爆破施工對緊鄰既有隧道影響的研究

李新翰 LI Xin-han

（江門市安恒爆破工程有限公司，江門 529000）

0 引言

隨著人們生活水平普遍提高，車輛保有量也在逐年提高，原有的公路、隧道等基礎設施很難滿足日益增長的交通運輸量需要，更多的改建、擴建、新建工程在全國各地鋪展開來。由于地形和環境條件的限制，在實際中，經常出現新建工程與原有隧道臨近和上下穿插交錯的情況。由于新建工程臨近既有隧道，將引發一系列的安全問題，總地來說可歸納為以下兩方面[1-3]：①新建隧道的開挖引起巖體應力重分布；②鉆爆法相對于其他方法，在開挖成本和施工進度方面依然具有一定的優勢，是目前隧道施工的主流方法，其產生的振動等危害效應對既有隧道造成的影響。

國內眾多學者也對爆破施工對緊鄰的既有隧道影響展開了研究：劉唐利等在研究地鐵隧道爆破施工時對緊鄰既有隧道的影響時，用ANSYS/LS-DYNA 建立簡化后的炮孔模型，計算結果顯示，與實測結構吻合度較高[4]；康海波等運用LS-DYNA 對隧道內爆轟產物的傳播距離、傳播規律、超壓衰減做了一系列的研究[5]；蔡路軍等研究上穿公路隧道爆破對下方供水隧道的影響時，分析了爆破作業時產生的應力和振動情況[6]。

1 工程概況

新建隧道分別位于既有隧道左右側，凈距為18.15～25.48m 不等，為單洞四車道隧道，隧道左線長472m，其中進口明洞長10m；出口明洞長10m；隧道右線長346m，其中進口明洞長20m，出口明洞長20m。新建隧道進、出口均為已廢棄采石場，坡形陡峭，山體坡角約75°-90°，燕山期花崗巖出露，巖性以Ⅲ級圍巖為主，進、出口位置經開采后形成陡坎。新建隧道與既有隧道位置關系如圖1 所示。

圖1 新建隧道環境圖

在爆破施工中，根據所處巖層的圍巖性質不同所采用施工方法分別有：二臺階法（上下臺階法）、三臺階法、單側壁導坑法（CD 法）、雙側壁導坑法。考慮到在施工條件固定的情況下，影響爆破振動主要取決于最大單段起爆藥量。由于新建隧道與既有隧道的距離過近，工程靠近既有隧道一側采用機械開挖，僅遠離既有隧道一側采用爆破開挖，采用電子雷管起爆，每段雷管之間的延時在20-30ms 之間，其中最大單段藥量為單側壁導坑法中左上部隧道的輔助孔起爆，其炮孔布置圖如圖2 所示，起爆參數見表1。

表1 爆破參數匯總表

圖2 單側壁導坑法炮孔布置圖（部分）

2 爆破振動監測

為確保既有隧道在爆破施工下的安全，在新建隧道左線爆破施工時，進行了數次爆破振動監測。在既有隧道左線布置爆破振動監測點，測點共布置5 個，測點1 位于與新建隧道掘進掌子面平齊的既有隧道左側，其余測點在既有隧道中沿掘進掌子面前進方向每隔5m 布置一個。其中x 方向為垂直于隧道走向的水平方向，y 方向為平行于隧道走向方向，z 方向為垂直于隧道走向的豎直方向。測點布置示意圖如圖3 所示。

圖3 爆破振動監測點布置示意圖

由于新建隧道和既有隧道之間的距離是變化的，取新建隧道掘進至與既有隧道最近處，爆破施工時所測爆破振動如表2 所示。兩隧道凈距最近處為18.15m，隧道施工僅遠離既有隧道側采用爆破開挖，爆源中心與檢測點的實際距離約為35m，其余監測點爆心距根據幾何關系分別如表2 所示。

表2 爆破測振結果數據表

從表中所測數據可以得出，振速總體隨著爆心距的增加呈減少趨勢，從各個方向的分速度來看，垂直于隧道走向的水平方向振速最大（x 分量），垂直于隧道走向豎直方向振速次之（z 分量），沿隧道走向方向的水平方向振速最小（y 分量）。其中，測點1 實測合速度波形曲線如圖4 所示。

圖4 測點1 合速度波形

3 數值模型建立和計算

以新建隧道現狀為依據，建立1∶1 比例模型，考慮到和右線相比，新建隧道左線與既有隧道的距離更近，因此在研究時，以左線隧道的爆破施工為研究對象。由于隧道爆破斷面布孔較多，為減少建模工作量，可將模型進行簡化：將同段起爆的炮孔用一個等效炮孔替代，替換后的炮孔直徑和炮孔位置采用以下方法確定：

將同一段起爆的藥包簡化為一個起爆藥包，替換后的等效藥包直徑由式（1）計算[4]。

式中：D 為等效炮孔直徑；n 為每一段的炮孔個數；d為實際炮孔直徑；c 為常數，取0.621。

等效藥包的位置采用理論力學合力矩確定[7]，即根據隧道斷面上各個炮孔的中心坐標，由式（2）求出所有炮孔的重心坐標，再用重心坐標建立等效幾何模型。

根據以上理論可將爆破模型進行簡化，實際施工中最大單段藥量炮孔布置和簡化后的模型示意圖分別如圖5所示。

圖5 炮孔簡化示意圖

根據簡化后的模型，采用ANSYS/LS-DYNA 進行建模，單位制為kg-m-s。目前，應用ANSYS/LS-DYNA 進行爆破模擬，存在4 種主流的爆破荷載施加方法[8]，其中采用荷載曲線模擬爆破荷載建模簡單，求解速度快。荷載曲線采用國際主流的爆破荷載數值模型，其曲線表達式如式（3）[9]：

其中，P0為峰值應力，根據式（1）計算的等效炮孔直徑取100mm，峰值應力參考文獻[10]，取P0=4500MPa；t 為自變量；t0為加載時間，取，α、β為常數，且β/α=1.5。加載曲線如圖6 所示。

圖6 爆破荷載加載時程曲線

既有隧道與新建隧道之間的巖體用關鍵字*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 進行描述。為模擬炸藥在無限介質中的爆炸，對除炮孔自由面以外的其他模型表面施加無反射邊界條件，建模效果如圖7 所示。

圖7 建模效果圖

4 模擬結果

分析計算結果時，在既有隧道左洞迎爆源一側墻腳處與掘進掌子面齊平位置，沿掘進方向每隔5m 設置1 個監測點，共設置5 個，以監測相應位置在爆破作用下的振動速度。

在ls-prepost 中提取計算后各監測點的x、y、z 方向的振動速度（矢量）以及合速度（標量）情況，振動波形圖如圖8 所示。

圖8 各監測點振動波形圖

從模擬結果來看，各個方向的振動速度隨著爆心距的增加呈減小趨勢。其中x 方向（垂直于隧道走向水平方向）振動速度最大，y 方向（垂直于隧道走向豎直方向）次之，z方向（平行于隧道走向水平方向）最小；各個監測點合速度的測振結果和模擬結果如表3 所示。

表3 實測和模擬振速對比表

從表3 中數據可以看出，數值模擬與實測結果吻合度較高，除測點5 外，其余測點的偏差均不超過15%，模擬的可信度較高。

5 安全性分析

對于既有隧道爆破振動控制標準，不同文件給出的標準值有著較大的差異。《爆破安全規程》中對既有交通隧洞的爆破振動安全允許標準最低為10cm/s；《鐵路工程爆破振動安全技術規程》對隧道爆破振動安全允許值最低為5cm/s；袁良遠等在研究中給出國內凈距小于30m 的類似隧道爆破振動控制的標準值[11]，其控制標準值根據隧道凈距和建成年份的不同分別為5-10cm/s 不等，其中建成年份較久的隧道（建成于20 世紀70 年代），凈距為20m 時，振動控制標準為6.0cm/s。考慮到既有隧道的現狀，該爆破工程中既有隧道的爆破振動安全允許值確定為6cm/s。

由于評價爆破振動有害效應時以相互垂直的三個振動分量中的最大值和其對應的頻率為評價指標。從測量結果來看，爆破振動速度最大的分量為垂直隧道走向的水平方向（x 軸方向），最大值為2.38cm/s，爆破振動波的頻率一般集中在10~50Hz 區間。從模擬結果來看，在爆破最大單段藥量為24kg 時，爆破振動對既有隧道的影響在安全允許范圍內。

6 結論

①從各個方向的振動速度來看，垂直于隧道走向的水平方向振速最大，豎直方向次之，沿隧道走向的水平方向振動速度最小。②與既有隧道凈距為18.15～25.48m時，在緊鄰隧道一側采用機械開挖，遠離一側采用爆破開挖，最大單響藥量24kg的情況下，爆破作業產生的振動對既有隧道的影響在允許的標準以內，爆破作業安全。③用合力矩理論將多炮孔簡化為一個等效炮孔，使用等效炮孔在ANSYS/LSDYNA 中建模研究爆破振動，該方法與實測數據對比，總體吻合度較高，較為可靠。