青島海底隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖法導(dǎo)洞位置比選研究★

許 建 張曉強(qiáng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快、設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變及技術(shù)裝備水平的提高，長(zhǎng)大隧道(洞)在公路、鐵路、水利工程設(shè)計(jì)中所占比例越來越大，高速鐵路、雙線鐵路、大跨公路隧道越來越多，這些隧道橫斷面較大甚至超大，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度也不斷增加[1-3]。如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大隧道的安全、投資、工期及其風(fēng)險(xiǎn)控制，已成為隧道工程設(shè)計(jì)、施工和施工組織技術(shù)所需研究的關(guān)鍵問題之一。長(zhǎng)大隧道的施工組織方案及其成效，對(duì)長(zhǎng)大隧道施工各方面的成敗起著決定性的作用。

1 工程概況

青島第二條海底隧道穿越膠州灣，初步計(jì)劃黃島端接疏港高速，青島端在海泊河入?？诟浇顷?，全長(zhǎng)15.8 km，雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車速80 km/h。第二海底隧道定位為以通行客車為主，兼顧貨運(yùn)的跨海通道。膠州灣是一個(gè)深入內(nèi)陸半封閉性的海灣，灣內(nèi)水域闊，四周多山丘，岸線曲折，地形復(fù)雜，水深變化較大，膠州灣最大水深64 m。隧道軸線最大水深42 m，平均水深15 m。隧道沿線地質(zhì)條件如圖1所示。K8+020～K12+700段，約4.7 km，隧道圍巖為燕山期花崗巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，中微風(fēng)化巖石埋深淺，以Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)為主。K12+700～K18+000段，約5.3 km，為白堊紀(jì)沉積巖含礫砂巖、礫巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)極軟～較軟，隧道圍巖以Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)為主。

經(jīng)過方案比選，隧道施工推薦方案為淺埋方案。

2 開挖方案設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)洞法開挖爆破設(shè)計(jì)

為降低爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑的影響，提高施工效率，隧道采用φ4.5 m TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工。根據(jù)爆破參數(shù)的選取原則和爆破開挖斷面形式，確定導(dǎo)洞擴(kuò)挖法基本爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2 導(dǎo)洞位置方案

表1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)表

海底隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖法導(dǎo)洞位置的選擇受到很多因素的影響，各因素對(duì)導(dǎo)洞位置的選擇都會(huì)產(chǎn)生影響[4]。本文選取不同導(dǎo)洞位置對(duì)既有建筑物影響進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了三種不同導(dǎo)洞位置，導(dǎo)洞位于正中上部(方案一)、導(dǎo)洞位于正中部(方案二)、導(dǎo)洞位于正中下部(方案三)。采用ANSYS-LSDYNA有限元分析軟件，模擬導(dǎo)洞開挖已完成，實(shí)施全斷面爆破開挖的過程。結(jié)合工程要求，對(duì)比分析三種方案，比選出一種既滿足開挖掘進(jìn)要求，同時(shí)對(duì)地表建筑物影響最小的方案，該方案下導(dǎo)洞所處的位置，也是我們所尋找的最優(yōu)導(dǎo)洞位置。

3 開挖爆破動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型及參數(shù)設(shè)定

模型材料由巖石、炸藥、堵塞、房屋建筑和空氣5個(gè)部分組成，均選用實(shí)體單元Solid164進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中巖石采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥和空氣2種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法。為了模擬無限大巖體，模型的外邊界均采用無反射邊界條件。同時(shí)為了保證分析過程中，歐拉單元與拉格朗日單元能始終耦合，建模過程中歐拉單元部分區(qū)域與拉格朗日單元重合[5]。

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，分別選取三種方案中最大單段藥量段作為研究工況。模型孔深為3 m，炮孔直徑為47 mm，裝藥直徑為32 mm，裝藥深度為2.5 m，堵塞0.5 m，裝藥使用2號(hào)巖石乳化炸藥。輔助孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，起爆位置設(shè)置在炸藥中心處。根據(jù)隧道埋設(shè)路線地表重點(diǎn)保護(hù)小高層建筑物位置，隧道埋深30 m，上覆圍巖取至地表30 m，下覆圍巖邊界取為3倍洞高；爆破對(duì)3倍～5倍洞徑區(qū)域影響較為明顯，故取模型寬度為90 m；模型沿隧道進(jìn)尺方向取63 m；地表小高層三維尺寸X×Y×Z為15 m×20 m×30 m。模型中已開挖隧道填充為空氣。模型采用自帶LS-DYNA Solver進(jìn)行求解運(yùn)算，使用LS-PREPOST軟件進(jìn)行后處理。數(shù)值模擬中所有參數(shù)均統(tǒng)一使用cm-g-μs單位制。三維有限元模型如圖2所示。三種方案對(duì)應(yīng)導(dǎo)洞位置細(xì)節(jié)如圖3所示。

3.2 計(jì)算方案

爆破過程是一個(gè)高速?gòu)?fù)雜的過程，襯砌拆除爆破的效果受到襯砌材料性質(zhì)、巖石性質(zhì)和節(jié)理等因素的影響，無法將所有因素全部考慮進(jìn)去，而只能考慮影響爆破效果的主要因素，簡(jiǎn)化一些次要因素，故模擬中做了如下假設(shè)：

1)研究所涉及的襯砌、巖石及炸藥等材料均為連續(xù)且各向同性介質(zhì)；

2)整個(gè)爆炸過程為絕熱過程，不考慮熱力學(xué)參量的影響；

3)不考慮巖石中裂隙的影響。由于涉及兩種以上物質(zhì)，數(shù)值模擬采用多物質(zhì)材料與拉格朗日結(jié)構(gòu)耦合算法，該算法不需要定義各部分結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的接觸關(guān)系，雖然網(wǎng)格數(shù)量巨大、求解時(shí)間長(zhǎng)，但計(jì)算較穩(wěn)定。

3.3 有限元模擬結(jié)果

選取隧道走向方向建筑近爆源側(cè)進(jìn)行監(jiān)側(cè)點(diǎn)布置，測(cè)點(diǎn)沿隧道掘進(jìn)方向依次編號(hào)為A號(hào)～K號(hào)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖4所示。

根據(jù)三種不同導(dǎo)洞位置隧道開挖數(shù)值模擬結(jié)果，提取A號(hào)～K號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度，繪制結(jié)果見表2。

由表2建筑物質(zhì)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度分布可繪制圖5。

表2 不同導(dǎo)洞位置下隧道爆破開挖方向建筑物質(zhì)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度 cm/s

4 導(dǎo)洞位置方案比選

通過表2我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著導(dǎo)洞位置朝正中下部移動(dòng)，建筑物質(zhì)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度也隨之增大；導(dǎo)洞位于正中下部引起建筑物質(zhì)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度是最大的，也是減震最不利的一種形式。

由圖5可以看出，導(dǎo)洞位于正中上部爆破開挖引起建筑物質(zhì)點(diǎn)合成峰值振動(dòng)速度明顯小于導(dǎo)洞位于正中位置及導(dǎo)洞位于正中下部，減震效果較原設(shè)計(jì)而言也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。即導(dǎo)洞位于正中上部這種情況是3種工況中減震效果最好的，采用導(dǎo)洞位于正中上部這種爆破開挖方案將對(duì)地表建筑物的影響最小。

5 結(jié)語

以不同導(dǎo)洞位置開挖爆破對(duì)地表建筑影響作為導(dǎo)洞位置的選取標(biāo)準(zhǔn)，選擇一種對(duì)地表建筑影響最小的導(dǎo)洞布置方案，得出以下結(jié)論：

1)三個(gè)方案中，導(dǎo)洞位置在正中上部比其他方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度小；

2)建筑物上監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在爆破截面上的峰值合成振動(dòng)速度最大，隨著遠(yuǎn)離爆破截面振速減小；

3)隨著導(dǎo)洞位置下移，建筑物上監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值合成振動(dòng)速度隨之增大。

由于海底隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖法導(dǎo)洞位置的選擇受到很多因素的影響，各因素對(duì)導(dǎo)洞位置的選擇都會(huì)產(chǎn)生影響。本文僅以導(dǎo)洞位置不同對(duì)地表建筑影響不同這一因素作為導(dǎo)洞選取標(biāo)準(zhǔn)，選擇一種對(duì)地表建筑影響最小的導(dǎo)洞布置方案。即導(dǎo)洞位于正中上部的隧道開挖方案，但是具體工程施工導(dǎo)洞位置的設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮多方面的因素，綜合選取。