小凈距隧道爆破施工對鄰近裂縫隧道動力響應的影響

[ABSTRACT]Inorder to studythedynamic response lawof adjacent lining crack tunnelsduring blasting constructionof small clearance tunnels，numerical simulationmethodswereusedtostudythe efectof diferentdistribution positiosand depthsoflining cracks indiffrentlevelsofrockonblastingdynamicresponse.Theresultsshow thatthediffrentdistribution positions and depthsof lining cracks indiferent levelsofrock have no significantimpactonthevibration velocityresponseof the lining of existing tunnels.Butthere isacertain impact onthestressresponseof thelining of existing tuels. Theimpact isonlynearthecracksand varies withthedistribution positions，sizes，androck levels.Whenthere are cracks indiferentpositionsofthliningofexisting tunnels，thereisacertainamplificationefectonthetensilestressofthestructure.Theamplification efect is most significant when there arecracks inthe sidewallsfacing theexplosion.Atthe same position ofthe lining of the existing tunnel，thedeeper thecracks，thegreater thenearbyprincipal tensile stress.The higherthelevelof therock，the more significanttheamplificationeffectoftheprincipaltensile stress nearthecrack.When using vibration velocityas the safetycontrol benchmarkfor adjacent cracked tunnelsduringthe blasting construction process of newtunnels，thecontrol valueof vibration velocityatthecrack locationshouldbeappropriatelyreduced，andthedegree of reduction varies with the distribution position and depth of the crack.

[KEYWORDS]smal clear distance tunnel; blast； reconstruction and expansion； crack； dynamic response

0 引言

近年來，隨著經濟建設的快速發展，我國城市化建設不斷向前推進，現有的道路交通運輸能力已經無法滿足日益增長的交通運輸量[1]。為了緩解當前嚴重的交通壓力，提高道路交通服務水平，原有道路交通改、擴建工程逐漸增多[2]。隧道成為公路改、擴建中的重要節點。在既有隧道旁新建或擴建平行隧道成了主要的改、擴建方案，但往往受到既有隧道線形、地形、地貌、環境等的限制[3]

鉆爆法以成本低、效率高等顯著優勢被廣泛用于我國山嶺隧道的開挖施工[4]。而新建隧道在鉆爆法施工中產生的爆破波能量不可避免地會對既有隧道的結構安全產生一定的影響。目前，針對上述問題，已有大量學者采用數值模擬、現場監測以及理論分析的方法進行了研究。李鋼5采用有限元數值模擬結合現場測試的方法，對大斷面、小凈距隧道的爆破信號進行了分析，確定了爆破振動信號的時頻特征。李小帥等采用現場試驗，通過改進的變分模態分解與多尺度排列熵算法對爆破振動信號進行了消噪處理，基于此，分析了掏槽孔與周邊孔爆破在后行洞非中夾巖區和中夾巖區產生的振動特征差異。袁冉等[]采用數值模擬方法對小凈距、交疊隧道掏槽爆破的動力響應進行了研究。馬躍原等[8]進行了小凈距、大斷面隧道先行洞的爆破動力響應特性及安全控制研究。劉閩龍等9研究了爆破載荷作用下淺埋小凈距隧道圍巖的損傷規律。

但以上研究中均未考慮既有隧道襯砌缺陷對振動響應的影響。實際上，既有隧道往往受到施工工藝、地質條件、運營過程中的養護條件、地質災害等綜合因素的影響，隧道結構或多或少地會出現襯砌裂縫等問題[10]。而裂縫等的存在會對襯砌結構的動力響應產生一定影響，增加既有隧道安全運營的風險。因此，在新建隧道爆破施工過程中，研究既有隧道襯砌裂縫對結構動力響應的影響顯得尤為重要。汪波等1以實際工程為依托，采用數值模擬研究了新建隧道爆破施工時既有隧道襯砌裂縫對動力響應的影響，但并未提出既有隧道襯砌存在裂縫時安全控制基準的制定依據。

在京港澳高速公路既有旦架哨隧道改、擴建工程中，首先，對既有隧道襯砌裂縫的實際分布規律進行了統計分析；然后，采用數值模擬的方法對不同圍巖條件下既有隧道二襯出現不同深度、不同部位的裂縫時，隧道結構的動力響應進行了分析。以期探明小凈距隧道爆破振動對既有裂縫隧道的動力響應的影響規律。

工程概況

京港澳高速公路北起北京，南抵香港、澳門。京港澳高速公路粵境清遠至廣州段，起自廣東省清遠市佛岡縣，順接華南快速路，經北二環高速公路和廣珠高速公路至廣東省珠海市。

本次改、擴建段含既有隧道1座（旦架哨隧道），位于佛岡縣城南約 5km 處。既有隧道與擬增建隧道均為上、下行分離式的六車道高速公路隧道，且均為中長隧道。既有隧道的凈寬 14.00m ，凈高5.00m ，最大埋深約 150m 。新建隧道凈寬14.75ρ_m ，凈高 5.00m ，最大埋深約 146m 。隧道穿越的巖層主要為中風化千枚巖。圍巖級別主要為IV、V級。其中，V級圍巖占比超 61% 。

項目改、擴建方案如圖1所示。既有左線、新建左線以及既有右線隧道間凈距約 25m ；既有右線和新建右線隧道凈距約 70m 。

2 既有隧道襯砌裂縫

在建立數值模型前，對既有隧道襯砌裂縫的實際分布狀況進行了統計分析。

2.1 裂縫類型分析

既有隧道洞身的襯砌裂縫中，環向裂縫最多，其次為斜向裂縫，縱向裂縫最少。斜向裂縫角度主要集中在 45^°～60^° 。對不同方向分布的裂縫數量進行統計，如表1所示，

2.2裂縫分布位置及寬度分析

由圖2可知，裂縫沿襯砌橫斷面主要分布在邊墻區域，寬度 w 多小于 0.2mm 。

2.3裂縫在不同級別圍巖中的分布

由圖3可知，IV、V級圍巖中均存在裂縫。其中，V級圍巖中分布要略多，占總數的 56% 0

3 數值計算

3.1 計算方案

3.1.1 計算模型

采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立準三維有限元模型。新建右線隧道距離既有右線隧道 70m ，距離較遠。故以新建左線隧道爆破施工對既有隧道的影響為例進行分析，凈距按實際距離取 25m 。模型整體尺寸為 247m×140m×1m ，如圖4所示。

但在實際建模過程中，考慮到模型邊界作用，在新建隧道掌子面爆破 1m 加載區域前、后，將模型沿縱向各拓展 10m ，且將新建隧道掌子面前方拓展的10m 挖空，以模擬新建隧道掌子面前方的實際開挖區域，而既有隧道沿縱向均挖通。為了準確模擬實際圍巖中地震波的傳播，模型四周設置人工黏彈性邊界，以較好地吸收P波波動能量，使得計算結果更加準確。

襯砌不同位置處裂縫模擬如圖5所示。圖5中， h 為襯砌厚度。

3.1.2 爆破載荷計算

根據以往施工經驗和相關文獻[11-12]，相比露天爆破，地下隧道爆破只有1個自由面，只能通過掏槽方式形成新的自由面。掏槽孔爆破產生的振動效應最大，后續爆破中自由面不斷增多，爆破振動效應對既有隧道的影響較小。故僅模擬掏槽爆破。目前，爆破載荷加卸載模型主要有3類[13]：第一類為三角形波形；第二類為指數型波形；第三類為諧波函數。其中，三角形波形是應用最廣泛的一種。巖土介質中任一點的爆炸壓縮波多呈三角形載荷形式，超壓經過峰值后急劇衰減，進而按卸載波傳播[14]。故采用三角形波形模型進行計算。載荷曲線需確定3個關鍵點，即峰值載荷、爆破振動升壓時間和降壓時間。上升加載時間取 12ms ，卸載持續時間取88ms，總計算時間取 1s^[14-16] ，如圖6所示。

采取經驗公式[16-7]計算峰值爆破載荷 p_max 。

式中： Z 為比例距離； R^* 為炮孔至載荷作用面的距離； Q 為炮孔填藥量。

其中，式（2）中 R^* 的取值由最不利情況確定，即將掏槽孔連線作為邊界確定的截面等效為一個大掏槽孔，取底板與大掏槽孔中心的距離（施工中掏槽孔布置在施工斷面中心略偏下的位置）。

IV級和V級圍巖下，新建隧道分別采用雙側壁導坑法和單側壁導坑法施工。如圖7所示，計算過程中，假設爆破載荷以均布載荷的壓力形式作用于隧道洞壁上，方向與洞壁垂直[16，18]，峰值載荷為7.89MPa 。既有隧道襯砌的測點布置如圖8所示。

3.1.3 計算參數

既有隧道采用的是25號混凝土，對應的強度等級為C23[19-20] 。

本次計算參數如表2所示。

3.1.4 計算工況

裂縫均位于襯砌邊墻。根據以往研究可知，既有隧道結構迎爆側的爆破振動響應要更加明顯[10]因此，選定既有隧道迎爆側拱頂、拱腰和邊墻位置分別出現不同深度的裂縫作為研究對象。裂縫深度取h/4，h/2 和 3h/4 ，裂縫表面寬度取 3mm ，圍巖等級為 級。與相應位置無裂縫時進行對比分析，具體計算工況如表3所示。

3.2 計算結果分析

3.2.1 裂縫分布位置

1）對振速響應的影響。圖9為既有隧道襯砌不同位置存在 3h/4 深裂縫時不同測點處水平 x 和豎向 y 峰值振速的變化曲線。首先，既有左、右線隧道水平和豎向振速呈相同的變化規律，即迎爆側測點處峰值振速均大于背爆側，迎爆側邊墻處出現最大峰值振速，且既有左線隧道不同測點處峰值振速均要大于既有右線。究其原因為，新建隧道單側壁導坑法施工時，第一工序位于左上角，即掏槽孔位置距既有左線隧道更近。其次，同無裂縫工況相比，襯砌不同位置裂縫對各測點處的振速響應基本無影響，裂縫對既有隧道襯砌振速響應無放大效應。由圖9（a）和圖9（b）可知，既有左線隧道右邊墻（迎爆側）存在 3h/4 深裂縫時，裂縫附近水平和豎向峰值振速分別為 3.52cm/s 和 2.45cm/s ，無裂縫時分別為 3.50cm/s 和 2.45cm/s ，變化率僅為 0.57% 和0。由圖9（c）和圖9（d）可知，既有右線隧道左邊墻（迎爆側）存在 3h/4 深裂縫時，裂縫周圍水平和豎向峰值振速分別為 2.78cm/s 和 1.62cm/s ，無裂縫時分別為 2.78cm/s 和 1.62cm/s ，均無變化。

2）對應力響應的影響。圖10為既有隧道襯砌不同位置存在 3h/4 深裂縫時不同測點處主拉應力的變化曲線。由圖10可知，當既有隧道襯砌存在裂縫時，裂縫周圍會出現應力集中現象，導致主拉應力增大。由圖10（a）可知：既有左線隧道拱頂、右拱腰和右邊墻無裂縫時，主拉應力分別為0.58、0.90MPa 和 1.30MPa ;當均存在 3h/4 深裂縫時，主拉應力分別為 0.64，1.04MPa 和 1.58MPa ，增幅分別為10.3% 、 15.6% 和 21.5% 。由圖10（b）可知：既有右線隧道拱頂、左拱腰和左邊墻無裂縫時，主拉應力分別為 0.30，0.64MPa 和 1.06MPa ；當均存在 3h/4 深裂縫時，主拉應力分別為 0.32，0.74MPa 和1.27MPa ，增幅分別為 6.7%.15.6% 和 19.8% 。由此可知，裂縫對結構主拉應力的放大效應從大到小依次為迎爆側邊墻裂縫、迎爆側拱腰裂縫、拱頂裂縫。

以既有左線隧道為例，提取襯砌不同位置裂縫附近主拉應力云圖，如圖11所示。同樣地，迎爆側邊墻裂縫對主拉應力的放大效應最顯著。

綜合分析，既有隧道襯砌不同位置出現裂縫時，對結構的振速響應基本無影響。而相比無裂縫工況，裂縫對結構主拉應力具有一定放大效應，且迎爆側邊墻處裂縫對應力的放大效應最明顯。研究表明，爆破振動對隧道結構的破壞效應主要以拉破壞為主[21]。因此，針對裂縫襯砌，建議將既有隧道襯砌混凝土對應的標準抗拉強度作為襯砌結構破壞限值，建立襯砌存在不同位置裂縫時的安全控制基準。再根據裂縫處振速和應力間的關系，最終得出：當以振速作為施工過程中既有裂縫隧道的安全控制基準表征值時，應適當降低裂縫處的振速控制值，且迎爆側邊墻裂縫處振速控制值降低較多。

3.2.2 裂縫深度

1）對振速響應的影響。圖12為既有隧道襯砌迎爆側邊墻處存在不同深度裂縫 （h/4，h/2 和 3h/ 4）時各測點處水平和豎向峰值振速的變化曲線。由圖12可知：襯砌迎爆側邊墻存在不同深度裂縫時，既有左、右線隧道邊墻處水平和豎向振速呈相同的變化規律；與無裂縫工況相比，不同深度裂縫對各測點處的振速響應同樣基本無影響，即不同擴展深度裂縫對振速均無放大效應。由圖12中既有隧道水平峰值振速效應為例分析可得：既有左線隧道右邊墻存在 h/4，h/2 和 3h/4 深裂縫時，裂縫處水平峰值振速分別為 3.50，3.50cm/s 和 3.52cm/s ，相比無裂縫時的 3.50cm/s ，變化率分別為0、0和0.57% 。既有右線隧道左邊墻存在 h/4，h/2 和3h/4 深裂縫時，裂縫處水平峰值振速分別為2.78、2.78cm/s 和 2.78cm/s ，相比無裂縫時的 2.78cm s，變化率均為0。

2）對應力響應的影響。圖13為既有隧道襯砌迎爆側邊墻存在不同深度裂縫 （h/4，h/2 和 3h/4 ）時各測點處主拉應力的變化曲線。由圖13可知：襯砌迎爆側邊墻存在不同深度裂縫時，既有左、右線隧道各測點處主拉應力呈相同的變化規律。裂縫擴展深度越大，對主拉應力響應的放大效應越明顯，且放大響應只存在于裂縫附近。既有左線隧道右邊墻存在 h/4，h/2 和 3h/4 深裂縫時，裂縫處主拉應力分別為 1.40，1.50MPa 和 1.58MPa ，相比無裂縫時的1.30MPa ，變化率分別為 7.7% 、 15.4% 和 21.5% 。既有右線隧道左邊墻存在 h/4，h/2 和 3h/4 深裂縫時，裂縫處主拉應力分別為 1.12，1.21MPa 和1.27MPa ，相比無裂縫時的 1.06MPa ，變化率分別為5.7% 、 14.2% 和19. 8% 0

以既有左線隧道為例，提取襯砌不同位置、不同深度裂縫附近主拉應力云圖，如圖14所示。裂縫擴展深度越大，對主拉應力響應的放大效應越明顯。

綜合分析既有隧道襯砌同一位置、不同深度裂縫對結構振動響應的影響規律，同樣建議：應根據既有隧道襯砌混凝土的標準抗拉強度作為結構破壞限值，建立襯砌存在不同深度裂縫時的安全控制基準。且襯砌同一位置裂縫越深，裂縫處振速控制值降低越多。

3.2.3 不同圍巖級別下裂縫的影響

由3.2.1和3.2.2節分析可知，最不利工況為迎爆側邊墻出現 3h/4 裂縫。以該最不利情況作為裂縫工況，以既有左線隧道為例，分析不同圍巖等級下裂縫對襯砌結構動力響應影響。

1）振速響應影響性。圖15和圖16分別為不同圍巖級別下既有隧道測點處峰值振速變化及邊墻裂縫處峰值振速衰減曲線。不同圍巖級別下，既有隧道測點處的峰值振速變化規律一致；且圍巖級別越高，測點處的振速越大。而不同圍巖級別中，裂縫對測點振速的影響仍然很小。相比無裂縫， _IV，V 級圍巖中，既有隧道襯砌迎爆側邊墻處水平振速變化分別為 0.010cm/s 和 0.020cm/s ;豎向振速變化分別為 0.003cm/s 和 10.010cm/s 。

2）應力響應影響性。圖17為不同圍巖級別下既有隧道測點處主拉應力的變化曲線。不同圍巖級別下，既有隧道測點處主拉應力變化規律一致；圍巖級別越高，測點處主拉應力越大；同時，裂縫處的主拉應力放大效應也越顯著。 _IV，V 級圍巖中，邊墻無裂縫時主拉應力為 1.30MPa 和 1.48MPa ，邊墻存在 3h/4 深裂縫時為 1.58MPa 和 2.00MPa ，增幅分別為 21.5% 和 135.1% 0

以既有左線隧道為例，提取IV、V級圍巖中襯砌迎爆側邊墻處有、無裂縫時的主拉應力云圖，如圖18所示。圍巖級別越高，裂縫處對主拉應力響應的放大效應越明顯。

綜合分析，同樣建議：以既有隧道襯砌混凝土的標準抗拉強度作為結構破壞限值，建立不同級別圍巖下襯砌存在裂縫時的安全控制基準。且圍巖級別越高，裂縫處振速控制值降低越多。

4結論

以既有旦架哨隧道改、擴建工程為背景，基于既有隧道襯砌裂縫實際分布規律，研究了襯砌裂縫分布位置、尺寸及不同圍巖級別的襯砌裂縫對結構爆破振動響應規律的影響。得出以下結論：

1）不同分布位置、不同尺寸及不同圍巖級別的襯砌裂縫對既有隧道襯砌的振速響應無明顯影響。而對既有隧道襯砌的應力響應存在一定影響，且影響隨著分布位置、尺寸及圍巖級別的不同而不同。2）裂縫不同位置和不同深度對結構拉應力均存在一定的放大效應。迎爆側邊墻存在裂縫時，放大效應最顯著；裂縫越深，對主拉應力的放大效應越大；襯砌圍巖級別越高，裂縫處主拉應力的放大效應越大。3）應以既有隧道襯砌混凝土的標準抗拉強度作為結構破壞限值，建立裂縫襯砌的安全控制基準。再根據裂縫處振速和應力間的關系，當以振速作為施工過程中既有裂縫隧道的安全控制基準表征值時，應適當降低裂縫處振速控制值。裂縫分布情況不同，降低程度也不同。

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