取

基于地層結構模型，采用有限差分法開展不同工法下隧道開挖數值模擬.模擬中圍巖考慮為各向同性材料，初始應力僅考慮自重應力，由于埋深相對較淺，不考慮構造應力及溫度應力的影響[12].模型左右邊界設置為水平約束，底部為豎直約束，頂部為自由面.計算過程中將超前支護措施通過提高洞室周邊圍巖參數來簡化，初襯及二襯結構采用實體單元進行模擬.巖體開挖后應力釋放70%，初襯施作后應力全部釋放[13].數值計算結構參數見表1.

表1 數值計算物理力學參數表

2.3 不同施工工法的施工模擬步驟

本次模擬考慮后行洞兩種不同的施工工法，先行洞模擬采用三臺階法而后行洞分別采用雙臺階預留核心土法和CD法.左幅隧道采用三臺階法，施工步驟見圖3.

圖3 施工步驟示意圖

2.4 數值計算成果及分析

圖4為不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖.由圖4可知:兩種工法下隧道洞身及圍巖的位移分布規律相似，最大沉降均在后行洞洞頂位置；洞底有回彈現象，兩種工法下洞底回彈量相差不大；臺階留核心土法施工相比CD法施工產生的洞頂沉降較大,為9 mm.

圖4 不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖(單位：m)

圖5為隧道周邊圍巖塑性區分布圖.由圖5可知:先行洞開挖在隧道圍巖的腰部及底部產生了部分塑性區；后行洞的開挖加劇了已有圍巖的塑性區，并在后行洞的腰部和底部產生了塑性區；后行洞采用臺階留核心土工法施工產生的塑性區體積相比后行洞采用CD工法施工產生的塑性區體積較大.

圖5 隧道周邊圍巖塑性區分布圖

圖6～7為隧道周圍巖體最大和最小主應力分布云圖.由圖6～7可知:采用臺階留核心土法產生的最大壓應力為5.6 MPa，CD法為4.4 MPa，均在拱底交接處；采用臺階留核心土法，先行洞拱底左側有局部拉應力，最大拉應力約為 0.56 MPa，而采用CD法，先行洞拱底左側和右側均有局部拉應力且主要集中在右側，最大拉應力約為0.78 MPa.

圖6 隧道周圍巖體最大主應力分布云圖(單位：Pa)

圖7 隧道周圍巖體最小主應力分布云圖(單位：Pa)

圖8～9為隧道初襯最大和最小主應力分布云圖.由圖8～9可知:臺階留核心土法和CD法產生的最大壓應力分別為7.61 MPa，6.43 MPa，均在拱腰搭接處；最大拉應力分別為3.56 MPa，2.06 MPa，均在先行洞支護結構拱腳處.

圖9 隧道初襯最小主應力分布云圖(單位：Pa)

3 施工工法的爆破振速預測

3.1 計算方案

數值模擬分為靜力分析和動力分析兩部分.動力分析時，去除靜力分析模型的原有靜力邊界條件，并且施加吸收邊界[14].

3.2 爆破荷載的確定

爆破荷載的波形主要有三角形函數型、指數形函數型和諧波函數型，三角形函數型是最為常用的一種荷載波形.在這種荷載波形中，認為在巖土介質中每一個質點的爆炸壓縮波都將呈三角形函數荷載形式，在經過荷載峰值過后，便會急劇衰減，此后便按衰減的波型繼續傳播，并繼續衰減直至減小到零，爆破時程曲線見圖10.

圖10 三角形爆破荷載加載曲線

由于爆破機理及現場影響因素的復雜性，目前常根據經驗公式來計算爆破荷載峰值[15]，經驗公式為

式中：pmax為爆破峰值荷載，kPa；Z為比距離；R*為荷載作用面至裝藥中心的距離，m；Q為裝藥量，kg.依據施工擬定的爆破方案計算得到爆破峰值為5.12 MPa.而對于廣泛運用的三角形荷載模型，爆破荷載的加、卸載時間大多按文獻[16]中所述方法計算，其中：

上升時間，

總作用時間，

根據爆破方案，上升時間t1=45 ms，總作用時間t2=553 ms.

3.3 結果分析

在隧道后行洞施工過程中，為保證先行洞結構體的安全，應當將其振動峰值速度降低在《爆破安全規程》規定的安全范圍之內.對于交通隧道，規定安全振動速度應小于15 cm/s.因此，在本次計算中先行洞二次襯砌的峰值振動速度是研究的核心.通過模型中爆破荷載對后行洞的施加，可得到先行洞二次襯砌的響應結果，包括初期支護水平和豎直方向的峰值速度，并繪制出先行洞洞壁各個關鍵點振動速度時程曲線圖.監測點分布圖及速度曲線圖見圖11.

圖11 監測點示意圖

圖12～13為臺階留核心土法和CD法爆破監測.

圖12 臺階留核心土法爆破監測

圖13 CD法爆破監測速度

由圖12～13可知：中墻附近的監測點速度較大，遠離中墻的監測點速度較小；由于臺階法和CD法施工工法的不同，爆破荷載作用面不一致，因此速度差異較大；在豎直方向，臺階法爆破產生的最大監測速度為5 cm/s，CD法爆破產生的最大監測速度為4 cm/s；在水平方向，臺階法爆破產生的最大監測速度為7 cm/s，CD法爆破產生的最大監測速度14 cm/s.

4 結 論

1)兩種工法下隧道拱頂沉降最大處均在后行洞拱頂位置，這與地形偏壓造成后行洞承受較大的圍巖荷載有關，此外先行洞施工造成右側圍巖松動對此也有影響.

2)數值計算結果顯示后行洞采用CD法施工相比采用雙臺階預留核心土法施工圍巖塑性區體積有所減小，圍巖及支護結構最大壓應力和最大拉應力也有所減小，說明CD法相比雙臺階預留核心土法更利于施工安全.

3)采用施加爆破荷載的方法預測先行洞支護結構監測點爆破振速是可行的，結果表明兩種工法下爆破振速均在相關規范規定的范圍之內.