水下炸礁對過江隧道結構的安全控制研究

王志勇、薛護國

（中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 401121）

0 引言

在國內，水下炸礁臨近地面建構筑物（碼頭、橋梁等）較為常見，地下隧道工程，特別是對振動、變形要求極為嚴格的軌道交通隧道工程等尚屬罕見。重慶軌道交通27 號線下穿長江，工程建成運營后，根據長江航道通航規劃，需在隧道上方開展航道提升整治工程，勢必會對隧道工程產生影響。水作為不可壓縮介質，水下爆破產生的沖擊波及振動對臨近既有建構筑物的影響不可忽視。對于水下炸礁研究方法，李春軍研究爆破參數的選取及相互影響，構建水下爆破優化數值模型，在既往航道整治中進行了成功應用。針對水下爆破荷載傳遞規律及響應，韋灼彬采用數值模式對水下爆破引起荷載的沖擊特征、水下爆破沖擊波的氣泡膨脹規律以及作用影響傳遞特性進行了分析。

根據隧道河段航道條件、灘險情況，結合航道規劃、船型發展、規劃航道整治方案，制定炸礁區平面位置及炸礁深度。按隧道軌道交通控制保護區域，計算分析炸礁方案對隧道結構安全的影響值，研究礁石爆破位置對隧道的振動影響。并對控制爆破措施進行敏感性分析，確定適宜性措施，對最危險的炸礁方案進行進一步驗算分析，驗證控制爆破的減振效果。

1 工程概況

該過江隧道位于長江上游重慶段，三峽水庫變動回水區，重慶南岸與渝中區長江上游航道約663km處。根據相關資料，目前龍磧子最低通航水位為161.40m，炸礁最大底標高157.30m，已完成炸礁在通航水位以下4.1m。

根據長江航道遠景規劃相關材料，航深×航寬×彎曲半徑按6.2m×150m×1000m 的標準進行預留，對應該處炸礁深度為2.9m，即按目前已實施情況推算，對應整治后底標高為154.40m。（炸礁區與軌道交通過江隧道平面關系圖見圖1。炸礁深度與過江隧道剖面關系圖見圖2。）

圖1 炸礁區與軌道交通過江隧道平面關系圖

圖2 炸礁深度與過江隧道剖面關系圖

重慶段長江航道江底均為砂巖、砂泥巖互層，巖石較為堅硬。在炸礁實施中，爆破產生的大量能量，在密閉空間中會以應力波和爆生氣體共同作用，從而實現破碎巖石，然后再利用船只等對航道進行疏浚整治，直至達到通航要求的標高。而軌道交通過江隧道位于河床巖層以下，水下炸礁產生的爆破沖擊荷載、振動等，勢必會對隧道結構安全帶來一定影響，其振動作用原理如圖3。

圖3 炸礁爆破對隧道振動影響示意圖

2 爆破參數設計與選取

炮眼鉆孔直徑D：水下鉆孔直徑D=100mm。

最小抵抗線W：（20～30）D，按2.0m 計算。

炮眼鉆孔超深h：根據相關規范，水下鉆孔超深一般取1.5m，同時在實施中可根據試爆效果進行一定調整，并滿足規范規定。

鉆孔深度H：鉆孔深度由炸礁深度和鉆孔超深確定，根據炸礁深度2.9m，鉆孔深度H 為4.4m。

堵塞長度h：裝藥完畢后需采用碎石、細砂等進行封堵，封堵長度需確保炸藥不上浮，h=1.5m。

孔距a 和排距b：結合以往經驗選取孔距和排距，取炮孔排間距a×b=2.0m×1.5m。

單孔裝藥量Q：根據巖石硬度、孔排距等因素，在實際施工中，炸藥單耗取為q=1.72kg/m。鉆孔深度為4.4m，因此單個炮孔裝藥量設計計算如下：Q=q×a×b×（H-h）=14.96kg （1）

3 水下炸礁對過江隧道影響分析

3.1 模型建立及計算方案

過江隧道采用盾構法施工，結構類型為圓形預制鋼筋混凝土管片。具體計算模型參數見表1。

表1 過江隧道模型參數表

以左右隧道中心線為基準，按5 個起爆位置，開展數值計算。模型的主要尺寸如圖4所示。

圖4 計算模型尺寸圖

3.2 隧道最大振速驗算

根據計算結果，提取各方案隧道2D 單元的振速結果，給出各方向上隧道的最大振速云圖（見圖5、圖6）。

圖5 最大振動速度分布云圖

圖6 最大振動速度分布云圖

由圖7可見，以上各方向的振速隨著距隧道中心線距離的增加先增大再變化為減小。經梳理，距下方隧道中線10m 處振速最大，因此，爆破位置10m 處為最不利爆破位置。

圖7 最大振速與炸礁位置的關系曲線

3.3 對隧道最大振速安全性分析

重慶市工程建設標準《城市軌道交通結構檢測監測 技術標準》（DBJ50/T-271—2017）中3.1.16 節指出：傳遞至軌道交通結構及設施上的振動速度不應大于1.5cm/s。

在水下炸礁作用下，對隧道Z 方向產生的振速作用超過1.5cm/s，炸礁危險區分布在距左右隧道中線水平距離0～27.5m 范圍（見圖8）。不考慮水下隧道的存在，水下炸礁按常規航道整治工程開展時，隧道處承受的最大振速不滿足規范規定的結構安全控制要求，須采用控制爆破措施，降低爆破振速，確保隧道結構及使用安全。

圖8 炸礁危險區域范圍劃分示意圖

4 控制爆破方案及減振效果分析

孔內延時控制爆破措施常用于距離被保護對象較近的區域，由于重慶27 號線過江隧道的安全等級較高，如何將隧道的振動速度降低至盡可能小，對人民群眾生命財產安全具有重要的意義。為減小水下炸礁對隧道產生的振動效應，采用孔內延時控制爆破措施，在逐孔起爆的基礎上，將每個炮孔分2 次起爆，孔內分2 段裝藥，孔內延時25ms，孔間延時25ms。

通過計算，給出其最大Z 向振速云圖（見圖9）。

圖9 孔內延時，爆破延時25ms 最大應力云圖

考慮孔內延時方式進一步提高了減振效果，相對于逐孔起爆方式而言，其最大Z 向振速從3.41 cm/s衰減至0.24cm/s，減振幅度為93%。因此，在施工條件允許的情況下，考慮孔內延時控制爆破措施可以進一步減小隧道的振動效應，進而實現減振效果的最大化。

5 結語

炸礁水深2.9m，炮孔深度4.4m 為控制工況，在水下炸礁作用下，對隧道Z 方向產生的振速作用超過1.5cm/s，炸礁危險區分布在距左右隧道中線水平距離0～27.5m 范圍。不考慮水下隧道的存在，水下炸礁按常規航道整治工程開展時，隧道處承受的最大振速不滿足規范規定的結構安全控制要求，須采用控制爆破措施，降低爆破振速，確保隧道結構及使用安全。

采用逐段延時爆破具有良好的減振效果。考慮孔內延時方式可以進一步提高減振效果。