地鐵隧道爆破開挖對既有公路隧道的 振動影響分析

劉海智 張哲

摘 要：以杭州地鐵 9 號線邱山大街站—北沙路站區(qū)間部分穿越臨平山工程為背景，研究邱北區(qū)間隧道采用礦山法施工時，爆破振動對邱山公路隧道的影響。通過動態(tài)有限元計算分析得知，在常規(guī)的鉆爆法施工參數(shù)下，即單次循環(huán)進尺 2.5m、單響炸藥量 20kg、爆破荷載峰值 2.4MPa 的情況下，爆破施工對邱山公路隧道的影響遠小于規(guī)定的安全允許標準;施工中應首先進行爆破試驗，加強對邱山公路隧道襯砌和山腳下其他鄰近建筑物的爆破振動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)修正爆破施工參數(shù)，以達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟效果。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道：公路隧道;礦山法;爆破振動;影響分析

中圖分類號：U455.6

1 工程概況

杭州地鐵9號線邱北區(qū)間礦山法隧道是單洞單線隧道，洞高7.05 m，寬6.6 m，左右隧道中心距15 m，隧道采用復合襯砌，初支采用噴射300 mm厚C25混凝土，二襯采用400mm厚C35混凝土，側(cè)墻采用22mm砂漿錨桿。邱山公路隧道原為單洞雙向雙車道公路隧道，2009年改擴建為雙向四車道隧道，雙連拱結(jié)構(gòu)形式，單洞寬13.4 m，高9.9 m，全長395 m，隧道采用復合襯砌，初支采用噴射250 mm厚C20混凝土，二襯采用600 mm厚C35混凝土，拱頂采用25mm砂漿錨桿。

地鐵9號線邱北區(qū)間礦山法隧道位于邱山公路隧道正下方，下穿長度為395 m，二者豎向距離為14.92～19.54 m。邱山公路隧道與邱北區(qū)間礦山法隧道范圍內(nèi)大多為中風化石英砂巖，屬于中硬巖、Ⅰ～Ⅴ級圍巖，局部圍巖為斷層破碎帶。其豎向位置關(guān)系如圖1所示。

2 計算模型及計算結(jié)果分析

2.1 計算模型及計算參數(shù)

根據(jù)設(shè)計圖紙，建立地鐵和公路隧道三維有限元模型如圖2所示，模型長、寬、高分別為495 m、150 m、140 m。為減小邊界效應，地鐵隧道外側(cè)左、右、下部各取6倍洞徑。巖土分為含黏性土碎石、強風化石英砂巖和中風化石英砂巖等3層。

土體單元采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型。地鐵和公路隧道襯砌采用板單元模擬，彈性本構(gòu)模型。特征值分析時采用曲面彈簧來模擬支座的邊界條件，時程分析時采用Lysmer和Wass建議的黏性邊界條件，此時曲面彈簧的參數(shù)為x、y和z方向上的阻尼比。

單響藥量、峰值爆破荷載、荷載加卸載時間等物理量是確定爆破荷載的主要參數(shù)，將爆破荷載簡化為一條具有加載和卸載過程的三角形波形荷載。爆破荷載確定后，將其以均布壓力形式作用于掌子面洞周壁上，壓力的作用方向垂直于洞周壁。單次循環(huán)進尺為2.5 m，單響藥量取Q = 20kg。峰值爆破荷載采用經(jīng)驗公式確定，取升壓時間t升 = 0.01s，t升 為從爆破開始到峰值爆破荷載2413kPa所需的時間;取卸載時間t卸 = 0.1s為爆破荷載卸荷至零所需的時間;爆破總計算時間取

t總 = 0.5s。

2.2 開挖模擬工況

模擬工況1，地鐵右隧道作業(yè)面位于邱山公路隧道南端正下方，兩隧道的豎向間距為14.92 m，研究右隧道掌子面爆破對邱山隧道襯砌和附近建筑物的影響。

模擬工況2，地鐵右隧道作業(yè)面位于邱山公路隧道中部正下方，兩隧道豎向間距約19 m，研究地鐵左隧道掌子面爆破對邱山公路隧道襯砌及地鐵右隧道襯砌的影響。

模擬工況3，地鐵右隧道作業(yè)面位于臨平山北側(cè)山腳下，研究地鐵右隧道掌子面爆破對邱山公路隧道襯砌和附近建筑物的影響。

2.3 計算結(jié)果及分析

2.3.1 工況 1 計算分析

圖3、圖4為t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s時邱山公路隧道襯砌的振動速度云圖，由圖3、圖4可見，右隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約0.2 cm/s，左隧道襯砌振速小于右隧道。隨著爆破振動荷載的傳播，邱山公路隧道襯砌中的振速分布也發(fā)生變化。

圖5為t升 = 0.01s時邱山公路隧道右線仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點的振動速度時程曲線，可見，當爆破荷載達到峰值時，振速也達到峰值;爆破荷載卸載后，即t卸 =0.1 s后，振速基本為0。

圖6、圖7為邱北區(qū)間地鐵隧道右線的爆破施工在臨平山南坡腳下引起的地表振動速度云圖，可以看出，地表最大振速為10-2cm/s ～10-1cm/s量級，說明爆破施工對地表基本無影響。

2.3.2 工況 2 計算分析

圖8、圖9分別為t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s時邱山公路隧道襯砌的振動速度云圖，由圖8、圖9可見，邱山公路左隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約為10-2cm/s量級;邱山公路右隧道襯砌的振速小于左隧道，沿隧道縱向影響長度約為35～50m。隨著爆破振動荷載的傳播，邱山公路隧道襯砌中的振速分布也隨之發(fā)生變化，最大振速很小，量級為10-2cm/s～10-4cm/s。

圖10為t升 = 0.01 s時邱山公路左隧道仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點的振動速度時程曲線，可見，當爆破荷載達到峰值時，振速也達到峰值，約為0.1 cm/s;爆破荷載卸載后，即t卸 =0.1 s后，振速基本為0。

邱北區(qū)間地鐵隧道左線爆破施工在地鐵隧道右線襯砌中引起的振動速度云圖如圖11、圖12所示，最大振速約為0.1 cm/s。

2.3.3 工況 3 計算分析

圖13為t升 = 0.01s時邱山公路隧道襯砌的振動速度云圖，可以看出，邱山公路右隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約為10-2cm/s量級，邱山公路左隧道襯砌的振速小于右隧道。僅在邱北區(qū)間地鐵右隧道掘進面上方的邱山公路隧道局部范圍襯砌中產(chǎn)生了較明顯的振動速度響應。

圖14為t升 = 0.01 s時邱山公路隧道右線仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點的振動速度時程曲線，可以看出，爆破荷載達到峰值0.01 s后，即t = 0.02 s時，振速達到峰值，約為0.05 cm/s;爆破荷載卸載后，即t卸 = 0.1 s后，振速基本為0。

圖15、圖16為邱北區(qū)間地鐵隧道右線爆破施工在臨平山北坡腳下引起的地表振動速度云圖，可看出最大振速為10-2cm/s量級，說明爆破施工對地表基本無影響。

3 結(jié)論及建議

（1）邱北區(qū)間地鐵隧道爆破施工時，邱山公路隧道襯砌產(chǎn)生的最大振速約0.2 cm/s，遠小于規(guī)定的安全允許標準。

（2）附近建筑物在地鐵爆破施工時最大振速為10-2cm/s量級，遠小于規(guī)定的安全允許標準。

（3）邱北區(qū)間地鐵隧道左線爆破施工時，地鐵右線隧道的混凝土襯砌仍未養(yǎng)護好，根據(jù)GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，養(yǎng)護期混凝土的安全允許振動速度標準為2.5～12.0 cm/s。而地鐵右線隧道襯砌振速響應值最大約為0.1 cm/s，遠小于此允許標準。

（4）地鐵隧道施工中應首先進行爆破試驗，加強對邱山公路隧道襯砌和山腳下其他鄰近建筑物的爆破振動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)修正爆破施工參數(shù)，以達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟效果。

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收稿日期 2019-01-14

責任編輯 朱開明