新建鉆爆隧道上跨既有隧道的爆破方案評估與優化

明勝，楊龍，袁超

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎設施建設的快速發展，鐵路以及公路隧道的建設在我國西南等多山地區越來越普遍，由此帶來新建隧道與鄰近既有隧道相互位置關系所帶來的施工安全性問題。由于山嶺隧道多采用鉆爆法開挖，在新建隧道的爆破開挖過程中容易對鄰近既有隧道的結構產生破壞，從而對隧道的運營產生威脅，因而如何對爆破開挖的影響進行分析并進一步控制優化爆破方案就顯得尤為重要。目前國內外學者主要通過現場監測、理論分析以及數值模擬等方法對隧道爆破開挖下鄰近既有隧道的動態響應問題進行研究[1-3]。隨著計算機技術的發展，有限元、有限差分等方法被廣泛運用于工程實際的研究分析，文中通過構建三維有限元數值計算模型，分析隧道爆破開挖時，鄰近隧道的振動響應，并根據計算結果對爆破方案進行優化，以滿足隧道的振動安全要求。

1 工程概況

某新建隧道全長675m，擬全線采用鉆爆法開挖，路線上跨既有鐵路隧道，最近垂直距離僅9.9m，新建隧道的爆破開挖勢必對既有隧道的安全存在顯著的影響，因而需要對新建隧道的爆破開挖對既有隧道的影響進行評估。若既有隧道所受影響過大，則須對爆破方案進行相應的優化，以滿足全線采用鉆爆開挖方案的要求，提高工程的經濟性。隧道平面位置圖，如圖1 所示。

圖1 隧道平面位置圖

2 爆破方案

隧道爆破為配合新奧法施工方案，依據巖石裂隙發育程度、軟硬等情況，分別采用全斷面、臺階法開挖方法，并對周邊孔進行光面爆破。隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖的開挖采用光面爆破，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的開挖采用控制爆破，盡量減少對圍巖的擾動；Ⅱ級、Ⅲ級圍巖段采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用臺階法施工。明洞與暗洞交接處7m 范圍開挖至隧道上斷面標高，作為隧道進洞施工平臺。在隧洞進出洞口處的明挖部分依據地質報告主要為巖土風化層采用機械開挖。

爆破采用氣腿式風鉆打孔，炮孔直徑42mm，周邊孔（預裂爆破炮孔和光面爆破炮孔）采用間隔裝藥，即將炸藥卷按設計間隔距離捆梆在竹片（條）上并全長貫穿導爆索，孔底略增加藥量，采用正向起爆。其余炮孔均采用連續不耦合裝藥，（必要時可采用耦合裝藥），采用反向起爆，并采用孔內延期。

現場爆破炮孔布置如圖2 所示，主要爆破參數如表1 所示。

圖2 炮孔布置示意圖（單位：mm）

表1 爆破參數

3 新建隧道爆破開挖對既有隧道影響的數值模擬分析

3.1 數值模型

隨著計算機技術的飛速發展，數值分析方法已成為求解科學技術問題的主要工具。近幾十年來，有限單元法的應用已由平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力學平衡問題擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學，傳熱學等連續介質領域。分析采用有限元分析法，建立1:1 隧道三維數值模型，探究新建隧道鉆孔爆破作用下，臨近既有隧道的圍巖動態響應及振動特征。

模型尺寸為420m×240m×100m（長×寬×高），如圖3 所示，包含新建隧道與既有隧道的典型區段，模型采用實體單元solid164 建立，共劃分80 萬單元，單元最大尺寸10m，最小尺寸0.5m。

圖3 隧道實體模型

進行動力計算時，達到靜力平衡后將速度場清零，模型頂面設置為自由邊界，地面為法向約束邊界。其余側面均設為粘滯無反射邊界。粘滯邊界是通過在邊界的垂直方向和水平方向上設置獨立粘壺以吸收模型內部的入射波。

3.2 計算參數

3.2.1 材料模型與參數

由于不考慮爆破對巖體近區的爆炸破壞效應，模型采用線彈性本構關系來描述巖體和混凝土的力學行為，模型范圍內巖體風化強烈，根據平洞揭示，均為V 級圍巖。各類材料物理力學參數如表2 所示。

表2 各類材料物理力學參數

3.2.2 爆炸荷載模擬

在動力計算中，動荷載的輸入可以采用加速度時程、速度時程、位移時程、應力時程4 種方式。為預測真實爆炸荷載作用下既有隧道的影響，爆炸荷載采用真實爆炸壓力時程作用荷載，爆炸荷載作用于同排炮孔連線上。

不考慮雷管巖石誤差的情況下，炮孔遠區的單炮孔爆炸荷載作用時程曲線更為接近三角形荷載作用曲線，如圖4 所示，根據大尺寸混凝土材料的爆破試驗結果[4]，當炮孔直徑為42mm，乳化炸藥藥卷直徑為32mm 時，炮孔外在碎裂/完整臨界界面上，裝藥長度為1m 左右時，爆炸荷載的加載時間大致為0.3ms，卸載時間大致為1.2ms，荷載峰值大致為60MPa。

圖4 炮孔連線作用面上爆炸荷載作用模型

根據爆破設計方案，隧洞采用臺階法分三步開挖。一般而言，爆破振動的大小與最大單段藥量有關，而分步開挖輪廓面上炮孔數量最大，總的炮孔裝藥量最多，為模擬爆破產生的最大影響，可將爆炸荷載分多次分別垂直施加在隧道斷面的不同位置，每次荷載間隔時間500ms，以減少不同段別炮孔的相互影響，荷載作用如圖5 所示。

圖5 爆炸荷載作用位置

根據爆破方案，采用單次掘進1.5m 進尺，1.6m 孔深，爆炸荷載強烈影響深度約為1.8m，第一次起爆（MS1）加載斷面輪廓線長度約為6.2m，第二次起爆（MS2）加載截面輪廓線長度約為14.5m，第三次（MS3）加載界面輪廓線長度約為21.6m，第四次（MS4）加載截面輪廓線長度約為16.3m，第五次（MS5）加載截面輪廓線長度約為11.4m。根據炮孔間距及單孔與單孔藥量考慮，第一次起爆藥量約為8.8kg，第二次起爆藥量約為17.6kg，第三次起爆藥量約為18.6kg，第四次起爆藥量約為15.8kg，第五次起爆藥量約為11.0kg。

3.2.3 既有隧道測點布置

新建隧道爆破開挖時，兩隧道平面交叉位置距離最近，平面最近距離約為9.9m，既有隧道所受影響最大，故選取此典型斷面既有隧道的圍巖及襯砌相關測點進行監測，對既有隧道的動態響應進行分析，并對爆破施工方案進行優化控制，得到全段隧道爆破方案優化設計。既有隧道襯砌監測點布置如圖6 所示。

圖6 既有隧道典型斷面測點布置

4 原爆破方案下既有隧道圍巖動態響應

4.1 洞壁測點振動速度特征

相關研究表明，隨著地震波的傳播，質點振動主頻在逐步衰減[5]，項目由于既有隧道離爆破位置較近，實際主頻大于50Hz，根據《爆破安全規程》的規定，安全允許的質點振動速度最大不超過20cm/s。

既有隧道典型斷面襯砌測點在爆破地震波到達后，測點出有限元節點的X，Y，Z，3個方向的速度迅速增大，并達到峰值。隨后經多次振動后發生衰減，爆破荷載施加結束0.2s 后，襯砌的質點振動速度衰減至0左右。既有隧道振動數據如表3 所示。

表3 爆破時既有隧道典型斷面處襯砌振動速度 cm/s

計算結果表明，既有隧道典型斷面不同測點處的單個方向的質點振動速度峰值約為1.52～40.78cm/s，垂直方向振動速度最大。該典型斷面處的爆破振動速度已超過規范規定的最大值，采用原爆破方案進行鉆爆施工極易對既有隧道襯砌產生破壞，故應對原爆破方案進行優化，適當降低最大單段藥量，必要時采用非爆破開挖。

新建隧道上跨既有隧道時，爆破開挖左右下，既有隧道洞頂襯砌所受影響最大，質點振動速度最大可達40.78cm/s，同時，其振動速度的全歷程演化與爆破開挖階段緊密相關，掏槽孔爆破時，質點振動速度最小，隨著臺階爆破的進行，爆破藥量逐漸增大，使得質點振動速度越大，下部巖體及底部巖體由于距離既有隧道較近，其影響也更為顯著。根據圖7 的3 號測點質點振動速度的演化規律，質點反向速度大于正向速度，即質點向隧道內部的振動速度更大，外部由于圍巖的限制左右，相對振動速度較小。

圖7 3 號測點質點振動速度時程曲線（z 方向）

4.2 隧道襯砌應力應變分析

新建隧道爆破過程中，隨著離既有隧道的距離逐漸減小，并伴隨著炸藥當量的逐漸增大，既有隧道襯砌頂部峰值應力應變逐漸增大，在底孔（MS4）爆破時取得最大值，最大拉應力為0.32MPa，最大壓應力為0.4MPa，最大拉應變值為24.93με，最大壓應變為13.73με，應力應變曲線形態上保持同步，隨著爆炸荷載的作用，襯砌應力應變迅速增大至最大值，然后相對緩慢震蕩直至歸零。在性質上，整個爆破過程中，壓應力峰值大于拉應力峰值，但拉應變峰值大于壓應變峰值，且應力應變的演化趨勢與振動速度保持一致，兩者存在協同效應，如圖8 所示。總體而言，整個爆破過程中，既有隧道襯砌的動態應力應變值均低于混凝土的極限強度，既有隧道不存在結構性的破壞。

圖8 原爆破方案下3 號測點應力應變時程曲線

5 優化方案下既有隧道圍巖動態響應

根據原爆破方案，兩隧道距離最近點出的計算結果，襯砌結構上的最大振動速度到了40.78cm/s，因此采用原設計方案時，無法滿足兩隧道交叉段的爆破振動控制要求。因此需要通過對爆破方案進行優化，使得整個隧道均可以采用爆破方式開挖，提高效率，節約成本。

相關研究表明，隧道爆破振動主要與爆破時最大單段藥量有關，故爆破方案的優化要點在于最大單段藥量的控制。經驗算，同時起爆炮孔數目為4個時，即最大單段起爆藥量為3.2kg 時，爆破振動可控制在規范規定范圍內，優化爆破方案下既有隧道襯砌振動速度如表4 所示。

表4 既有隧道典型斷面襯砌振動速度cm/s

圖9 優化方案下3 號測點質點振動速度時程曲線

同時，在全歷程的鉆孔爆破過程中，最大拉應力為0.15MPa，最大壓應力為0.17MPa，最大拉應變為10.81με，最大壓應變為8.09με，相比較原方案均有顯著的降低，同時在應力應變時程曲線上，表現為多段小峰值波形的疊加，曲線相對平滑，應力應變曲線在形態上依舊保持較好的同步性，最大壓應力大于最大拉應力，最大拉應變依舊大于最大壓應變，表明在應力應變演化趨勢上與原爆破方案一致，但應力應變與振動速度的協同性有所降低，表現為應力應變的最大值與振動速度最大值出現的時間與位置的差異，如圖10 所示。整體上在控制最大單段藥量的優化爆破方案下，進一步減小了爆破過程中的應力波，新建隧道對既有隧道圍巖的影響得到了有效控制。

圖10 優化爆破方案下3 號測點應力應變時程曲線

6 結語

基于有限元數值模型計算，對項目新建隧道鉆爆法開挖對鄰近既有隧道的影響分析，得出以下結論：

（1）當采用原鉆爆法方案開挖時，既有隧道襯砌振動速度最大可達40.78cm/s，超過了規范規定的最大值，會對既有隧道產生損傷，若隧道全段擬采用鉆爆法開挖，則需對原爆破方案進行優化。

（2）根據數值模擬測算，在裝藥結構及單孔藥量不變的情況下，當采用單段炮孔數量為4個，最大單段藥量為3.2kg 的優化爆破方案時，爆破振動速度最大值約為15.94cm/s，滿足規范規定的振動速度最大值，其對隧道的影響在可控范圍內。

（3）隨著交通運輸事業的快速發展，當采用鉆爆法進行隧道施工時，新建隧道對既有隧道的影響可通過數值模擬計算等方式對爆破方案進行評估以及優化，以滿足經濟性和安全性的要求。