機械與爆破法下路基開挖對既有臨近隧道的影響

王曉星，張昱輝，魯 彪

(1. 衢州市交通設計有限公司，浙江 衢州 324000； 2.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

隨著我國高速公路網中車流量的逐年攀升，早年建成的高速公路早已處于超負荷運轉狀態，因此高速公路改擴建越來越受到人們的重視。隧道作為高速公路改擴建工程的關鍵節點，施工過程中經常會遇到臨近施工、擴挖施工的情況[1-2]，甚至有時為了滿足國家規范中對道路安全與通行量的要求需對隧道進行整條挖除，因此研究如何在保證既有臨近隧道結構安全性的前提下圓滿完成改擴建任務就顯得尤為重要。

針對施工活動中產生的震動對臨近隧道及構筑物造成的影響，眾多學者進行了廣泛而深入的研究。方智淳、張暻等[3-4]對采石場爆破震動對臨近隧道的影響進行分析，評估了采礦隧道結構的安全性。胡剛、唐浩、孫艷軍等[5-7]基于數值模擬研究了爆破施工對臨近隧道的影響，得到了既有隧道的動力響應特征。丁祖德等[8]通過數值模擬分別比較了基坑開挖時采用不同保護措施附近既有隧道附加變形和附加內力的大小、分布形態及其變形控制效果。高宏偉、朱蕾、黃茂松等[9-11]對基坑開挖時臨近及下臥隧道的受影響程度與范圍進行分析，得到不同凈距施工時既有隧道的應力與變形特征。還有學者對臨近隧道爆破施工的控制參數、爆破措施進行了研究[12-16]。針對爆破影響問題，前人已做了廣泛的研究，但目前對路基挖除對另一幅運營隧道影響的研究還比較少。本研究以杭金衢高速樊村隧道擴建工程為背景，利用Midas GTS NX有限元軟件研究不同方式挖除路基時對既有隧道的影響，以期為工程的順利實施提供依據。

1 工程概況

如圖1所示，既有樊村隧道1號隧道出口距離五里樞紐距離為109 m，不滿足《公路立體交叉設計細則》(JTG/T D21—2014)單向四車道隧道出口與前方互通式立交最小距離為800 m的要求，故改建工程擬保留既有右線，在既有右線右側新建兩車道右線，將既有左線隧道整體挖除改建為整體四車道路基。

圖1 杭金衢高速樊村隧道擴建工程Fig.1 Fancun tunnel expansion project of Hangzhou-Jinhua-Quzhou expressway

擬擴建樊村隧道總長度628 m，洞頂最大埋深約46 m，隧道Ⅲ級圍巖占47.8%，V級和IV級圍巖占52.2%，主要穿越石英砂巖及含礫石英砂巖，局部為泥質粉砂巖，圍巖整體性較差。隧道內輪廓斷面為單心圓，支護形式采用錨噴支護+復合模注混凝土襯砌，內夾防排水層，其中左線隧道ZK419+890處邊坡離既有右線隧道襯砌最近、圍巖最差，隧道間凈距為48.53 m，邊坡擬開挖線與隧道最近距離為23.58 m，隧道埋深31.02 m，是影響隧道路基開挖的最不利斷面，因此選取該斷面作分析模型，研究其在機械和爆破開挖方式下臨近隧道及其巖土體的變形和受力特性，以保證工程順利實施。

2 有限元模型及參數

為消除模型尺寸效應引起的誤差，結合斷面ZK419+890的地質狀況，選取斷面ZK419+890的計算模型尺寸為長×寬×高=190 m×60 m×89 m，隧道尺寸按1∶1選取，計算網格圖見圖2。

圖2 ZK419+890斷面計算模型網格圖Fig.2 Calculation model grid of section ZK419+890

選擇莫爾-庫倫理想彈塑性模型作為該計算的本構模型，結合《公路隧道設計規范》(JTG 3370.1—2018)和樊村隧道地勘資料，隧道圍巖及二襯模型參數可按表1選取。

表1 本構模型的主要參數Tab.1 Main parameters of constitutive model

3 機械開挖計算結果及分析

機械開挖采用從上至下分3步挖除路基，結合有限元分析軟件，按照開挖順序分析每層開挖完成后邊坡巖土體和隧道變形與受力情況。在土壓力作用下，各工況下邊坡巖土體的變形情況如圖3所示。可以看出，隨著開挖深度不斷加深，邊坡所受卸載效應逐漸加重，對既有臨近隧道影響加大。

圖3 不同開挖階段邊坡巖土體位移云圖(單位：mm)Fig.3 Nephograms of displacement of slope rock and soil at different excavation stages(unit：mm)

第1層土方開挖完成后，卸載效應主要集中在開挖底面，開挖區底部土體有明顯的隆起趨勢，同時受左側陡坡土壓力作用，巖體沿水平方向向開挖臨空面形成較大位移。該階段巖土體以豎直隆起為主，最大隆起高度8 mm，而既有隧道位于開挖面右下方較遠距離，所受影響較小。與第1次土方開挖相比，第2次土方開挖完成后左側陡坡臨空面上的土體位移加大，卸載效應在開挖面的水平方向更加明顯。而隨著開挖深度的加深，水平卸載效應對既有隧道的影響也在不斷加大，此時隧道已經產生較為明顯的位移。當第3層土方開挖完成后，卸載效應達到最大，其中尤以左側邊坡最為明顯，此時豎直方向土體隆起位移不大，但邊坡在水平方向上有顯著的向開挖面移動的趨勢，帶動右側既有隧道向邊坡移動方向產生較大位移。在3次開挖工況中，以第2次巖土體位移變化較快。

隨著土體的開挖，土體的卸載效應會逐漸作用到臨近隧道襯砌結構上，使隧道支護結構的內力發生重分布，同時會向卸載方向產生一定的位移。而在周圍巖體的約束下，隧道襯砌變形趨勢與巖土體變形趨勢基本保持一致，變形位置主要集中在左拱肩部位，其變形量隨著開挖量增大不斷增加。經過計算，3層路基開挖完畢時襯砌最大位移量約4 mm，隨著后續施工活動的進行存在失穩的可能，應做好襯砌監測與邊坡加固工作。

在支護結構封閉成環以后，其整體剛度大大提升，在環向剛度效應作用下支護結構向卸載方向產生的位移會受到鋼拱架與襯砌的約束，從而使得非卸載方向的支護結構內部產生拉應力，但隧道上覆土層的重力作用會使拉應力有所折減，在兩者共同作用下，支護結構內力主要集中在拱頂、拱肩位置，隨著卸載效應的不斷完成，應力會在拱頂達到最大值約34.3 kN·m，使得該位置支護結構存在破壞的風險，因此在利用機械開挖法進行施工時，隧道左拱肩位移和拱頂內側的內力應當重點加強監測。

4 爆破開挖計算結果分析

4.1 爆破荷載

采用面動力荷載模擬爆破荷載，所作假定如下:(1)爆破荷載以壓力形式均布作用在坡面上，方向垂直于坡面。(2)根據計算和爆破實際情況，爆炸沖擊波宜采用指數型荷載衰減模型，見圖3。

在不耦合裝藥情況下，爆轟波會首先壓縮裝藥與藥室壁之間間隙內的空氣形成空氣沖擊波，而后再由空氣沖擊波作用于藥室壁，對藥室壁加載。假定爆轟產物在間隙內的膨脹為絕熱膨脹，忽略間隙內空氣，則爆轟產物撞擊藥室壁前的炮孔內壓力即入射壓力Pi為[17]：

(1)

式中,Pm為爆轟產物開始膨脹時的平均壓力；Vc為炸藥體積；Vb為藥室體積；ρ0為炸藥密度；D1為爆轟波傳播速度。當爆轟產物撞擊藥室壁時，壓力將明顯增大，增大倍數n=8～11。取Vc/Vb=1/3，n=10，則可得爆轟峰值壓力Pi=0.427 GPa。邊坡開挖爆破按深孔爆破考慮，孔距為5 m，則可等效深孔爆破的爆破孔壓等效為面壓力Pm=0.083 GPa。

對于爆破動力分析中的孔壁壓力衰減，文獻[18]給出了相對較為精確的指數型荷載衰減模式，即：

Pt=4Pm(e-0.707ωt-e-1.414ωt)，

(2)

(3)

式中,w為波形參數；vp為介質(巖體)縱波波速；r0為藥包半徑；t為爆破時程。

在該模型作用下，爆破孔壓力時程曲線見圖4。

圖4 爆破孔壓力時程曲線Fig.4 Time history curve of blast hole pressure

4.2 邊界條件及阻尼

采用爆破施工，爆破產生的振動波會使固定邊界反復反彈，故計算時采用黏彈性邊界比較合理。在MIDAS/GTS/NX中，通過曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數可根據道路設計規范地基反力系數計算，如式(2)、式(3)所示。

豎直彈簧系數為：

(4)

水平彈簧系數為：

(5)

材料的阻尼特性會逐漸消耗施工活動震動所產生的能量，在體系的運動方程中，阻尼力與慣性力與抗力相比要小得多，可以近似地計算阻尼矩陣。在MIDAS/GTX/NX時域分析中，常采用的是瑞利阻尼。瑞利阻尼與頻率有關，其特征主要由臨界阻尼比和最小中心頻率決定，在本研究中取臨界阻尼比xmin=3.5%，最小中心頻率可用模型自振頻率f代替，取f=18.26 Hz。

4.3 計算結果分析

前面的計算結果表明，機械挖除邊坡土體擴建路基過程中既有右線圍巖最大位移量及襯砌的內力都處于相對安全范圍內。但機械開挖進度較慢，尤其遇到堅硬巖石時很可能會延誤工期，因此有必要在機械開挖工法中穿插爆破開挖工法以提高施工進度。該研究中開挖邊坡中心距既有隧道49 m，考慮最不利開挖工況，即先用機械開挖工法依次挖出上2層土體，最后1層進行爆破開挖，研究最不利情況下擴建路基時對既有隧道的影響。

圖5 爆破開挖邊坡巖土體各質點位移云圖(單位：mm)Fig.5 Nephograms of displacement of each particle of rock and soil during blasting excavation(unit：mm)

與機械開挖不同，爆破開挖對周圍巖土體的擾動更為明顯。從圖5(a)可以明顯看出，在爆破開挖完成后，邊坡兩側巖土體都向臨空面產生了位移，且最大位移值達到了2.2 cm，幾乎是機械開挖作用下巖土體位移值的20倍。與此同時，也可以發現，爆炸振動產生的橫向沖擊波對邊坡巖土體影響程度更大，如圖5(b)～(c)所示，橫波作用下，邊坡巖土體向臨空面產生的位移最大值達到了1.8 cm，是縱向沖擊波的5倍，這與已有研究[4]爆破振動時襯砌容易產生水平方向的拉伸破壞的觀點是一致的，縱向沖擊波的邊界效應更加明顯，對邊界巖土體產生的影響較大，而對臨空面巖土體的影響有限，因此研究對既有臨近隧道的影響時應重點關注爆炸產生的橫向沖擊波。

爆破振動對支護結構的影響可從襯砌的動應力及襯砌結構關鍵點的震動速度來分析[18]，但受施工條件和測量儀器影響，動應力很難進行現場測量，為了便于進行現場監測，選取襯砌結構關鍵點的震動速度進行分析。根據已有研究[3]，使用爆破開挖工法對既有隧道襯砌迎爆側的危害程度大于背爆側，迎爆側拱腰質點的拉應力明顯大于其他位置，因此在計算過程在既有隧道模型迎爆側襯砌布置4個測點，如圖6所示。

圖6 既有右線隧道襯砌結構監測點布置Fig.6 Layout of monitoring points of lining structure in the existing tunnel

通過計算可以得到各監測點在爆破過程中的振動情況，如圖7所示。可以發現，在襯砌完整的情況下，迎爆側襯砌結構所受的沖擊力峰值相對于爆破荷載中心峰值略有滯后，但時間間隔極短，爆炸中心產生的沖擊波在土體材料中幾乎沒有被削弱，這主要是因為爆炸中心與隧道的距離很近，短距離內土體材料的阻尼效應并不明顯，爆炸產生的能量很難被消耗。在迎爆側各測點中，測點2(側墻中質點)處所受影響最大，既有隧道襯砌振動速度達到最大值11.42 cm/s，小于爆破安全規程的允許振動速度15 cm/s，測點3與測點4的弧度較為平緩，爆炸沖擊波在該位置極易發生反射，繞射反應較為顯著，所以質點振動速度較測點2低。

圖7 各測點振動速度歷程曲線Fig.7 Vibration speed history curve of each measuring point

5 結論

通過現場取樣，結合室內試驗測定圍巖及隧道襯砌的力學參數，建立三維模型，分析了機械開挖和爆破開挖過程中巖體變形、既有隧道襯砌變形、既有隧道襯砌內力的變化過程，得到以下結論：

(1)機械開挖路基的分析結果表明，采用三步開挖法開挖路基時，隨著土體的不斷開挖，卸載效應不斷增加，對既有隧道的影響也不斷增大，受開挖影響最大的位置在左側拱肩位置，施工過程中應做好既有隧道襯砌的監測工作。

(2)在土體開挖范圍內，爆破施工振動效應對隧道襯砌結構的影響大于機械開挖，在襯砌完整的情況下，襯砌最大應力在安全范圍內，但當襯砌存在裂縫時，在應力疊加效應作用下，襯砌內最大應力會超出承載力限值，此時應當注意提前加固襯砌結構。

(3)受隧道爆破點位置的影響，爆炸沖擊波產生的襯砌應力主要集中在側墻位置，為保證爆破開挖作業中隧道襯砌結構的安全性，現場監測中，應以隧道迎爆側襯砌側墻處允許的極限抗拉強度對應的振速作為控制指標。