聯絡道爆破施工對臨近盾構隧道的影響分析

楊 波，王海亮，褚夫蛟，周明聰，肖景鑫，張 棟

(1.中鐵二局集團成都新技術爆破工程有限公司，成都 610031；2.山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590；3.山東理工大學資源與環境工程學院，山東 淄博 255000；4.武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070)

盾構隧道建設過程中，盾構隧道間聯絡道的爆破對臨近盾構隧道的影響一直是地下工程建設中的難點，盾構隧道間聯絡道的爆破開挖難度大，干擾因素多，容易對隧道的穩定性造成較大影響[1-2]，嚴重時甚至會出現隧道坍塌，進而造成一系列嚴重的后果。因此，隧道爆破施工的穩定性已經引起諸多學者的廣泛關注。翟富強[3]通過現場監測的方法，監測新建隧道爆破施工對臨近隧道的影響指標，驗證了爆破振速和主振頻率兩項指標在控制爆破施工全過程控制中的應用可行性。黃小武等[4]通過模態分析地鐵盾構隧道管片結構，研究了管片結構的固有振動特性，得出地鐵盾構隧道管片結構對低頻觸地振動比較敏感。康歡歡等[5]通過有限元數值模擬計算的方法研究了平行導洞爆破擴挖對隧道圍巖穩定性的影響規律，得出隧道爆破時的開挖進尺對隧道圍巖穩定性有較大影響。Dapeng Zhu等[6]采用數值模擬的方法分析了新建隧道對相鄰隧道的影響，得出新建引水隧洞使兩條隧洞之間圍巖的塑性區擴大。V.K. Dang[7]使用有限元軟件Abaqus / Explicit分析了隧道混凝土襯砌和圍巖在爆破振動作用下的動力響應，得出新隧道與爆破位置的距離越小，現有隧道的襯砌就越危險。吳波等[8]通過數值模擬研究不同開挖方法、不同開挖進尺、不同圍巖等級下爆破對隧道整體安全系數的影響。上述學者對隧道穩定性進行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，但是對于聯絡道爆破施工對臨近盾構隧道的影響分析和不同爆破位置對隧道管片穩定性研究甚少。

本文針對盾構隧道間聯絡道爆破開挖影響隧道穩定性的問題，通過數值模擬建立聯絡道與隧道管片的數值模型，以聯絡道掌子面與隧道間不同距離L作為研究工況，獲取不同爆破位置對隧道管片穩定性的影響。由此對盾構隧道間聯絡道爆破開挖影響隧道穩定性進行評價。

1 項目概況

青島市地鐵8號線大洋站～青島北站區間連接北岸紅島高新區和青島東岸城區，穿越膠州灣海域。其中海域盾構段2.9 km(泥水盾構施工)，爆破施工包含6～8號聯絡通道，爆破作業段位于海域，平均水深4～8 m間變化，爆破周圍及地面無建(構)筑物、管線等重點保護對象。作業部位高程約-40 m，其上覆巖層主要為凝灰巖，巖層上覆蓋層數不等的中粗砂、泥質粉質黏土、淤泥等。

聯絡道爆破施工時，由于爆破施工部位離隧道盾構安裝的管片較近，為防止爆破沖擊導致管片失穩，要求不能損傷管片和使管片發生位移，鄰近管片部位不能采用爆破方式，須機械開挖。在聯絡道開挖初期，對開挖端隧道進行了管片切割，先進行矩形小斷面的開挖方式，以減小爆破對管片的沖擊，繼而矩形斷面擴挖至拱形斷面。以8號聯絡道為例，聯絡道從盾構隧道左洞始挖，其拱形斷面高4.9 m，寬4.5 m，爆破設計如圖1所示，相關爆破參數如表1所示。為了解聯絡道開挖對盾構隧道管片的影響，需對爆破施工進行數值模擬研究，得到在聯絡道爆破荷載作用下臨近隧道的動態響應情況。

圖1 8號聯絡道炮孔布置

表1 聯絡道爆破參數

2 數值模擬

2.1 模型建立

數值模擬8號聯絡道爆破開挖情況，為得到較為全面的盾構隧道管片動態響應情況，建立完整的隧道右洞管片模型，分別模擬拱形聯絡道掌子面距離右洞L=0、0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時爆破開挖的動態響應。根據聯絡道與盾構隧道的關系以及所在區域的地質情況，結合隧道管片結構及配筋設計資料，建立有限元模型如圖2所示，并劃分網格，模型尺寸為長×寬×高為35 m×30 m×22 m，除隧道外模型介質均為微風化凝灰巖，建模所用材料參數如表2所示。

圖2 有限元模型

表2 模型所用材料參數

1)上覆靜荷載。8號聯絡道上部除微風化凝灰巖外還有中粗砂、粉質黏土、淤泥及海水，根據地質剖面圖及各層位介質的厚度、密度，通過公式P=ρgh(式中P為荷載；ρ為介質密度；g為重力加速度；h為介質厚度)計算得到模型上覆荷載為626.416 kPa。

2)爆破動荷載。目前對隧道爆破振動影響的研究中，關于爆破沖擊荷載的相關參數尚無較為完善的方法和理論加以確定。結合前人研究，采用目前應用較為廣泛的三角形荷載方式來模擬爆破荷載時程曲線[9-10]，最大爆壓計算公式為

(1)

式中：Z為比例距離，Z=R/Q；R為爆心至荷載作用面的距離。

三角形荷載的時間計算公式為

(2)

(3)

結合隧道爆破方案，模擬計算聯絡道爆破開挖下的振動響應，由于周邊孔采用不耦合裝藥，會減弱炸藥爆炸對炮孔壁的沖擊，從而降低爆破荷載，因此荷載以1.6 kg最大一次齊爆藥量的輔助孔作為計算基礎，模擬所采用的爆破荷載時程曲線如圖3所示，所建荷載均勻施加在開挖輪廓面上。

圖3 聯絡道爆破荷載時程

2.2 數值模擬結果

2.2.1 主應力分析

提取不同爆破工況下隧道右洞管片的最大、最小主應力，以0 m距離為例，結果如圖4、圖5所示。

圖4 最大主應力云圖

圖5 最小主應力云圖

從圖5中可以看出，主應力的極值主要分布在管片迎爆側，且在聯絡道開挖范圍內。由于開挖范圍內的管片需要切除，因此以開挖范圍外所受到的最大、最小主應力作為研究對象，提取最大數據，結果如圖6所示。

圖6 管片主應力變化

由圖6可知，隨著距離的增大隧道管片所受的應力呈減小趨勢，由于管片混凝土采用C55等級，內置HPB300鋼筋(屈服強度為300 MPa)，只有當距離為0時，應力遠超管片混凝土強度。當距離為0.5 m時，最大主應力為50.19 MP，而最小主應力僅為28.42 MPa，此時管片所受應力小于其強度。由此可知當開挖掌子面與管片有一定距離時，中間的巖石可當作緩沖層，從而減小爆破對管片的沖擊。從數據上看，聯絡道爆破開挖掌子面最終位置與管片距離應大于0 m。

2.2.2 螺栓應力分析

結合上述結論，提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時，管片間螺栓的軸向應力。由于管片連接所用螺栓材質均采用316L不銹鋼，螺栓根據《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.6-2014)[11]選擇A4L-80P等級，經查表得到此類螺栓屈服強度最小為170 MPa。以此為參照，獲取不同距離下螺栓爆破響應的安全性。以L=0.5 m為例，數值模擬結果如圖7所示。所有工況下開挖斷面外的螺栓應力情況如圖8所示。

圖7 螺栓軸應力云圖(L=0.5 m)

圖8 軸向應力變化

對圖8中數據進行擬合，可得到距離L與開挖輪廓外的最大軸向應力σ軸間的關系式：

σ軸=-49.474L+240.58(r2=0.996 9)

(4)

由式(4)可知，數值模擬所得到的軸線最大應力與距離L幾乎呈線性關系。由于螺栓的屈服強度為170 MPa，代入公式(4)可得到臨界距離L≈1.43 m。因此，在聯絡道爆破開挖輔助孔最大一次齊爆藥量為1.6 kg時，掌子面與隧道管片距離不小于1.43 m，管片連接螺栓是安全的。

2.2.3 管片位移

提取L=0.5、1.0、1.5、2.25、3.0 m時管片間的接觸位移，以L=0.5 m為例，模擬結果如圖9所示，所有工況下聯絡道開挖輪廓外的最大管片相對位移如圖10所示。

圖9 管片相對位移云圖(L=0.5 m)

圖10 管片相對位移

對圖10中的數據進行曲線擬合，可得到距離L與開挖輪廓外的最大相對位移Δx間的關系式：

Δx=0.188 3L2-1.175 9L+4.178 8

(r2=0.974 8)

(5)

由式(5)可知，輪廓外管片間的最大相對位移與距離L呈2次多項式關系。從圖10中亦可看出聯絡道掌子面與管片距離不大于1 m時，管片在爆破振動作用下產生的相對位移大于3 mm。由上述分析得知要保持管片連接螺栓的穩定，掌子面與管片的距離不小于1.43 m，將此值帶入式(5)中，得到此時的管片相對位移為2.88 mm。由此可知當爆破振動導致的管片相對位移不大于2.88 mm時，盾構隧道管片是相對穩定的。

2.2.4 爆破振動

以隧道內水平距離開挖爆心3 m處作為監測對象(見圖11)，通過數值模擬提取此位置處的三向最大振速，建立振速與距離L的關系如圖12所示。

圖11 爆破振動監測點

圖12 最大振速

從圖12中可以看出，測點振速隨著距離L的增大呈減小趨勢，對數據進行擬合得到最大振速v與距離L的關系式：

v=-2.645 3L3+17.093L2-36.757L+62.461

(r2=0.996 1)

(6)

結合上述分析得到的安全距離1.43 m，帶入式(6)得到此時的振速v=37.09 cm/s。根據爆破安全規程[12]，交通隧道爆破最大安全振速為20 cm/s，此時的振速明顯超過爆破安全規程規定的安全振速，但從對螺栓應力和管片位移的分析結論可知，螺栓強度和管片位移均在安全允許范圍內，雖然振速大于規程數據，管片仍然是安全穩定的。

3 結論

1)通過數值模擬得到了在L=0 m時，爆破對管片的沖擊應力超過了管片強度，可知此工況下聯絡道爆破開挖對管片的穩定性十分不利。因此不考慮零距離接觸爆破。

2)提取L=0 、0.5 、1.0 、1.5 、2.25 、3.0 m時管片連接螺栓的軸向應力，并建立距離L與螺栓軸向應力σ軸的相互關系，以螺栓屈服強度170 MPa作為臨界點，得到當距離L不小于1.43m時，螺栓是安全穩定的。由于分析是在最大一次齊爆藥量為1.6 kg的工況下進行的，而若藥量降低，爆破荷載則會減小，安全距離L也會隨之減小。

3)提取管片間相對位移Δx并建立與距離L間的關系，將分析螺栓應力得到的臨界距離L帶入管片相對位移的關系式，得到了此時的管片位移為2.88 mm，由此可知當爆破導致的管片相對位移不大于2.88 mm時，管片是相對穩定的。

4)對爆破振動進行分析，以水平爆心距3 m作為監測點，獲取不同工況下此點的三向最大振速，通過分析得到當安全距離為1.43 m時最大振速約為37.09 cm/s，這時的振速雖然超過了爆破安全規程的規定，但螺栓強度和管片位移都符合安全規程的要求，施工質量可以得到保證，管片依然安全穩定。