新建隧道平行既有隧道施工及爆破影響研究

魯嘯龍 胡 輝

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學院，成都 610031)

1 概述

隨著城市化進程的加快，既有市政工程已不能滿足城市發(fā)展需求，在城市建設用地日益緊張的情況下，隧道工程甚至地下工程的利用和開發(fā)就顯得越來越重要。隧道工程的大力建設勢必會出現(xiàn)許多近接施工的問題，因為新建隧道工程會緊鄰既有隧道，隧道開挖施工將引起周圍土體擾動，改變地層應力分布，造成既有隧道襯砌結構受力發(fā)生改變。同時，新建隧道的爆破施工，在動力響應上必然會對鄰近的既有隧道及建（構）筑物產(chǎn)生不同程度的振動影響，振動影響較強時，甚至造成既有隧道結構的破壞或坍塌。

對于隧道工程近接施工及爆破振動影響的研究，國內(nèi)外有很多學者已取得了一些研究成果[1-6]。但這只是研究了某些條件下的影響規(guī)律，因為不同條件下施工的影響程度和范圍不盡相同。對于新建隧道平行既有隧道施工及爆破影響的研究仍沒有明確和定性的成果，無法對當今的設計和施工提供指導。

2 問題提出

2.1 工程概況

既有隧道為市政公路隧道，分離式雙向四車道，全長391 m，兩隧道的測設中線間距63.5 m，其結構為三心圓帶仰拱變截面襯砌。整個既有隧道處于Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中，沿線主要分布第四系坡殘積粉質(zhì)粘土層及前震旦系侵入形成的閃長巖和花崗巖等巖漿巖巖體，其中粉質(zhì)粘土主要上覆于隧道進出口段，閃長巖是既有隧道周邊的主要巖體并與花崗巖相互侵入穿插。新建市政工程受地形及場地的限制，擬在既有公路隧道中間新建隧道，其開挖跨度約9.8 m，開挖高度約8.2 m，與兩既有隧道在縱向上相互平行且凈距為24.3 m。新建隧道采用鉆爆法施工，開挖方式為三臺階開挖法。其Ⅴ級圍段初期支護采用23 cm厚的C25噴射混凝土、間距0.8 m的I18工字鋼和長4.0 m間距1.0 m交錯布置的砂漿錨桿，二次襯砌為50 cm厚的C35模筑混凝土。三隧道的相互位置關系如圖1所示。

2.2 提出問題

《公路隧道設計細則》（JTG T D70-2010）中要求：Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中，不考慮兩洞室之間相互影響的最小凈距為2.0 B、2.5 B、3.5 B（B為既有公路隧道開挖洞徑），新建隧道最低圍巖級別為Ⅴ級，故安全距離應為46.9 m以上。此新建隧道與既有公路隧道凈距為24.3 m，小于2.0 B，即便在Ⅲ級圍巖段也不滿足不考慮相互影響的凈距要求，所以為保證既有公路隧道的安全和正常運營，避免人員傷亡和經(jīng)濟損失，新建隧道的施工開挖及爆破振動對運營中公路隧道的靜力和動力影響是急需解決的問題。因此，本文基于巖土工程及隧道工程領域?qū)Ｓ玫挠邢薏罘周浖﨔LAC3d5.0，對既有隧道在靜力和動力兩方面所受的影響進行詳細研究，旨在為類似工程提供借鑒和參考。

3 靜力開挖影響

3.1 計算模型

根據(jù)工程概況，取最不利的工況進行三維建模計算，即圍巖級別為Ⅴ級，既有隧道埋深40 m。依據(jù)隧道力學理論，并結合施工過程中的空間效應，選取的計算區(qū)域為：長165 m，寬40 m，高90 m，計算模型如圖2所示。本次計算模型中，圍巖、初期支護以及二次襯砌均采用實體單元模擬，約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。施加的荷載僅為自重荷載，即計算只考慮自重應力場，不考慮構造應力場。

3.2 計算參數(shù)

計算中Ⅴ級圍巖及結構的物理力學參數(shù)依據(jù)《公路隧道設計細則》（JTG T D70-2010）進行選取，其按表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

3.3 考察對象

基于計算模型的幾何對稱性，避免邊界效應的影響，選取右線既有隧道的正中斷面進行考察，監(jiān)測拱頂、仰拱及左右邊墻四個特征部位，監(jiān)測斷面及測點示意如圖3所示。

3.4 靜力分析

1）位移分析

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，新建隧道開挖后，新建隧道的圍巖位移會逐漸增大并趨于收斂。在整個開挖過程中，貫通時刻的圍巖位移最大，最大位移斷面為進洞口（最不利）。提取新建隧道貫通時進洞口斷面的位移云圖如圖4所示進行分析，可以發(fā)現(xiàn)新建隧道采用三臺階開挖對圍巖位移控制得較好，最大沉降發(fā)生在進洞口的拱頂，沉降值為0.41 mm，最大隆起發(fā)生在進洞口的仰拱，隆起值為0.5 mm，最大水平位移發(fā)生在進洞口位置的左右邊墻，位移值為0.38 mm。從整個云圖的分布可以發(fā)現(xiàn)，既有隧道處于新建隧道靜力開挖的影響區(qū)之外，位移值趨近于零，說明既有隧道結構受到的影響極小，甚至可以忽略，故靜力開挖后既有隧道不會受到地層應力場變化的影響。

提取監(jiān)測斷面測點位移如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，各點的位移值均較小，甚至可以忽略，說明靜力開挖時地層應力的改變對既有隧道影響很小，甚至可以忽略。各點的曲線變化趨勢基本一致，具有顯著的規(guī)律性，表現(xiàn)為“S”型曲線，基于斜率可劃分為三個階段。階段一：從新建隧道開挖到二襯開始施作，該階段位移近似呈線性趨勢增大；階段二：從二襯開始施作到上臺階貫通，該階段曲線的斜率迅速變陡；階段三：從上臺階貫通到二襯施作完成，該階段位移逐漸收斂，斜率趨于平緩。

2）主應力增量分析

提取監(jiān)測斷面測點主應力增量如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，各點的主應力增量表現(xiàn)為壓應力增量，且數(shù)值均較小，根據(jù)日本隧道接近施工指南中容許應力增加值，既有隧道健全度按《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》為C級，其容許壓應力增加值為5.0 MPa，各點的壓應力增量在指南容許壓應力增加值之內(nèi)，也再次驗證了靜力開挖時對既有隧道結構影響很小。各點的曲線變化規(guī)律與上述位移曲線一致，呈“S”型曲線，基于斜率可劃分為3個階段。

4 爆破振動影響研究

4.1 計算模型及參數(shù)

本節(jié)動力計算模型與靜力計算類似，最不利斷面選取隧道深淺埋交界位置，埋深約40 m，其圍巖等級為V級，整體計算模型與圖2相似，計算中考慮新建隧道爆破對既有隧道的影響，設置圖3所示的監(jiān)控點監(jiān)控既有隧道特征點的振動速度大小。同時，相關研究指出[2]，隧道爆破開挖過程中第一分部掏槽爆破的影響作用最大，因此模型建立時僅在新建隧道上臺階比靜力計算多出掏槽孔，而其他部位的網(wǎng)格布置基本相似，掌子面炸藥示意如圖7所示。

圍巖與隧道襯砌結構的動強度參數(shù)較靜力計算的強度有較大差別，主要在于動力計算荷載的瞬時性，即作用在結構上的荷載瞬時產(chǎn)生并衰減。文獻[5]中指出動態(tài)計算參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：

將靜力開挖計算中表1的物理力學參數(shù)（彈性模量及泊松比）按照以上兩式換算成動力計算參數(shù)。

4.2 邊界條件

在爆破模擬動力計算中，為防止能量在邊界反射回模型中，導致計算結果與實際不完全相符，因此在模型邊界引入法向和切向的無反射人工邊界，從而實現(xiàn)邊界處的能量傳播，其法向和切向黏性邊界如下：

式中：vn、vS分別為邊界上速度的法向和切向分量；ρ為材料密度；Cp、CS分別為縱波、橫波波速。

4.3 爆破動力荷載

相關研究已指出，為體現(xiàn)隧道爆破作用與炸藥及裝藥特性、爆破參數(shù)等的影響，本節(jié)根據(jù)FLAC3D動力計算特點，將動態(tài)荷載施加在掏槽炮孔的節(jié)點上，其荷載計算公式為[6]：

式（5）中，f(t)是指數(shù)型時間滯后函數(shù)，其計算方法見式（6），Pb為脈沖峰值，在不耦合連續(xù)裝藥結構條件下，初始應力峰值計算公式如式（7）所示：

式中：ρ0——裝藥密度，kg/m3；

D——炸藥爆速，m/s；

Rc、Rb——分別為藥卷半徑和炮孔半徑，m；

η——爆炸物與孔壁碰撞時壓力增大的倍數(shù)，一般取值為8～11；

n、m——與距離有關的無量綱常數(shù)，其值取決于爆炸脈沖的起始位置和初始波形；

P0——t=tR時，使f(tR)等于1.0的常數(shù)

w——是與介質(zhì)的縱波波速Cp和炮孔直徑d有關的函數(shù)；

tR通常稱為爆炸脈沖的峰值時間，是與n、m、w相關的函數(shù)，其公式為：

使f(tR)=1可得：

根據(jù)以上計算公式及表2中提供的爆破參數(shù)，可計算出開挖爆破過程的計算荷載及其時程曲線。

表2 炸藥參數(shù)

4.4 計算結果分析

與靜力分析相同，由于既有隧道關于新建隧道左右對稱，因此爆破振動數(shù)據(jù)分析僅考察既有隧道右線中間斷面，但是爆破作用形成的沖擊波向外傳播過程，最先到達既有隧道的迎爆側(cè)，因此，計算中，主要考慮既有隧道迎爆側(cè)監(jiān)控點的影響。特征點爆破振動曲線如圖8所示。

從圖8可看出，爆破開挖過程中，各監(jiān)控點的振動曲線變化趨勢大致相同，振動速度穩(wěn)定一段時間后，均為先迅速增大到最大值，后不斷衰減，最終趨于一較小的穩(wěn)定振幅；爆破振動速度最大值約為2.5 cm/s，且特征點的振動速度維持較大值時間較短，而《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）中說明交通隧道的爆破振動安全允許值為12～15 cm/s，再結合工程經(jīng)驗類比分析，說明本文中新建隧道采用爆破施工對既有隧道結構的影響較小，可滿足爆破控制的要求，保證施工的安全；從圖中還可看出，由于各監(jiān)控點與新建隧道掏槽孔的距離不同，各監(jiān)控點的最大振動速度關系為左邊墻 ＞拱頂 ＞仰拱 ＞右邊墻，說明監(jiān)控點與爆破點的距離越近，振動波傳播過程中衰減越小，爆破振動速度越大，振動影響越強。

5 結論

1）基于本文的工程條件，靜力開挖對既有隧道的影響極小甚至可以忽略，表現(xiàn)為位移和主應力增量的數(shù)值較小，說明靜力開挖后應力場的改變對既有隧道結構的受力影響微乎其微。

2）在新建隧道施工全過程中，既有隧道監(jiān)測斷面的位移和主應力增量曲線具有顯著的規(guī)律性，表現(xiàn)為“S”型曲線，可劃分為三個階段。階段一：從新建隧道開挖到二襯開始施作，該階段監(jiān)測值近似呈線性趨勢增大；階段二：從二襯開始施作到上臺階貫通，該階段曲線斜率迅速變陡；階段三：從上臺階貫通到二襯施作完成，該階段監(jiān)測值逐漸收斂，斜率趨于平緩。

3）從動力分析中可知，由于既有隧道距離新建隧道較遠，新建隧道采用爆破施工時，既有隧道結構的最大振動速度約為25 mm/s，遠小于規(guī)范中的安全控制標準值，同時振動速度維持在較大值的時間較短，因此，爆破開挖過程對既有結構幾乎無影響，可保證既有隧道結構的安全。

4）對比分析同一監(jiān)測斷面不同位置的監(jiān)控點，可發(fā)現(xiàn)各監(jiān)控點的振動曲線變化趨勢基本相同，針對監(jiān)控點的最大監(jiān)控速度，距離爆源越近，受振動影響越強，其振動速度越大，因此，施工中主要控制迎爆側(cè)的振動影響來保證施工的安全。

[1]鄭余朝，蔡佳良，袁竹，等.地鐵隧道下穿既有鐵路近接影響分區(qū)和施工控制研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2016，53（6）：202-209.

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