新建高鐵隧道斜跨既有高鐵隧道爆破振動控制技術

收稿日期：2024-03-01

作者簡介：王曉明（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：項目管理。

摘要 為分析汕汕高鐵平公山隧道爆破施工對下方既有屏峰山隧道影響，通過模擬分析不同施工方法、延時間隔和循環(huán)進尺等因素，研究表明：（1）臺階法施工時，下臺階分部爆破施工對既有隧道振速和應力效果影響明顯，可有效降低既有隧道動力響應；（2）延時間隔為5 ms以上時可避免不同炮孔應力波疊加導致既有隧道振速和應力增大；（3）循環(huán)進尺為2 m時，既有隧道振速在控制標準以下，滿足工程條件。

關鍵詞 高速鐵路隧道；爆破施工；上跨隧道；爆破振動控制

中圖分類號 U455.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0037-04

0 引言

隨著我國交通隧道的不斷增加，新建隧道臨近既有隧道的情況不斷增加，新建隧道鉆爆法施工會影響既有隧道正常運行甚至造成破壞。因此，研究新建隧道爆破施工對既有臨近隧道振動影響具有重要意義。

我國在2014年發(fā)布的《爆破安全規(guī)程》（GB6722—

2014）[1]以振動速度和頻率作為新建隧道爆破施工對鄰近建筑物的安全判據(jù)。張志威[2]等研究了微差爆破和設置不同減振孔對降低爆破振速的效果。和振海[3]等采用ANSYS/LS-DYNA軟件研究連拱隧道鉆爆法施工時不同循環(huán)進尺和隔振層的減振效果。孫壽榜[4]通過灰色關聯(lián)分析確定既有隧道襯砌振速影響因素的權重，由大到小依次為爆破荷載、混凝土彈性模量、隧道間距和圍巖彈性模量。管曉明[5]等通過理論分析爆破振動波的產生、傳播和不同炮孔爆破振動波疊加，結合實測數(shù)據(jù)分析確定了電子雷管爆破施工相較普通雷管爆破施工可減振60％以上。杜小剛[6]等通過控制單段最大齊爆藥量和調整砂質緩沖層范圍，將爆破振速控制在允許范圍內。

目前，爆破振動研究對既有高鐵隧道振動影響研究較少，新建隧道上跨既有高鐵隧道時由于迎爆側位于既有隧道拱頂處，與兩隧道平行施工有所不同，因此，該工程研究分析有重要工程意義。

1 依托工程概況

平公山隧道全長1 006.31 m，其中暗洞長951.31 m，該隧道與已建成通車的廈深鐵路屏峰山隧道存在交叉情況，平公山隧道（DK6+299.355）與廈深線屏峰山隧道（K348+217.289）成15 °8 ′斜交，交叉影響起始里程為DK6+110，交叉影響終止里程為DK6+430，交叉影響長度共計320 m，上跨段中心里程位置的新建隧道與既有隧道凈距為16.545 m，如圖1所示。DK6+110～DK6+430交叉地段（320 m）采用電子雷管微差微振爆破施工，爆破振速不大于1.5 cm/s；在隧道DK5+902（進口明暗交界大里程側20 m）～DK6+110（228 m）、DK6+430～DK6+793（363 m）采用控制爆破施工，爆破振速不大于3 cm/s。

圖1 既有屏峰山隧道與新建平公山隧道立體關系圖

2 爆破參數(shù)設計

在不同圍巖等級和振速控制標準下，炮孔設計和起爆網(wǎng)絡、最大單段炸藥量等均有所不同。在不同圍巖等級下可采用不同的施工方法，設計施工方法主要包括全斷面、二臺階、三臺階和二臺階三部施工方法，布孔和單段最大炸藥量如圖2～5所示。

不同施工方法下的最大單段炸藥量如表1所示。

3 數(shù)值模型建立

3.1 材料參數(shù)選取

（1）巖石材料模型。巖體材料采用*MAT_PLASTIC

_KINEMATIC模型，選取硬化參數(shù)β=0的隨動硬化，具體參數(shù)如表2所示：

表2 圍巖材料參數(shù)表

圍巖等級 ρ/（g?cm?3） E/GPa μ SIGY

Ⅲ級 2.4 13 0.25 8E-4

Ⅳ級 2.2 4.6 0.3 4.1E-4

Ⅴ級 1.8 1.6 0.35 1.6E-4

（2）炸藥材料模型。爆破炸藥為2#巖石乳化炸藥，材料為MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，能夠模擬烈性炸藥。該材料模型通過輸入質量密度、炸藥爆速、炸藥爆壓等參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)，能夠真實模擬炸藥在不同位置不同時間的起爆。

炸藥及其狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示：

表3 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)表

ρ/（g?cm?3） D/ms A B R1

1.3 4 000 2.144 0.182E-2 4.2

R2 OMEG E0 V0 —

0.9 0.3 4.19E-2 1.0 —

（3）空氣材料模型。空氣材料采用9號MAT_NULL模型，通過*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程補充解釋。材料參數(shù)如表4所示：

表4 空氣材料及狀態(tài)方程參數(shù)表

ρ/（g?cm?3） C0～C3、C6 C4、C5 E0/Pa V0

1.29E-2 0 0.4 2.5E-5 1.0

（4）襯砌材料模型。襯砌材料采用*MAT_JOHNSON

_HOLMQUIST_CONCRETE模型，即JHC模型。材料參數(shù)如表5所示：

表5 襯砌參數(shù)表

襯砌 ρ/（g?cm?3） G/GPa μ Fc/MPa

初支 2.41 11.9 0.2 25

二襯 2.42 12.75 0.2 30

仰拱 2.40 10.84 0.2 20

3.2 有限元模型建立

根據(jù)圣維南原理，當有限元模型左右寬度為隧道寬度的3～5倍時，可忽略邊界條件帶來的影響。隧道寬度為14.5 m，模型寬度方向（X方向）取110 m，高度方向（Y方向）取110 m，兩隧道位于模型中心上下兩側，兩隧道凈距為16.5 m，深度方向（Z方向）取150 m，兩隧道交叉點位于深度方向中點處。隧道四周和上下邊界為自由邊界條件。有限元模型如圖6所示：

圖6 有限元模型圖

4 不同施工方法數(shù)值模擬

調查文獻分析確定既有隧道振速最大點位于迎爆側，因此只需分析兩隧道交叉點處迎爆側振速，主要模擬全斷面、二臺階、三臺階和二臺階三部開挖，振速時程圖如圖7所示：

（a）全斷面及三臺階振速

（b）二臺階振速

圖7 不同施工方法振速時程圖

由圖7可知，臺階法施工時雖然爆破炸藥量有所減少，但下臺階爆破施工時爆源與既有隧道距離減小，降振效果不明顯。下臺階分兩部開挖時，振速降低量明顯。因此，可采用兩臺階三部開挖方法，降低爆破振速。

不同施工方法下兩隧道交叉點斷面各點最大主應力如圖8所示：

圖8 不同工況環(huán)向各點最大主應力圖

由圖8可知，臺階法爆破施工時下臺階最大主應力與全斷面爆破施工最大主應力相差不大，下臺階分部開挖可有效降低既有隧道應力。

綜上所述，臺階法施工時下臺階爆破施工時降低既有隧道振速和應力效果明顯，為降低新建隧道爆破施工對既有隧道影響，可采用兩臺階三部施工方法。

5 不同延時間隔數(shù)值模擬

鉆爆法施工時通常將炮孔分為掏槽孔、輔助孔、周邊孔和底板孔等不同類型，并按時間順序依次起爆不同炮孔，通過模擬延時間隔分別為0 ms、0.5 ms、1 ms、2 ms、

5 ms、10 ms、15 ms和掏槽孔單獨起爆，分析不同延時間隔下新建隧道鉆爆法開挖對既有隧道影響。如圖9和圖10所示，分別為不同延時間隔下兩隧道交叉斷面既有隧道環(huán)向各點的峰值振速圖和不同延時間隔的最大振速圖。

由圖9和圖10可知，隨著延時時間的增大，峰值振速先增大后減小，再增大，最后保持穩(wěn)定，峰值振速由大到小延時時間分別為0.5 ms、0 ms、1 ms、5 ms和

2 ms（5 ms以后振速與掏槽孔單獨爆破的振速值基本相同），峰值振速分別為17.4 cm/s、15.1 cm/s、10.5 cm/s、10 cm/s、9.12 cm/s。在延時間隔大于5 ms時，可避免不同炮孔振動波相互疊加造成既有隧道的振速值增大。

圖9 不同延時間隔環(huán)向各點峰值振速圖

圖10 不同延時間隔最大振速圖

為分析新建隧道不同延時間隔爆破施工下既有隧道的應力響應。如圖11和圖12所示，分別為不同延時間隔下既有隧道環(huán)向各點的最大主應力及不同延時間隔的最大拉應力。

圖11 不同延時間隔環(huán)向各點最大主應力圖

圖12 不同延時間隔最大拉應力圖

由圖11和圖12可知，最大拉應力主要出現(xiàn)在拱腰處，應重點關注既有隧道拱腰處襯砌情況，其次為拱肩和拱頂，拱腳和仰拱處最大拉應力較小。隨著延時時間的增大，既有隧道最大拉應力先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)，最大拉應力由大到小延時間隔分別為0.5 ms、0 ms、1 ms、2 ms、5 ms，應力值分別為488 kPa、471 kPa、378 kPa、299 kPa和282 kPa。為避免不同類型炮孔爆破應力波的疊加影響，可選取延時間隔為5 ms以上。

6 不同循環(huán)進尺數(shù)值模擬

循環(huán)進尺不同時爆破炸藥量也不同，對施工的安全性和經(jīng)濟性有較大影響，為確保既有隧道的安全性和工程進度，模擬循環(huán)進尺分別為1 m、2 m和3 m時既有隧道的動力響應。如圖13所示為既有隧道交叉點斷面拱頂?shù)恼袼贂r程圖。

圖13 控制爆破既有隧道拱頂振速時程圖

由圖13可知，循環(huán)進尺分別為1 m、2 m和3 m時既有隧道振速值分別為2.57 cm/s、6.09 cm/s和10.4 cm/s，根據(jù)我國2014年發(fā)布的《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014），交通隧道允許振速為10～20 cm/s。由于既有高鐵隧道對振速控制要求增高，現(xiàn)將振速標準控制在10 cm/s，進尺為1 m和2 m時振速均未超過允許振速，考慮開挖效率的情況下最佳循環(huán)進尺為2 m。

7 結論

（1）通過分析全斷面、二臺階、三臺階、二臺階三部等施工方法，表明二臺階三分部施工方法可有效降低新建隧道施工時既有隧道的振速和應力。

（2）不同類型炮孔延時間隔增大時，振速和應力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，最后趨于平穩(wěn)。延時間隔為5 ms以上時峰值振速主要受掏槽孔爆破影響，可有效避免不同類型炮孔爆破應力波疊加增大對既有隧道的破壞。

（3）循環(huán)進尺不斷增大的同時，炸藥量也不斷增加，既有隧道振速增大。為確保既有隧道安全性，選取循環(huán)進尺為2 m，振速可控制在10 cm/s以下。

參考文獻

[1] 爆破安全規(guī)程： GB6722—2014[S]. 北京：中國標準出版社， 2015.

[2]張志威， 梅頂， 吳建鵬. 新建隧道近接既有隧道爆破施工減振措施研究[J]. 山西建筑， 2023（3）： 168-170+185.

[3]和振海， 孫印國， 羅忠榮， 等. 連拱隧道爆破振動響應與減振技術研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2022（4）： 677-681.

[4]孫壽榜. 近距離隧道施工對既有隧道結構安全性影響研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學， 2014.

[5]管曉明， 王旭春， 安建永， 等. 隧道微差爆破的延時計算及電子雷管減振應用[J]. 隧道建設（中英文）， 2018（12）： 1941-1947.

[6]杜小剛， 程玉泉， 林從謀. 超小凈距下穿高鐵隧道減振爆破技術[J]. 工程爆破， 2017（2）： 44-48.