特大水工隧洞下穿交通隧洞質(zhì)點振速控制研究

高巖堂，李有才，李少輝，李通拉嘎

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122）

0 引言

二十世紀九十年代以來,隨著國家經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展,交通與其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到蓬勃發(fā)展,平行、交叉隧道工程增多。當兩條隧道距離比較小時,開挖爆破產(chǎn)生振動的影響和新奧法支護必然引起圍巖應(yīng)力重分布,新建交通隧道在施工時有可能導致既有隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至損壞[1-3]。可見,控制隧道爆破引起的振動對保證順利施工和既有隧道的安全而言十分必要。

隨著社會及城市的發(fā)展,尤其在東南沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,為了滿足生產(chǎn)生活需要,水利工程逐漸增多。在平面和立體布置上,新建水工隧洞與已有的軌道交通、公路、鐵路、礦山等隧洞近距離并行或立體上交叉等問題不可避免,兩者之間的矛盾也日益凸顯[4]。

華東院承建的阮家洋溪分洪隧洞（下穿應(yīng)急段）穿越三條交通隧洞,本文對施工過程中如何有效控制質(zhì)點振速開展研究。

1 工程背景

1.1 工程概述

臨海市阮家洋溪分洪工程（下穿段）項目,主要包括下穿應(yīng)急段分洪隧洞和其施工支洞,見圖1。下穿段分洪隧洞過流斷面為城門洞型,開挖最大斷面尺寸為16.4 m×16.4 m（寬×高）,長500 m,為浙江省在建開挖斷面最大的水工隧洞；為了施工應(yīng)急段而設(shè)的施工支洞,斷面為城門洞型,斷面尺寸為6 m×5 m（寬×高）,長度為424 m。

圖1 阮家洋溪分洪工程下穿段平面布置圖

分洪隧洞段主要為流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r,青灰色夾肉紅色,巖質(zhì)堅硬致密,抗風化能力強,洞室圍巖多為微新巖體,巖體較完整,呈次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主,局部鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu),圍巖以Ⅱ~Ⅲ為主,斷層破碎帶圍巖為Ⅳ類。

本隧洞從已運行的臺金高速長石隧道和正在建設(shè)的金臺鐵路官園隧道下穿布置,隧洞和長石隧道、官園隧道之間巖體凈距分別為24.6 m、30 m,見圖2。特大斷面下穿隧洞開挖爆破對上述隧道的影響是臺金高速管理處、金臺鐵路公司、水利部門、設(shè)計、監(jiān)理、施工等各方關(guān)注重點。

分洪隧洞施工期的開挖爆破控制在要求標準之內(nèi),不能影響長石隧道和官園隧道的長期運行。

1.2 質(zhì)點振速控制難題

施工期對既有隧道位移、爆破振動振速、襯砌開裂等監(jiān)控指標要求高,需兼顧洞室開挖對已建鐵路、公路隧道的影響,尤其是對于爆破振動的監(jiān)測,要按照要求提前布好監(jiān)測點,及時整理分析監(jiān)測數(shù)據(jù),為爆破參數(shù)的適時調(diào)整提供依據(jù)。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）[5]及《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5135-2013）[6]對于水工隧洞開挖爆破質(zhì)點振速的允許值是10 cm/s~15 cm/s,但是臺金高速管理處要求長石隧道的最大質(zhì)點振速不超過6 cm/s、金臺鐵路公司要求官園隧洞的最大質(zhì)點振速不超過4 cm/s。

2 質(zhì)點振速數(shù)值模擬

2.1 質(zhì)點振速計算公式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）第13.2.4條款[5],爆破振動安全距離如下式：

反推安全距離內(nèi)爆破質(zhì)點振度如下式：

式中：R為爆破振動安全距離,m；V為保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速,cm/s；Q為炸藥量,齊發(fā)爆破時取總裝藥量,分段起爆時取最大段裝藥量,kg；K、a為與爆破點地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的地質(zhì)系數(shù)和地震波衰減指數(shù)。

長石隧道與分洪隧洞最小垂直距離24.6 m,官園隧洞與分洪隧洞最小垂直距離30 m,R分別取值24.6 m、30 m；根據(jù)分洪隧洞爆破采用分段起爆,單響最大藥量為20.8 kg,Q取值20.8 kg；對分洪隧洞地形、地質(zhì)等條件分析,根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）,K 取值200、a取值1.7。

2.2 質(zhì)點振速數(shù)值模擬計算

分洪隧洞與長石隧道,采用MIDAS有限元計算軟件進行建模,網(wǎng)格劃分采用四面體單元進行自動劃分,共有200057個單元,43082 個網(wǎng)格節(jié)點,計算模型見圖3。根據(jù)設(shè)計最大單響藥量進行爆破質(zhì)點振度計算,長石隧道內(nèi)最大質(zhì)點振速發(fā)生在底板部位,最大值為5.93 cm/s。

圖3 分洪隧洞和長石隧洞整體計算模型示意圖

分洪隧洞與官園隧道,采用MIDAS-GTS有限元計算軟件進行建模,網(wǎng)格劃分采用四面體單元進行自動劃分,共有150308 個單元,40797 個網(wǎng)格節(jié)點,計算模型見圖4。根據(jù)設(shè)計最大單響藥量進行爆破質(zhì)點振度計算,官園隧道內(nèi)最大質(zhì)點振速發(fā)生在底板部位,最大值為3.31 cm/s。

圖4 分洪隧洞和官園隧洞整體計算模型示意圖

3 爆破設(shè)計及優(yōu)化

3.1 爆破設(shè)計

分洪隧洞與長石隧道及金臺鐵路官園隧道段開挖尺寸為16.4 m×16.4 m,分上、中、下三層鉆爆法施工。上層采用中導洞先行、兩側(cè)擴挖跟進的光面爆破施工順序,采用YT-28風動鑿巖機鉆孔；中、下層開挖采用各分左右半幅落底的施工順序開挖,見圖5。

圖5 分洪隧洞應(yīng)急段開挖步驟圖

對長石隧道和官園隧洞振動影響,主要是在上層中導洞的開挖過程中,故分洪隧洞開挖的重難點在上層中導洞的爆破設(shè)計。根據(jù)以往施工經(jīng)驗及數(shù)值模擬計算數(shù)據(jù),上層中導洞爆破設(shè)計見圖6。

圖6 上層中導洞爆破設(shè)計圖

爆破設(shè)計主要參數(shù)如下：總孔數(shù)154 個、最大單響藥量24.0 kg（Ms7 段位主爆孔）、總裝藥量125.7 kg、爆破設(shè)計方量129.4 m3、炸藥單耗量0.971 kg/m3。

3.2 爆破試驗

2019 年1 月20 日,阮家洋溪分洪隧道下游段根據(jù)爆破設(shè)計進行生產(chǎn)性試驗。爆破施工掌子面里程為K1+684.359,與長石隧道最近水平距離為32 m。本階段爆破振速監(jiān)測最大點為臺向BC3,最大振速值為3.150 cm/s,實測最大振速在安評報告（＜6.0 cm/s）的控制范圍之內(nèi)。

臺向BC3 點的最大振速發(fā)生在Ms7 段位的炸藥爆破時,振動波形圖見圖7。

圖7 臺向BC3點的最大振速波形圖

3.3 爆破設(shè)計優(yōu)化

鑒于生產(chǎn)性試驗的質(zhì)點振速小于允許質(zhì)點振速（6 cm/s）,于是對爆破設(shè)計進行優(yōu)化,減少鉆孔數(shù)量、適量提高單響藥量,長石隧道影響段的爆破優(yōu)化見圖8。

圖8 上層中導洞爆破優(yōu)化圖

爆破設(shè)計進行優(yōu)化后的主要參數(shù)如下：總孔數(shù)140個、最大單響藥量22.4 kg（Ms3 段位掏槽孔）、總裝藥量129.0 kg、爆破設(shè)計方量129.4 m3、炸藥單耗量0.997 kg/m3。

與長石隧道最近水平距離為20 m時,按照優(yōu)化的參數(shù)進行爆破開挖,爆破振速監(jiān)測最大點仍為臺向BC3,最大振速值為4.892 cm/s（發(fā)生在Ms3段位掏槽孔的炸藥爆破）,振動波形圖見圖9。

圖9 優(yōu)化后臺向BC3點的最大振速波形圖

3.4 官園隧道下穿爆破

由于官園隧道最大質(zhì)點振速允許值為4 cm/s,下穿官園隧道正下方時仍采用原爆破設(shè)計,進尺控制在2 m左右。

4 結(jié)語

在中導洞開挖過程中,最大質(zhì)點振速發(fā)生在第二序位掏槽孔的爆破過程時,這與已有研究相一致。為了提高爆破效果,可以適當提升中間段位主爆孔的單響藥量。

通過對東南沿海地區(qū)凝灰?guī)r地質(zhì)特大斷面隧洞鉆爆法施工對垂直交叉公路、鐵路隧道結(jié)構(gòu)影響研究分析,為東南沿海地區(qū)隧洞工程的承接做好相應(yīng)技術(shù)儲備,為今后下穿隧洞和隧道工程項目的承接打下基礎(chǔ),進而擴大到全國、走出國門,對華東院的轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義。