特大跨度隧道分部開挖爆破對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響*

施有志，柴建峰，阮建湊，林樹枝

(1. 廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院, 福建 廈門 361021；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3. 國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100073；4. 廈門市建設(shè)局，福建 廈門 361003)

隨著車流量的增加，道路的車道數(shù)從原來的雙向四車道，增加為雙向六車道甚至八車道。為節(jié)約用地，保持線路的順接，穿越山嶺的隧道也相應(yīng)地變?yōu)殡p向六車道或者八車道等特大跨度隧道。這類隧道由于形狀扁平，開挖后圍巖穩(wěn)定性變差；圍巖應(yīng)力更集中，松弛壓力更大；支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的承載力相對(duì)減小[1]。因此，往往采用CRD或雙側(cè)壁導(dǎo)坑等分部開挖法施工，目的是為了將大斷面分為若干小斷面，提高隧道的穩(wěn)定性。若石質(zhì)圍巖的特大跨度隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，需采用爆破作業(yè)，隧道圍巖遭受推進(jìn)式往復(fù)的爆破荷載作用，使圍巖遭受損壞、近區(qū)巖體損傷、中遠(yuǎn)區(qū)巖體振動(dòng)[2]。為了與道路順接，雙洞的間距往往較小，隧道洞口段一般為小凈距隧道，那么后行隧道斷面分部開挖爆破施工，對(duì)既有隧道亦會(huì)產(chǎn)生影響。因此，研究后行隧道爆破對(duì)圍巖及既有隧道的影響，保證既有隧道的安全是施工難點(diǎn)，也是研究熱點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和監(jiān)控量測等手段對(duì)后行隧道爆破開挖對(duì)既有隧道的影響、施工方法優(yōu)化、安全爆破控制方法等進(jìn)行了大量的研究工作[3-7]。針對(duì)三車道以上的大斷面小凈距隧道，林從謀等[8]以大帽山隧道為例研究了新建隧道爆破施工對(duì)既有運(yùn)營隧道穩(wěn)定性的影響，通過信息化施工使既有隧道質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制在20 cm/s以內(nèi)，并對(duì)既有隧道爆破質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度進(jìn)行了監(jiān)測、回歸分析和爆破參數(shù)優(yōu)化；朱正國等[9]以南京地鐵超小凈距隧道為工程背景，研究了循環(huán)進(jìn)尺、段最大裝藥量與分段爆破差等爆破參數(shù)的優(yōu)化；2009年，張國華等[10]結(jié)合大帽山大斷面隧道群的現(xiàn)場聲波監(jiān)測，研究了推進(jìn)式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中大斷面隧道圍巖的累積損傷范圍。Oriard等[11-12]通過監(jiān)測爆破時(shí)巖體峰值的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和多次爆破前后巖體聲波波速的變化，研究了多次重復(fù)爆破所導(dǎo)致的巖體的累積損傷；Doucet等[13-15]通過滑動(dòng)測微計(jì)和鉆孔攝像等方法定性監(jiān)測了多次推進(jìn)式爆破后圍巖的損傷情況。

國內(nèi)外專家學(xué)者的研究已經(jīng)積累了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)，但有關(guān)特大跨度扁平隧道工程雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中不同導(dǎo)坑位置爆破對(duì)圍巖、小凈距的既有隧道影響的研究相對(duì)較少[16]。本研究以平潭綜合試驗(yàn)區(qū)金井灣大道的牛寨山隧道為工程背景，采用ANSYS/LS-DYNA建立雙隧道模型，模擬計(jì)算了爆破時(shí)既有隧道的最大振速，并與實(shí)測值及薩道夫斯基公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，探討了特大跨度隧道斷面分部開挖時(shí)多次爆破對(duì)圍巖、既有隧道的影響。

1 工程概況

1.1 工程概況

牛寨山雙洞八車道公路隧道是平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)金井灣大道的一部分，北線全長868 m，南線全長829 m，最大毛洞開挖跨度21.13 m，進(jìn)口段南北線間距45 m，中夾巖約24 m，為小凈距隧道；其余路段為分離式隧道。 選擇小凈距隧道的進(jìn)口段的V級(jí)圍巖段作為研究對(duì)象，洞身長238.5 m，巖土體主要由全風(fēng)化花崗巖-中風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，該段[BQ]值<250。

1.2 施工方案

隧道開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法，分為6個(gè)導(dǎo)坑 (分部)，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，如圖 1所示。鉆爆法施工以新奧法理論為指導(dǎo)，采用光面爆破，炸藥選用2號(hào)巖石硝銨炸藥。

圖1 隧道掘進(jìn)順序橫向剖面圖Fig.1 Horizontal profile of tunneling sequence

該段隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)采用雙層結(jié)構(gòu)，第一層采用厚30 cm的C25噴射混凝土、20 cm×20 cm的Ф8鋼筋網(wǎng)和22b工字鋼(縱距0.6 m)；第二層采用厚17 cm的C25噴射混凝土和22b工字鋼(縱距0.6 m)。二次襯砌采用厚55 cm 的C30鋼筋混凝土，初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè)EVA防水板作為防水層。爆破的布孔方案如圖 2所示。

圖2 掌子面炮孔布置圖Fig.2 Schematic diagram of the layout of blastholes on a tunnel face

各導(dǎo)坑分別設(shè)置了掏槽眼(深度70 cm)、周邊眼(深度50 cm)、輔助眼(深度60 cm)。其中，I、III分部的炮眼數(shù)為86，總裝藥量為16.8 kg；II、IV分部的炮眼數(shù)為111，總裝藥量為23.7 kg；V分部的炮眼數(shù)為162，總裝藥量為37.1 kg；VI分部的炮眼數(shù)為119，總裝藥量為26.7 kg。

1.3 現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測分析

在既有隧道最大跨度處，每隔10 m設(shè)一個(gè)監(jiān)測斷面，具體布置見圖 3。

圖3 既有隧道振動(dòng)速度測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of measurement sites for blasting velocity in the existing tunnel

2 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

2.1 有限元數(shù)值模型

采用ANSYS/LS-DYNA建立雙隧道有限元模型，橫斷面水平方向尺寸為150.8 m，橫斷面豎直方向尺寸為84.5 m，隧道深度為100 m；網(wǎng)格劃分尺寸為1.0 m，在炮眼附近局部進(jìn)行了部分加密處理。圖 4為典型斷面的有限元網(wǎng)格圖。其中，紫色為巖石單元，右側(cè)貫通的隧道為既有隧道，黃綠色為后行隧道開挖后形成的空氣單元。圖 5為整體有限元模型的三維等軸視圖。其中，x方向?yàn)閿嗝嫠椒较?；y方向?yàn)樨Q直方向；z方向?yàn)檠厮淼婪较颉?/p>

圖 4 隧道典型斷面有限元網(wǎng)格Fig.4 Finite element mesh for typical tunnel cross sections

圖5 隧道整體有限元模型三維等軸視圖Fig.5 3D isometric view of the entire tunnel’s finite element model

2.2 參數(shù)取值

采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型來模擬爆炸荷載作用下巖石試件的響應(yīng)及破壞過程。該模型是一個(gè)適合大應(yīng)變、高應(yīng)變率與高壓條件的混凝土本構(gòu)模型，可以拓展到包括材料損傷、應(yīng)變率效應(yīng)以及因壓力和空隙而引起的永久性破壞等。圍巖統(tǒng)一采用單一巖層進(jìn)行模擬，密度為2 650 kg/m3，剪切模量G=1.486×109Pa。在ANSYS/LS-DYNA中爆炸過程一般采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWL狀態(tài)方程加以描述：

(1)

其中ω，P為爆轟壓力；V為相對(duì)體積；E為單位體積內(nèi)能；、A、B、R1、R2為材料常數(shù)。參數(shù)選取見表 1。

表1 炸藥材料參數(shù)Table 1 Explosive material parameters

數(shù)值模擬時(shí)，炸藥量取各分部總藥量，按照集中裝藥方式進(jìn)行分析[17]，并通過實(shí)測結(jié)果校驗(yàn)或修正參數(shù)。

2.3 數(shù)值結(jié)果與實(shí)測對(duì)比

模擬NK4+390斷面Ⅰ分部爆破對(duì)既有隧道的影響，采樣點(diǎn)的位置如圖 6所示。A、B、C、E、F和G采樣點(diǎn)之間的間距為10 m，D為加密的觀測點(diǎn)，C、D之間的距離為5 m。采樣點(diǎn)的振動(dòng)速度如圖 7所示。計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測值及其誤差分析如表 2所示。既有隧道三個(gè)斷面的振動(dòng)速度變化曲線如圖 8所示。

圖6 采樣點(diǎn)位置圖Fig.6 Schematic diagram of the location of sampling sites

通過圖 7可以獲得主振周期，進(jìn)而計(jì)算出主振頻率，通過拾取D點(diǎn)峰值的時(shí)刻可知周期T=13.2-10.2=3 ms，主振頻率f=1/T=333 Hz，與實(shí)測主頻較吻合。從表 2可以看出，三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振速計(jì)算值與實(shí)測值誤差均小于15%，距離爆破距離最近的D點(diǎn)，振速誤差僅2.3%。可見，數(shù)值模型的計(jì)算精度滿足巖土工程計(jì)算要求。

圖7 既有隧道采樣點(diǎn)振速圖Fig.7 Schematic diagram of the vibration velocity of sampling sites in the antecedent tunnel

3 特大跨度隧道斷面分部開挖爆破

對(duì)圍巖及既有隧道結(jié)構(gòu)影響規(guī)律

3.1 計(jì)算方案

根據(jù)金井灣大道的牛寨山隧道工程實(shí)際施工方案，分別對(duì)6個(gè)分部(導(dǎo)坑)的爆破進(jìn)行數(shù)值分析，觀察不同分部爆破引發(fā)的圍巖振動(dòng)速度的變化規(guī)律。圍巖的拾取質(zhì)點(diǎn)見圖 9，工況信息見表 3。

表2 爆破引起既有隧道振動(dòng)速度計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比Table 2 Comparison of blast-induced vibration velocity in the antecedent tunnel between computation results and measurement results

圖8 NK4+390斷面Ⅰ分部爆破引起既有隧道振動(dòng)速度曲線Fig.8 Velocity curve for vibration in the antecedent tunnel caused by blast in zone I of tunnel section at NK4+390

3.2 周邊場地的振動(dòng)速度場分析

3.2.1 振動(dòng)速度等值面的擴(kuò)展過程 圖 10為后行隧道爆破振速等值面圖。在圖 10的(a)-(c)中可以觀測到橢圓形的等值面，這是由于炸藥是細(xì)長的。在振速等值面的擴(kuò)展過程中，隧道前方拓展區(qū)域稍大于已開挖的隧道后方，這是由于“臨空面”的隔振效果產(chǎn)生的影響。圖 10的(d)-(e)顯示：隨著振速等值面的擴(kuò)展，在8.3 ms達(dá)到既有隧道。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)分布圖Fig.9 Schematic diagram of the monitoring sites

分部編號(hào)裝藥量/單位爆心位置/mxyzⅠ16.86.731 65.168 6-65Ⅱ23.7-6.731 65.168 6-50Ⅲ16.86.731 6-1.162 6-60Ⅳ24.7-6.731 6-1.162 6-45Ⅴ37.205.168 6-35Ⅵ25.70-1.162 6-30

3.2.2 既有隧道振動(dòng)速度分析 為研究六個(gè)分部爆破對(duì)于既有隧道振動(dòng)速度的影響，按照每個(gè)分部所在的z坐標(biāo)(洞軸向)，取前后間隔一定距離的質(zhì)點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)依次設(shè)置在既有隧道左洞壁中部，可得振動(dòng)速度-時(shí)間曲線如圖 11所示。圖中的監(jiān)測點(diǎn)自上而下依次為開挖掌子面前方(未開挖區(qū))25、15、5、0 m，以及掌子面后方5、15、25 m。六個(gè)分部爆破時(shí)既有隧道測點(diǎn)的振動(dòng)速度最大值如表 4所示。

表4 六個(gè)分部爆破既有隧道測點(diǎn)振動(dòng)速度最大值Table 4 The maximum vibration velocity of measurement sites in 6 blasting zones of the antecedent tunnel

從圖 11和表 4可以看出，Ⅰ和Ⅲ分部的爆破對(duì)既有隧道的影響是六個(gè)分部中最大的。盡管藥量不是最大的，但因Ⅰ和Ⅲ分部距離隧道最近，而且Ⅰ分部周邊臨空面最少，所以對(duì)既有隧道的影響最大。從薩道夫斯基公式也可以看出，質(zhì)點(diǎn)距離的影響是最大的。Ⅴ和Ⅵ分部的裝藥量最大，對(duì)既有隧道影響也較為顯著。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究成果，既有隧道肩部的振動(dòng)速度是隧道底部的1.19～3.99倍，隧道腰部的振動(dòng)速度是隧道底部的1.10～3.11倍，迎爆側(cè)振動(dòng)速度是背爆側(cè)的5～10倍。但文獻(xiàn)中的隧道跨度在10 m左右，而牛寨山既有隧道的跨度達(dá)到了20 m以上。為分析特大跨度隧道的周邊振動(dòng)速度的分布規(guī)律，提取8個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，位置如圖 12所示。振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線見圖 13。將所有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度最大值提取出來列于表 5。

圖10 后行隧道爆破振速等值面圖Fig.10 Contour surface of blast-induced vibration velocity in the antecedent tunnel

圖11 分部爆破既有隧道測點(diǎn)振速時(shí)間曲線Fig.11 Vibration velocity-time curve for measurement sites in 6 blasting zones of the antecedent tunnel

圖12 既有隧道的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)拾取圖Fig.12 Collection of vibration of particles in the antecedent tunnel

圖13 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度-時(shí)間曲線Fig.13 Vibration-time curve for particles in the antecedent tunnel

從表 5可以看出：左中位置距離爆源最近，振速最大；右中位置距離爆源最遠(yuǎn)，且受到洞體的隔離，振動(dòng)速度最??；左中位置的最大振速是右中的12.5倍，比文獻(xiàn)[8]的5～10倍要高。這主要是因?yàn)榕Ｕ剿淼兰扔卸纯缍群艽螅哉袼偎p更多；左中(腰部)位置是下中(底部)的2.1倍；左上(肩部)位置是下中(底部)的1.9倍。此兩處處于文獻(xiàn)[8]給出的區(qū)間(1.10～3.11 倍區(qū)間和1.19～3.99 倍區(qū)間)的中值附近，吻合程度較高。

表5 既有隧道斷面周邊圍巖的速度分布Table 5 Velocity distribution surrounding the cross section of the antecedent tunnel

4 結(jié) 論

本文建立了牛寨山雙隧道的三維有限元模型，并考慮炸藥的物理和力學(xué)屬性、Ⅴ級(jí)圍巖的力學(xué)屬性及三維隧道的掘進(jìn)和空間效應(yīng)，分析了爆破對(duì)隧道圍巖和既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)的影響規(guī)律，主要結(jié)論有：

1)根據(jù)本文所建立的ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模型計(jì)算出的周邊質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與實(shí)測值相近，其衰減規(guī)律與薩道夫斯基公式吻合。模型可以準(zhǔn)確預(yù)測某一點(diǎn)的振速。

2)在圍巖振速等值面的擴(kuò)展過程中，由于“臨空面”隔振效果的影響，使得隧道前方拓展區(qū)域稍大于已開挖的隧道后方。

3)雖然Ⅰ和Ⅲ分部裝藥量不是最大，但距離既有隧道最近，因此爆破對(duì)既有隧道的影響是六個(gè)分部中最大，這與薩道夫斯基公式的結(jié)論一致。Ⅴ和Ⅵ分部的裝藥量最大，對(duì)既有隧道影響也較為顯著。

4)既有隧道迎爆側(cè)與背爆側(cè)的最大振速比值為12.5；腰部位置是底部的2.1倍；肩部位置是底部的1.9倍。

5)在雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工中，Ⅰ分部由于距離既有隧道較近、周邊臨空面最少，對(duì)既有隧道的影響也最大，施工中可作為爆破引發(fā)既有隧道振動(dòng)的控制工況。