主線隧道爆破荷載對隧道錨協同施工影響分析

許建凱，王 保，劉賜文，楊先奎，龍立敦，李少方，李浩然

(1.貴州甕開高速公路發展有限公司，貴州 貴陽 550306；2.中鐵廣州工程局集團有限公司，廣東 廣州 511466;3.中鐵開發投資集團有限公司，云南 昆明 650501;4.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

隧道爆破施工的振動荷載會對鄰近設施或建筑物產生影響。特別地，當隧道爆破施工與鄰近工程存在交叉施工時，如若不采取恰當的措施，會對鄰近工程的穩定性產生巨大影響，產生一系列安全隱患，對鄰近工程施工安全帶來極大的威脅。隨著我國交通基礎建設的發展，公路隧道的數量日益增加，隧道已經成為了一種必不可少基礎建設設施。隧道錨作為懸索橋的一個主要結構體系，其主要功能是對懸索進行錨固。由于一些特殊地形限制，會出現橋隧相連接的情況，尤其當遇到在懸索橋與隧道連接的地方，隧道的開挖與開設的隧道錨之間會存在相互影響。錨塞體作為懸索橋的4大部件之一，其安全性十分關鍵[1]，在某些情況下，由于地形的限制，隧道與隧道錨的間距不滿足爆破規范要求時，在隧道開挖的時候，爆破產生的振動會對隧道錨的圍巖產生影響，影響隧道錨安全正常地工作。

劉新榮，肖宇[2]等開展了隧道錨與下穿隧道間相互影響規律的1∶100室內模型試驗研究，得出了錨塞體沉降主要由下穿隧道先行洞開挖導致。于建新[3]等人采用LS-DYNA顯式動力數值模擬方法，開展近距離隧道爆破施工的相互影響研究，研究結果表明：藥量增大、凈距減小、跨度減小均會在一定程度上引起既有隧道內振速的增大。李巖松[4]等在考慮圍巖產狀影響的條件下利用薩道夫斯基爆破經驗公式對老龍山隧道附近既有建筑的爆破影響進行了分析研究，結果表明：爆破振速沿地層產狀垂直方向傳播時比沿平行方向傳播時大，爆破振動點距離建筑物越近這種趨勢越明顯。大量學者利用有限元法對包括下部公路隧道施工、隧道錨開挖、澆注、預應力施加、掛纜等全部工序進行了模擬，研究其他建筑物對已建成隧道錨或者隧道錨的開挖對既有建筑物的相互影響[5- 8]。

通過上述結論得出，目前研究大部分著重于隧道爆破施工對已修建建筑物的影響，但是對于在建工程項目的影響研究仍然缺乏，特別是對于隧道爆破施工與在建工程項目存在交叉施工的情況的研究甚少。為了研究隧道爆破施工產生的振動對于在建的交叉施工項目圍巖穩定性的影響，本文依托開州湖大橋隧道錨與四坪隧道工程，建立有限元模型分析在四坪隧道與開州湖大橋隧道錨交叉施工段，四坪隧道協同施工時爆破振動對在建隧道錨的影響。

1 工程概況

按設計要求，開州湖特大橋開陽岸隧道錨需在下方四坪隧道二襯施工完成后方可開始施工，然而開州湖特大橋為甕開高速項目控制性工程，也是整個項目的關鍵工作，其完成時間制約著全線建成投運的時間。因此，按常規施工順序，開州湖特大橋最終完工的時間將遠遠突破項目總工期。為滿足項目總工期要求，本方案中采取開州湖特大橋開陽岸隧道錨與四坪隧道同步協同施工的方式進行，即隧道錨隧洞開挖支護工作與四坪隧道進口段(隧道進口至橫洞段)同步施工，待隧道錨下方隧道段(K36+755～K36+827)二襯施工完畢且穩定后方進行隧道錨錨塞體砼澆筑施工。

隧道錨隧洞開挖支護與處于隧道錨下方的隧道段同步施工過程中，做好超前地質預報，尤其是針對隧道及隧道錨間的巖體進行巖溶、溶蝕裂隙、破碎、節理等不良地質探測，并根據探測結果，研究制定專門爆破方案，認真測算上下作業點間的間距、圍巖條件等，采用控制爆破技術，進行試爆，測試震動值，嚴格爆破震動，減少上下同時施工對彼此的影響。此外，在施工過程中，除進行爆破震動值監測外，同時加強隧道及隧道錨隧洞圍巖變形及內力監測，確保圍巖應力應變在安全范圍內。協同施工示意圖如圖1所示。

圖1 協同施工示意圖

1.1 工程地質

1.2 水文地質

場區屬長江流域烏江水系，場區進口東側530m處為洛旺河自北向南流；隧道出口西側900m處發育小型河流，寬1.5～3.2m，水深0.5～1.6m。場區地下水類型第四系松散裂隙水、基巖中風化裂隙水、巖溶裂隙水。松散裂隙水賦存于第四系松散土層內，水量??；基巖裂隙水賦存于強風化粉砂質泥巖節理裂隙內，水量小。

2 施工技術及施工流程

2.1 四坪隧道施工總體方案

四坪隧道包含橫洞、分離式隧道段、小凈距段、極小凈距段、超小凈距、連拱段及進出口洞口明洞及邊仰坡施工。

(1)橫洞開挖采用新奧法施工，Ⅴ、Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖。

(2)隧道超小凈距Ⅳ級圍巖段左右洞均采用三臺階法開挖。(極小凈距Ⅳ級圍巖隧道左右洞采用上下臺階法開挖。小凈距Ⅳ級圍巖段左右洞均采用臺階法開挖。

(3)連拱隧道段采用新奧法原理施工，施工中先開挖貫通中導洞，澆筑中隔墻混凝土，然后開挖主洞，最后進行全斷面二襯襯砌的施做。Ⅴ級圍巖段采用三臺階預留核心土法或三臺階+臨時仰拱法進行開挖，Ⅳ級圍巖段采用上下臺階法施工，后行洞(右洞)上斷面開挖須在先行洞(左洞)仰拱施工后再進行，且先行洞(左洞)與后行洞(右洞)上斷面開挖距離不小于30m。

(4)隧道明洞段采用明挖法施工，在確保洞口邊坡穩定的條件下，就地全段面整體模筑鋼筋混凝土，暗洞均采用新奧法施工，主要工序采用機械化作業，隧道出渣采用無軌運輸方式，二次襯砌澆筑采用模板臺車。

2.2 隧道錨施工方案

隧道錨位于開州湖岸坡上，因岸坡坡度陡峻，施工場地受限較嚴重，隧洞洞口邊仰坡開挖支護完成后，為滿足隧道錨開挖支護施工場地要求，同時節省出渣時間，以隧洞明洞與暗洞交界處為起點，先行向下開挖散索鞍支墩基坑6m，形成長46.2m、寬17.34m的平臺，后在該平臺上搭設出渣平臺支架、規劃空壓機機房及運渣通道等功能區，以滿足施工要求。如圖2—4所示。

圖2 洞隧道斷面設計圖

圖3 隧道連拱段開挖工序圖

圖4 隧道錨施工示意圖

隧洞開挖根據隧道的長度、地質條件、工期要求等因素，采用人工、機械、光面爆破開挖相結合的方式進行開挖，由于左、右凈距較小(進口間距16.45m、洞底最小凈距9.5m)，左、右洞室錯開掘進，隧洞圍巖級別為Ⅳ、Ⅲ級，洞室斷面較大，爆破作業時相鄰隧洞的穩定性有一定的影響。由于隧道錨與四坪隧道同步協同施工，當四坪隧道開挖施工進入到隧道錨影響范圍后，需加強超前地質預報及施工監測，尤其是對隧道錨與隧道間的巖體巖溶發育情況等進行有效探測，以確定合適的開挖爆破方法。先開挖的左洞采取臺階開挖的方式，后開挖的右洞采取臺階分部開挖的方式，避免對兩隧洞間巖柱的擾動。

3 數值模擬

3.1 參數選取

3.1.1爆破荷載加載波形

爆炸產生時，壓縮波沿隧道徑向且均勻地作用在周圍洞壁上，首先對圍巖有壓實作用，當壓縮波達到幅值后將急劇衰減，對于彈塑性的圍巖材料，荷載消失后必將引起反向的回彈現象，因此選用具有加載和卸載過程的三角形荷載作為爆破荷載的近似形式，如圖5所示。

圖5 爆破荷載時程曲線圖

3.1.2爆破荷載峰值確定

爆破荷載應力峰值按下式確定：

(1)

本次計算取加載時間為10ms，卸載時間為90ms，為了解爆破應力波在巖體中的傳播規律，取計算時間為500ms。

3.1.3巖體參數確定

巖體參數見表1。

表1 巖體參數表

3.2 模型建立

模型中所有材料采用實體SOLID164單元模擬，對整個模型施加厚度方向的約束，上表面為自由邊界，其余表面設置為固定約束，如圖6所示，在整個計算模型中，采用六面體單元映射劃分。數值計算模型如圖7所示。

圖6 模型邊界固定約束圖

圖7 數值計算模型圖

因隧道錨是斜向下打入，故隧道錨洞室下斷面距四坪隧道拱頂最近，為了方便分析，提取距離隧道拱頂最近的隧道錨洞室測點的水平向速度、豎向速度與合速度時間歷程曲線，測點如圖8所示，測點A為單元1044，測點B為1039，測點C為1050。

圖8 測點布置圖

3.3 振動速度特征分析

通過數值模擬，分別測出了3個不同位置的測點的振速曲線，如圖9—11可知，測點1044號的最大水平振速為0.25cm/s，為3個測點最大水平振速的最小值，最大豎向振速為4.69cm/s，是3個測點豎向振速的最大值。水平振速最大值在測點1050，振速為0.80cm/s。最大合速度在測點1044，最大合振速為4.70cm/s。豎直方向上產生最大振速為4.69cm/s，詳見表2。

圖9 1044號測點振速時程曲線

圖10 1039號測點振速時程曲線

圖11 1050號測點振速時程曲線

表2 最大振速表 單位：cm/s

3.4 單段最大裝藥量計算

根據數值模擬得出的結果，可根據薩道夫斯基經驗公式反算出在隧道開挖時單段最大裝藥量。

根據巖石性質、爆破方式，爆破地震動速度，一般認為，爆破質點峰值振動速度隨距離的衰減滿足薩道夫斯基計算公式[9- 10]：

(2)

式中，V—振動速度，cm/s;Q—起爆過程中最大單響的炸藥量，kg;R—測點與爆源之間的距離，即爆心距，m;K、α—與巖土介質有關的參數;β—與裝藥結構方式有關的參數，集中藥包取1/3，柱裝藥包取1/2。

由GB 6722—2014《爆破安全規程》[11]?？芍?，在我國的工程中推薦使用修正后的薩道夫斯基經驗公式，為能反映爆破振動的衰減規律，定義K、α為衰減參數。即

(3)

式中，GB 6722—2014[11]規定了不同巖性下的K和α值，見表3：根據現場地質取K=250，α=1.6；Q—單段最大裝藥量；模擬中取豎向最小距離R=12.3m；V—設計爆破振速，要求控制在10cm/s以內，為保守起見計算取V=5cm/s，經計算單段最大裝藥量：Q=1.21kg。

表3 不同巖性下的K和α值

根據振速時程曲線圖，可以得到距離隧道上臺階中心距離最近的測點1044的振動速度最大，豎向速度為4.69m/s，合速度為4.70cm/s，均小于5cm/s，因此，應將該點作為安全振動速度控制點，可通過上述薩道夫斯基計算公式，代入振速數據，反算得出在該處爆破開挖時的最大段藥量不大于1.21kg。

4 結論

(1)測點1044的振動速度最大，產生的豎向最大振速為4.69cm/s，滿足將隧道襯砌結構振動速度控制在5cm/s以內的要求。

(2)由于兩者最近豎向間距僅有12.3m左右，所以在兩者的開挖過程中應嚴格控制兩者洞室的最大段藥量進而控制爆破振動速度，保證隧道與隧道錨的安全施工。

(3)通過建立隧道與隧道錨交叉段的數值計算模型，計算得到四坪隧道爆破開挖的單段最大裝藥量控制在1.21kg以內，可有效的控制圍巖擾動。