爆破震動條件下小凈距隧道合理凈距研究

程高峰

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041051）

0 引言

隨著國家公路網建設的不斷完善及中西部開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進，由于小凈距隧道能夠更好地適應山區(qū)的地形地貌，因此小凈距隧道修建規(guī)模越來越大，但其在修建過程中多次擾動圍巖，其圍巖應力多次重分布，且小凈距隧道結構受力體系復雜，極易引起隧道局部塌方、變形、基地失穩(wěn)等病害。目前，國內外學者針對小凈距隧道的施工技術已開展了大量的研究工作。祁寒[1]等人利用有限差分軟件FLAC3D對15種工況下淺埋偏壓小凈距隧道開挖進行了模擬，對均質硬巖、均質軟巖和豎向半軟半硬巖中不同凈距隧道的拱頂沉降、中巖墻的水平位移、中巖墻最大主應力和圍巖塑性區(qū)進行了分析。張學富[2]等人以重慶南山隧道出口端淺埋偏壓小凈距段為依托工程，對其進行現場監(jiān)測，并利用ANSYS軟件建立二維有限元模型對各工況圍巖位移、應力場及錨桿軸力進行對比分析，研究了其施工力學特性。張運良[3]等人運用ANSYS軟件研究淺埋偏壓小凈距隧道在不同的偏壓角度、間距、埋深條件下，先開挖深埋側和先開挖淺埋側兩種工況下的受力變形特性，并對比分析了圍巖拉應力、洞周最大位移、中巖柱水平位移和豎向應力等。胡華星[4]等人以艾坪山隧道為依托工程，利用數值模擬手段分析了軟弱圍巖洞口淺埋小凈距隧道分別采用先挖埋深較淺和先挖埋深較深兩種工況，提出了先開挖埋深較淺隧道再采用預應力對拉錨桿支護的施工方法。

然而小凈距隧道在爆破施工過程中易造成圍巖損傷破壞，且伴隨產生新的節(jié)理裂縫，嚴重影響圍巖的整體穩(wěn)定性。因此，本文結合黃衢南高速公路橫嶺底隧道的工程實際情況，重點分析了小凈距隧道合理凈距的取值影響因素，結合小凈距隧道爆破施工現場測試結果，并利用數值模擬手段分析了不同凈距隧道施工過程中的塑性區(qū)分布情況，從而綜合確定了小凈距隧道的合理凈距，為類似工程提供了借鑒意義。

1 工程概況

黃山至衢州高速公路是浙江省“二縱二橫十八連三繞三通道”中最重要的“一連”，是國家公路網中7條首都放射線中“北京-臺北”重要的組成部分，其在國家公路網中作用極為重要。該高速公路位于地質及地形條件極為復雜的山嶺重丘區(qū)，在設計過程中，為減小隧道開挖量、保護生態(tài)環(huán)境、降低工程造價、增加線形的靈活性，在整條高速公路中共修建11座小凈距隧道，其中橫嶺底隧道最具代表性。該隧道左洞長度為646 m，右洞長度為638 m，最小凈距僅為3.5 m，行車道凈寬為2×3.75 m，建筑界限為高5.5 m，寬10.75 m。該隧道進口處位于一斜坡地貌上，其坡度為33°～45°，地表覆蓋有6～8 m厚的殘坡積土，含有大量黏性土、碎石土，呈棱角狀，灰黃色，稍密；其下為黏性土層，厚度為10～12 m；下伏基巖為泥巖，主要包含全風化、強風化、微風化泥巖。

2 小凈距隧道合理凈距影響因素

2.1 地質因素

在隧道開挖過程中，圍巖應力狀態(tài)受到擾動，被擾動范圍大小與巖體強度性質有密切聯系。隧道圍巖二次應力狀態(tài)即隧道開挖后圍巖應力經調整后的分布特征，可以說，小凈距隧道開挖掌子面穩(wěn)定性受其圍巖二次應力狀態(tài)的影響。在地質條件較好情況下，圍巖自身穩(wěn)定性較好，隧道開挖后圍巖二次應力狀態(tài)為彈性應力，不采取支護措施也可處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當地質條件較差時，隧道開挖后，圍巖二次應力狀態(tài)為塑性狀態(tài)，產生塑性區(qū)，若小凈距隧道凈距取值較小，使得左右洞圍巖塑性區(qū)產生疊加，極易造成隧道圍巖失穩(wěn)、塌方、大變形等病害。

2.2 施工因素

由于不同施工方法對于隧道圍巖的擾動程度不同，其圍巖應力狀態(tài)也不同，因此小凈距隧道施工過程中應對開挖方法進行嚴格選用，保證圍巖穩(wěn)定。目前，針對Ⅵ級圍巖，一般采用單側壁導坑法進行開挖，并根據實際情況采取一定的超前支護加固措施；對于V級圍巖，尤其針對淺埋、偏壓、松散土質情況下，推薦采用正向單側壁導坑法；對于Ⅳ級圍巖，可根據實際情況選取上下臺階法與正向或反向側壁導坑相組合的方法進行開挖。根據施工經驗可知，小凈距隧道相鄰洞施工相互影響，后行洞采用側壁導坑法時，可使得先行洞開挖類似于分離式隧道，而先行洞在地質條件較好情況下可優(yōu)先選用臺階法。

2.3 爆破震動速度

根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）中的規(guī)定，小凈距隧道施工過程中應根據相鄰隧道凈距、圍巖級別、隧道支護措施等情況對最大臨界震動速度進行確定。對于Ⅴ、Ⅵ級圍巖段的先行隧道，最大臨界震動速度應不大于20 cm/s；Ⅲ、Ⅳ級圍巖有支護措施條件下不大于35 cm/s，無支護條件下不大于30 cm/s；Ⅰ、Ⅱ級圍巖有無支護情況下均應不大于40 cm/s。

2.4 爆破震動頻率

對于隧道圍巖而言，其對爆破震動的阻尼作用大小與爆破震動頻率有關，即在高頻震動情況下，圍巖阻尼作用較大，爆破震動能量吸收率較高。根據現場爆破震動監(jiān)測結果可知，在爆破震源點附近，高頻震動含量較高，而隨著距離的不斷增大，低頻震動含量逐漸增大。由于隧道圍巖及支護結構的自振頻率通常較低，當爆破震動主頻率與自振頻率接近時，引發(fā)自振作用，因此爆破震動頻率對隧道圍巖及支護結構的整體穩(wěn)定性影響較大。

3 現場測試

3.1 爆破震動測試方案

為全面了解小凈距隧道后行洞在爆破施工過程中對先行洞的影響程度，本文依托橫嶺底隧道工程，選取其右洞YK38+420斷面為典型測試斷面，其圍巖級別為V級，埋深為20 m，兩洞凈距僅為4.5 m。在該測試斷面選取3個測試點，測試點布設在迎爆側的邊墻部位，這些部位通常是最大震動速度出現區(qū)域[5]，測試點間距為2 m，其位置情況如圖1所示，現場具體情況如圖2所示。

圖1 測試點位置示意圖

圖2 測試點現場情況

在爆破現場測試中應使用TC-4850型爆破測振儀進行爆破震動信號的拾取，該測振儀配置了X、Y、Z三個方向的速度傳感器，并附帶相應軟件進行矢量合成分析。在測試過程中，拾振點粘貼在隧道邊墻部位，其將爆破震動信號轉換為電信號并傳回采集系統(tǒng)。

3.2 爆破震動測試結果

測試過程中所獲取的3個測試點的震動速度與時間的關系曲線如圖3所示。

圖3 3個測試點振波時間曲線

由圖3可以看出，P2斷面的爆破震動速度明顯較大，此原因主要在于當爆破面前方中巖柱兩側為臨空面時，后行洞在爆破開挖施工過程中對先行洞前方中間圍巖體的震動影響明顯大于后方圍巖；且先行洞的邊墻位置處，豎直方向爆破震動速度遠大于縱向速度。

4 數值模擬

本文在現場測試的基礎上，利用有限元軟件進行動態(tài)分析，重點研究不同凈距工況下圍巖塑性區(qū)的分布情況，并提取對應于現場測試P2斷面的爆破震動速度，從而進行全面分析。本文選取V級圍巖條件下的典型斷面分別建立了凈距為4 m、6 m、8 m、10 m四種工況下的隧道模型，其中凈距10 m的模型如圖4所示，其圍巖塑性區(qū)如圖5所示。

圖4 隧道模型網格圖

圖5 凈距10 m時的圍巖塑性區(qū)

由上述數值模擬結果可知，在V級圍巖條件下，當凈距為10 m時，后行洞進行爆破施工作業(yè)，其中間巖柱塑性區(qū)面積較凈距為4 m、6 m、8 m時的面積明顯減小，且唯有凈距為10 m時塑性區(qū)未覆蓋到先行洞的系統(tǒng)錨桿作用區(qū)，可見V級圍巖10 m凈距工況下后行洞爆破施工對其中間巖柱穩(wěn)定性影響較小，滿足施工安全要求。

5 結論

a）小凈距隧道合理凈距影響因素主要包括地質因素、施工因素、爆破震動速度、爆破震動頻率等，因此在施工過程中應充分考慮地質、施工因素，嚴格控制后行洞的爆破震動因素。

b）當爆破面前方中巖柱兩側為臨空面時，后行洞在爆破開挖施工過程中對先行洞前方中間圍巖體的震動影響明顯大于后方圍巖。

c）在V級圍巖條件下，凈距為10 m時中間巖柱塑性區(qū)范圍較小，可滿足后行洞爆破施工情況下先行洞的整體穩(wěn)定要求。