下穿橋梁隧道爆破參數(shù)設(shè)計(jì)研究

李陽(yáng)

（重慶高速公路集團(tuán)有限公司，重慶 400000）

0 引言

下穿橋梁隧道爆破施工在隧道開挖中應(yīng)用廣泛，但其對(duì)周邊既有建筑物的影響難以估量[1-3]。爆破施工的影響因素較多，為保證橋梁運(yùn)行的安全性，文章以爆破藥量對(duì)橋梁振動(dòng)的影響進(jìn)行研究，以確定更合理的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，為相關(guān)爆破施工提供參考。

1 工程概況

某隧道為分離式長(zhǎng)隧道，左幅起訖樁號(hào)為ZK4+955—ZK8+070，全長(zhǎng)3115m，最大埋深約569.71m，右幅起訖樁號(hào)為YK4+925—YK8+020，全長(zhǎng)3095m，最大埋深為569.78m。該隧道下穿某高速公路上的一座特大橋，與既有橋梁（10#承臺(tái)）相距最小距離為24m。由于右幅隧道進(jìn)口過于鄰近大橋橋墩，進(jìn)行隧道爆破施工時(shí)會(huì)對(duì)該大橋的結(jié)構(gòu)安全造成威脅，需要嚴(yán)格進(jìn)行振動(dòng)控制。因此，分析隧道爆破施工對(duì)鄰近大橋振動(dòng)的影響，并得出最優(yōu)裝藥方案，以最大限度地降低對(duì)鄰近大橋的振動(dòng)影響。

2 特殊段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法爆破模擬分析

2.1 爆破布孔設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道施工設(shè)計(jì)文件，由于下穿橋梁隧道與既有橋梁（10#承臺(tái)）相距最小距離為24m，隧道的圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，且隧道的斷面相對(duì)較大。為了應(yīng)對(duì)這種情況，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，開挖爆破進(jìn)尺為1.5m，爆破順序如圖1所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法爆破開挖順序圖

該隧道的開挖順序?yàn)棰佗冖邰堍茛蕖Ｔ冖俨糠种校_挖出先行洞，以增加后續(xù)開挖部分的爆破臨空面。然而，①部分的開挖爆破會(huì)對(duì)附近的大橋造成較大的振動(dòng)影響。為確保滿足設(shè)計(jì)振動(dòng)速度要求，需要控制①部分的開挖爆破，如圖2 所示。

圖2 隧道開挖爆破炮孔布置圖

2.2 爆破裝藥量設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3 種不同的裝藥量方案，分析在3 種裝藥量方案下，下穿橋梁隧道爆破施工對(duì)既有大橋的影響規(guī)律。同時(shí)，通過對(duì)這3 種裝藥量方案的爆破振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以找到適用于該隧道斷面的最佳裝藥設(shè)計(jì)方案。根據(jù)爆破掏槽布孔參數(shù)，開挖爆破炮孔鉆孔直徑為42mm，采用毫秒雷管起爆，爆破掏槽眼、輔助眼、底板眼、周邊眼的起爆時(shí)間分別為0ms、20ms、30ms、40ms、50ms。

計(jì)算模型裝藥量如表1 所示。

表1 計(jì)算模型裝藥量

2.3 計(jì)算模型模擬

2.3.1 模型建立

為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用三維計(jì)算模型，其尺寸取值為：X 方向上邊界為190m，Y 方向上邊界為130m，Z 方向上邊界為140m。整個(gè)計(jì)算模型共有42324 個(gè)節(jié)點(diǎn)和229204 個(gè)單元，爆破計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 隧道爆破計(jì)算模型圖

選取測(cè)點(diǎn)1（10#承臺(tái)）、測(cè)點(diǎn)2（10#橋墩上橋面）、測(cè)點(diǎn)3（邊跨1/2 截面處橋面）和測(cè)點(diǎn)4（11#橋臺(tái)橋面）四個(gè)測(cè)點(diǎn)分析爆破振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

2.3.2 邊界條件

確定邊界范圍，左右邊界上加水平約束，下邊界上加全約束，上邊界為自由邊界。在實(shí)際情況下，爆破后應(yīng)力波向各個(gè)方向傳播，不存在應(yīng)力波反射的情況。所以在模型中施加無(wú)反射邊界條件，以保證爆破數(shù)值模擬與實(shí)際情況一致。

2.4 爆破模擬效果分析

以方案三為例，計(jì)算得到隧道開挖施工爆破鄰近特大橋測(cè)點(diǎn)1（10#承臺(tái)）振動(dòng)速度，如圖4～圖7 所示，其余計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 方案三各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度

圖4 測(cè)點(diǎn)1-X 方向振動(dòng)速度圖

圖5 測(cè)點(diǎn)1-Y 方向振動(dòng)速度圖

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，可以得出橋梁在方案三爆破裝藥量下的振動(dòng)情況。其中，測(cè)點(diǎn)1 的X 方向最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為1.56cm/s，Y 方向最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為1.13cm/s，Z 方向最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.89cm/s，質(zhì)點(diǎn)矢量合振動(dòng)速度最大值為1.81cm/s；測(cè)點(diǎn)3 的質(zhì)點(diǎn)矢量合振動(dòng)速度達(dá)到1.80cm/s，Y 方向和Z 方向的振動(dòng)速度在橋跨中最大，兩端相對(duì)較小。同時(shí)，X 方向的振動(dòng)速度隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離爆破面而逐漸減小，呈線性規(guī)律。

此外，從數(shù)據(jù)分析中還可以得出，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)速度在不同測(cè)量時(shí)間內(nèi)的變化較小，波動(dòng)范圍較小，說(shuō)明這些位置相對(duì)穩(wěn)定；測(cè)點(diǎn)3 和測(cè)點(diǎn)4 的振動(dòng)速度變化較大，波動(dòng)范圍較大，說(shuō)明這些位置不太穩(wěn)定。在同一測(cè)點(diǎn)上，不同方向上的振動(dòng)速度有所不同，說(shuō)明振動(dòng)速度的大小和方向有關(guān)。

通過計(jì)算得到方案一、方案二、方案三在不同裝藥量作用下的爆破時(shí)，特大橋爆破振動(dòng)合速度值的變化，如表3 所示。

表3 不同裝藥方案的爆破振動(dòng)矢量合速度統(tǒng)計(jì)表（單位：cm/s）

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可以看出，裝藥量對(duì)橋梁振動(dòng)有直接影響。隨著裝藥量的減小，橋梁的振動(dòng)速度也相應(yīng)減小，不同測(cè)點(diǎn)之間振動(dòng)速度的差異也會(huì)隨著裝藥量的不同而有所變化。方案三較方案一裝藥量減小22.2%，橋梁振動(dòng)速度整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)1 的速度減小40.85%，測(cè)點(diǎn)2 減小49.62%，測(cè)點(diǎn)3 減小17.43%，測(cè)點(diǎn)4 減小54.47%。這表明調(diào)整裝藥量方案可以控制橋梁振動(dòng)的速度，并實(shí)現(xiàn)不同測(cè)點(diǎn)之間振動(dòng)速度的平衡，從而保證橋梁的安全性。在具體實(shí)踐中，可以根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用情況，選擇合適的裝藥量方案。

方案一和方案二的裝藥量較大，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度較高，而方案三的裝藥量較小，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度較低，但測(cè)點(diǎn)1 的振動(dòng)速度仍然較大，可能需要對(duì)方案三進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。此外，應(yīng)該充分考慮不同測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)速度差異。在方案一和方案二下，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 之間的差異最小，表明這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)受到的影響相似，可能是由于它們的位置比較接近。測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 之間的速度差距在方案一和方案二下最小，約為0.53m/s；測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)3 之間的速度差距在方案三下最小，約為0.01m/s。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況和橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)科學(xué)制訂裝藥量方案，以平衡不同測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)速度。這也表明，在裝藥量較小時(shí)，橋面上的邊跨測(cè)點(diǎn)所受的影響與承臺(tái)測(cè)點(diǎn)相似，需要對(duì)邊跨位置進(jìn)行更加詳細(xì)的分析。

采用方案一和方案二進(jìn)行爆破，各測(cè)點(diǎn)下合振動(dòng)速度隨距爆心距離的增大逐漸減小，呈線性相關(guān)關(guān)系，因此應(yīng)合理安排爆破點(diǎn)和裝藥量。采用方案一時(shí)，橋梁振動(dòng)速度從測(cè)點(diǎn)1 到測(cè)點(diǎn)4 逐漸減小，振動(dòng)速度從3.06m/s 減小到1.23m/s，減小了59.80%；采用方案二時(shí)，橋梁振動(dòng)速度從測(cè)點(diǎn)1 的2.53m/s 減小到測(cè)點(diǎn)4 的0.81m/s，減小了67.98%；采用方案三時(shí)，橋梁振動(dòng)速度從測(cè)點(diǎn)1 的1.81m/s 減小到測(cè)點(diǎn)4 的0.56m/s，減小了69.06%。因此，應(yīng)該合理安排爆破點(diǎn)和裝藥量，以減小振動(dòng)速度并確保橋梁的安全。

綜上所述，裝藥量方案對(duì)橋梁振動(dòng)有直接影響，需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和調(diào)整。在具體實(shí)踐中需要綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用情況和周圍環(huán)境等因素，制訂合理的裝藥量方案，以實(shí)現(xiàn)橋梁不同測(cè)點(diǎn)之間振動(dòng)速度的平衡，保障橋梁的安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

第一，爆破藥量對(duì)橋梁振動(dòng)影響明顯，裝藥量從方案一（37.8kg）到方案三（29.4kg）的減少，使測(cè)點(diǎn)1速度平均減小40.85%，測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3 分別減小了49.62%和17.43%，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整藥量。

第二，不同裝藥量方案下，測(cè)點(diǎn)之間振動(dòng)速度大小存在差異，在方案一和方案二下，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 之間的速度差距最大，達(dá)到0.53m/s；測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)3 之間的速度差距在方案三下最小，約為0.01 m/s。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況和橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)科學(xué)制訂裝藥量方案，以平衡不同測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)速度。

第三，采用方案一和方案二進(jìn)行爆破，各測(cè)點(diǎn)下合振動(dòng)速度隨距爆心距離增大逐漸減小，呈線性相關(guān)關(guān)系。在方案一下，測(cè)點(diǎn)1 到測(cè)點(diǎn)4 的橋梁振動(dòng)速度從3.06m/s 逐漸降至1.23m/s，減小了59.80%；在方案三下，測(cè)點(diǎn)1 到測(cè)點(diǎn)4 的橋梁振動(dòng)速度從1.81m/s 減小到0.56m/s，減小了69.06%。因此，應(yīng)該合理安排爆破點(diǎn)和裝藥量，以減小振動(dòng)速度并確保橋梁的安全。

第四，裝藥量對(duì)橋梁振動(dòng)有直接影響，應(yīng)科學(xué)制訂裝藥量方案，以確保橋梁安全。例如，爆破藥量過大可能導(dǎo)致橋梁損壞，而藥量過小則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合適的藥量分配方案。

第五，綜合對(duì)比，方案三作為該隧道特殊斷面的爆破藥量最為合適。