某暗挖小凈距隧道施工方案優(yōu)化及爆破施工安全研究

段軍朝，吳賢國，李博文，王彥玉

（1.中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430064；2.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074）

武漢東湖通道團山隧道工程位于國家5A級東湖風景區(qū)內(nèi)，是武漢市重點工程，對安全文明施工有著較高要求。團山隧道是小凈距隧道。小凈距隧道是指并行雙洞中夾巖厚度較薄，其雙洞的中夾巖柱寬度介于連拱隧道的雙線隧道之間，一般為2～8 m，比同等條件下連拱隧道凈間距取值要大。由于隧道周邊塑性形態(tài)與范圍取決于圍巖級別、斷面形狀與大小、施工方法、支護形式與支護時機等眾多因素，當兩洞間距小于各自的擾動影響寬度之和，兩隧道施工可能會相互影響，塑性區(qū)可能產(chǎn)生連通，這就給隧道工程設計、施工提出了新的要求。

蘇培森進行了“紅層”軟巖隧道進口段CRD法數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測研究[1]；谷拴成等研究了CRD法和臺階法施工對地鐵隧道圍巖變形的影響[2]；戚玉亮研究了大斷面淺埋暗挖海底隧道CRD法施工模擬分析[3]；陳國中等研究紅層軟巖隧道CRD法進洞施工合理工序[4]；寧方端等研究土巖復合地層中CRD隧道施工的變形監(jiān)測與風險控制[5]。作為一種新型的結(jié)構(gòu)型式，小凈距隧道圍巖的穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)的受力比較復雜。迄今為止，圍繞分離式雙洞隧道的相關(guān)理論和設計施工關(guān)鍵技術(shù)的研究不足夠、不及時、不系統(tǒng)，而不同的開挖方式對隧道的影響不同，在一定程度上，開挖方式的選擇正確與否可能決定隧道建設的成敗[6-7]?，F(xiàn)探討不同開挖方式下圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形及力學特征，研究優(yōu)化隧道施工方案進行爆破施工動力響應分析，評價優(yōu)化施工方案條件下圍巖抗震動的安全性。

1 工程概況及施工方案優(yōu)化

1.1 工程概況

團山暗挖隧道設計為雙向6車道，兩隧道間距在10.6～16.7 m之間，為小凈距隧道形式，隧道最大埋深為50 m，采用新奧法施工，復合式襯砌，以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架為初期支護，鋼筋混凝土為二次支護，在兩次襯砌之間設復合防水板作為防水層。地質(zhì)勘探表明，隧道沿線地質(zhì)條件復雜多變，全線V級圍巖約占洞身總長70%，場地內(nèi)分布的三疊系～石炭系各類可溶性碳酸鹽類巖石，分布有大小不等、充填物不同的溶洞，巖石裂隙較發(fā)育；隧道線路毗鄰東湖團湖，地下水豐富，巖溶水水量較大，隧道開挖容易出現(xiàn)塌方、突水等地質(zhì)災害，施工難度大、風險高，為該項目控制性工程。

由于大斷面小凈距隧道結(jié)構(gòu)型式的特殊性和新穎性，且隧道斷面大、扁平率低，圍巖穩(wěn)定性差。因此，無論從設計角度還是施工角度，其結(jié)構(gòu)受力狀況都是十分復雜的，仍存在許多關(guān)鍵問題需要解決。

1.2 施工方案優(yōu)化

傳統(tǒng)CRD法施工，由于四步CRD法以中隔墻為界，隧道左右各為一部分，每一部分分為兩步，每步通過中隔墻、初期支護、臨時仰拱形成一個洞室，洞室之間環(huán)環(huán)相扣，步步成環(huán)；對于軟弱危巖的開挖支護，控制隧道變形效果良好，但由于每步通過臨時仰拱與中隔墻和初期支護成環(huán)，空間狹窄，大型施工機械施展不開，造成作業(yè)效率低下，施工成本增加，施作臨時仰拱，增加了材料的成本。

隧道施工采用傳統(tǒng)CRD施工方法單向掘進，顯著影響施工工期，現(xiàn)場項目部創(chuàng)造性地提出拆除臨時抑拱和中隔墻以利于大型挖機掘進施工，提高隧道開挖生產(chǎn)效率，保證工期和項目經(jīng)濟效益。臨時仰拱拆除會影響原上部拱形閉合支架的整體性，也對開挖導洞周圍圍巖土體產(chǎn)生擾動。優(yōu)化后的施工方案對圍巖體與初襯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全提出了新的要求，需補充按優(yōu)化后方案的開挖施工過程模擬計算。

2 隧道施工數(shù)值模擬

2.1 計算模型與參數(shù)

數(shù)值模擬采用理想彈塑性模型結(jié)合彈性模型進行分析、通過對不同開挖過程的施工模擬，以達到優(yōu)化施工方案、指導施工的目的。

計算模型中，將摩爾-庫侖等面積圓屈服準則代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩爾-庫侖準則，平面應變用Plane42單元來模擬巖土體，用平面梁Beam3單元來模擬初襯和錨桿作用。隧道土體開挖施工過程仿真有限元模型如圖1所示。

圖1 隧道土體開挖施工前有限元模型

按隧道開挖影響范圍的大小，根據(jù)理論分析和計算經(jīng)驗，5倍開挖洞寬和洞高可以作為模型的截斷邊界，截斷邊界外的巖土體應力與變形已經(jīng)處于原始狀態(tài)。分別約束模型的左右邊界水平位移和下邊界的垂直位移。模型中，x軸沿水平方向，y軸沿豎直方向，隧道左右洞于y軸對稱。詳細的計算參數(shù)如表1、表2所列。

表1 實體單元計算參數(shù)表

表2 梁、桿單元計算參數(shù)表

2.2 開挖施工過程模擬

現(xiàn)選取的模擬計算斷面為隧道左洞T1K8+220～ T1K8+260（對應右洞 T2K8+240～ T2K8+280），根據(jù)地勘報告，這段位于中風化泥質(zhì)粉砂巖7a-2與中風化鈣質(zhì)泥巖6a-2地層，屬V級圍巖；隧道上部覆蓋層平均厚10.64 m，覆蓋層偏??；左右洞中心線平均間距30.26 m，沿全隧道線上間距偏小。綜合考慮以上因素，偏保守地取這部分圍巖體做淺埋小凈距隧道開挖施工過程有限元模擬仿真。

2.2.1 優(yōu)化前的CRD工法開挖施工過程模擬

隧道工程應用交叉中隔壁法進行施工，按原設計施工方案，需進行如下施工工況模擬：

（1）初始地應力計算。

（2）左洞施工：a.超前小導管施工；b.右上部導洞開挖；c.右上部導洞噴射混凝土和鋼架初期支護；d.右下部導洞開挖；e.右下部導洞噴射混凝土、鋼架和錨桿初期支護；f.左上部導洞開挖；g.左上部導洞噴射混凝土和鋼架初期支護；h.左下部導洞開挖；i.左下部導洞噴射混凝土、鋼架和錨桿初期支護。

（3）右洞施工：同左洞。

2.2.2 優(yōu)化后的CRD工法開挖施工過程模擬

優(yōu)化方案主要區(qū)別為提出拆除臨時抑拱和中隔墻，以利于大型挖機掘進施工，提高隧道開挖生產(chǎn)效率，按優(yōu)化后方案的開挖施工過程模擬計算：

（1）初始地應力計算。

（2）左洞施工：a.超前小導管施工；b.右上部導洞開挖；c.右上部導洞噴射混凝土和鋼架初期支護，右側(cè)臨時仰拱拆除；d.右下部導洞開挖；e.右下部導洞噴射混凝土、鋼架和錨桿初期支護；f.左上部導洞開挖；g.左上部導洞噴射混凝土和鋼架初期支護，左側(cè)臨時仰拱拆除；h.左下部導洞開挖；i.左下部導洞噴射混凝土、鋼架和錨桿初期支護。

（3）右洞施工：同左洞。

（4)左洞中隔壁拆除。

（5）右洞中隔壁拆除。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

通過對淺埋暗挖小凈距隧道V級圍巖段采用交叉中隔壁法（CRD法）和優(yōu)化后的四部交叉中隔壁法（CRD）開挖施工過程的模擬計算，得到圍巖位移和應力，以及支護結(jié)構(gòu)應力在不同施工方法下的變化及其特點。圖2為拆除臨時仰拱和中隔壁后y向位移云圖。

圖2 拆除臨時仰拱和中隔壁后y向位移云圖

如圖2所示，臨時仰拱和中隔壁拆除后，y方向，除隧道頂扇形區(qū)域向下沉陷外，其它部分圍巖都呈隆起趨勢。最大下陷-14.9 mm發(fā)生在左洞拱頂，最大隆起60.3 mm發(fā)生在左洞仰拱中部圍巖，先行洞位移略大。

圖3、圖4為優(yōu)化前、后第1主應力云圖；圖5、圖6為優(yōu)化前、后，CRD法施工等效塑性應變云圖。

圖3 優(yōu)化前第1主應力云圖（單位：Pa）

圖4 優(yōu)化后第1主應力云圖（單位：Pa）

圖5 優(yōu)化前CRD法施工等效塑性應變云圖

圖6 優(yōu)化后CRD法施工等效塑性應變云圖

如圖4拆除臨時仰拱和中隔壁后隧道圍巖第1主應力分布，與圖3正常施工過程最終第1主應力分布比較，變化不大。圖6是按優(yōu)化后的CRD法施工完成后，隧道周圍圍巖等效塑性應變分布圖，將其與圖5比較，開挖過程中拆除臨時仰拱對隧道圍巖塑性區(qū)分布影響明顯，原未出現(xiàn)塑性區(qū)的臨時仰拱拱腳處也分別出現(xiàn)小塊塑性區(qū)，而且仰拱下部圍巖塑性區(qū)存在加長加厚連通的趨勢，最大等效塑性應變?yōu)?.0047，中夾巖柱上部塑性區(qū)變化不明顯，但總體上講，按優(yōu)化后的CRD法施工，塑性變形區(qū)仍呈局部分散分布，隧道開挖過程不會發(fā)生大面積的強度破壞，圍巖塑性區(qū)的最終狀態(tài)不會導致圍巖發(fā)生整體塑性流動破壞。優(yōu)化前后初襯支護結(jié)構(gòu)最終內(nèi)力變化不大，優(yōu)化前后錨桿最終內(nèi)力變化不大。

4 優(yōu)化C R D四部爆破開挖施工安全分析

4.1 隧道開挖石方爆破方案

若拱頂范圍為土層，則根據(jù)巖石侵入掌子面的范圍進行局部爆破。局部爆破法不用設置掏槽眼，炮眼直接打設垂直孔。若隧道范圍內(nèi)分布全部為巖石，開挖采用上下臺階爆破開挖的方法，爆破進尺為1.0～1.5 m。局部爆破根據(jù)巖石侵入掌子面范圍，若巖石侵入拱腰以上1 m，則需布設周邊眼和排眼，排眼布設與下臺階布設參數(shù)相同，周邊眼按照臺階法周邊眼間距及孔深進行布置。若巖石侵入拱腰以下則采用淺孔臺階爆破。

起爆破設計參數(shù)如下：

（1）鉆空直徑 D:D=42 mm；（2）底盤抵抗線 W1：W1=（25～30）D 或 W1=（0.4～1.0）H；（3）臺階高度H：根據(jù)現(xiàn)場情況選?。唬?）孔間距 a:a=（1.0～1.5）w1；（5）排間距 b:b=（0.8～1）a；（6）超深 Δh:Δh=（0.15～0.35）W1；（7）炸藥單耗 q:根據(jù)地質(zhì)條件 取q=0.3～0.7 kg/m3；（8）單孔裝藥量 Q:Q 前 =qaw1H，Q 后 =qabH；（9）填塞長度 L:滿足 L≥1.2 W1；（10）根據(jù)現(xiàn)場爆破效果再對孔距、排距、單耗作適當?shù)恼{(diào)整；（11）布孔方式：采用梅花形布孔；（12）裝藥結(jié)構(gòu)：采用線性連續(xù)裝藥；（13）起爆網(wǎng)絡：采用非電毫秒微差起爆，每個炮孔內(nèi)裝1個起爆藥包，非電毫秒雷管孔內(nèi)或孔外延時，電雷管起爆。

4.2 爆破動力響應的二維彈塑性時程分析

4.2.1 動力分析模型的建立

動力分析必須選擇合適大小的單元，對幾何模型劃分網(wǎng)格，最大單元尺寸的控制原則為：輸入震動波譜中的最短波長，并且盡量使模型網(wǎng)格均勻化或連續(xù)漸變，以避免震動波在模型中的假反射。據(jù)此建立的典型有限元離散模型如圖7所示。

圖7 隧道開挖完成后模型局部之圖示

4.2.2 爆破荷載邊界條件

將爆破荷載施加在炮孔壁上的方法，較流固耦合算法而言，可節(jié)省大量的計算工作量和存儲量。但是，由于炮孔周圍的網(wǎng)格剖分工作仍然復雜，尤其是在炮孔數(shù)很多的情況下。因此，提出進一步的等效荷載施加方法，可以省卻繁復的網(wǎng)格劃分工作，同時劃分后的單元數(shù)目也急劇減少。此種等效方法不需要在建模中體現(xiàn)出微小的炮孔形狀，可將同排炮孔連心線所在豎直面建成平面。基于力學上的圣維南原理，等效荷載在建模時不考慮炮孔形狀，即在模型中不予體現(xiàn)出來，然后對爆破荷載時程曲線進行等效，施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面。

綜上所述，將爆破荷載簡化為具有線性上升段和指數(shù)下降段的分段函數(shù)荷載，假定作用在隧道開挖邊界面上。根據(jù)大量實測經(jīng)驗，該項計算上升段時間取1 ms，下降段結(jié)束時間取5 ms，為了解荷載結(jié)束后質(zhì)點情況，計算總持續(xù)時間取為1s。

4.2.3 模擬步驟與靜動力邊界條件

爆破動力響應時程分析的模擬步驟如下：

（1）地應力場生成；

（2）位移場歸零后，進行靜力分步開挖模擬，直到建立開挖完成后的應力場；

（3）位移場歸零后，從模型內(nèi)部開挖邊界輸入爆破震動，并施加動力吸波邊界條件，采用逐步直接積分法顯式求解模型各物理量的完整時程反應。

邊界條件的設置為：在靜力學分析初始狀態(tài)基礎上，動力學模型的左右側(cè)邊界及底部設置為吸波邊界，以模擬洞室群周邊的半無限巖石介質(zhì)的自由場反應特性，吸收來自洞室周邊的反射波；模型上表面為山體自由表面。

4.3 圍巖震動速度響應分析

圍巖速度響應是最原始的動力物理量計算值，通過監(jiān)測圍巖若干關(guān)鍵點的速度時程可以校核計算值的合理性并判斷圍巖震動反應的強烈程度。

在爆破震動的作用下，圍巖會產(chǎn)生動力應力響應，有一個附加的震動響應應力場會疊加到原始的應力場之上，原始應力場受到的擾動程度大小會影響圍巖的穩(wěn)定性，也反應了圍巖的動力響應強烈程度。由于拱頂和拱底較容易出現(xiàn)拉破壞區(qū)，圖8給出了已開挖隧道圍巖最大應力-拱底中部第1主應力動力響應。

如圖8所示，隧道圍巖關(guān)鍵點處單元的第1主應力在靜力開挖平衡初始應力的上下發(fā)生范圍不大的波動，這表明震動對隧道拱頂和拱底圍巖的應力場擾動不大。

圖8 隧道拱底中部圍巖第1主應力動力響應曲線圖

4.4 圍巖塑性區(qū)特征分析

圖9為靜力分析塑性區(qū)分布結(jié)果，隧洞圍巖塑性區(qū)主要集中在拱頂兩側(cè)，向上擴展較大，邊墻、拱底也產(chǎn)生了一定的塑性區(qū)。對比圖10給出的爆破動力計算終止時刻的總塑性區(qū)分布，經(jīng)歷爆破震動動力作用后，圍巖拱頂和底拱的塑性區(qū)集中區(qū)進一步向外擴展，邊墻塑性區(qū)擴展不是很顯著，爆破開挖面以下塑性區(qū)發(fā)育較大。

圖9 靜力作用下塑性區(qū)分布圖示

在爆破震動荷載的作用下，圍巖塑性區(qū)會在一定程度上進一步擴展，通過比較震動前后塑性區(qū)面積的變化可以定量地評價圍巖的震動穩(wěn)定性狀況。通過爆破計算的結(jié)果顯示，在爆破動力荷載作用下，圍巖總體穩(wěn)定。

4.5 襯砌內(nèi)力動力響應分析

圖11～圖16分別給出了已開挖隧道初襯關(guān)鍵部位最大軸力、剪力和彎矩的動力響應計算結(jié)果。

圖11左側(cè)邊墻中部初襯軸力動力響應曲線圖

圖12右側(cè)邊墻中部初襯剪力動力響應曲線圖

圖13 左側(cè)邊墻中部初襯彎矩動力響應曲線圖

圖15 拱底中部初襯剪力動力響應曲線圖

圖16 拱底中部初襯彎矩動力響應曲線圖

根據(jù)襯砌截面內(nèi)力動力響應時程圖可以發(fā)現(xiàn)，初襯內(nèi)力響應也呈現(xiàn)沖擊波效應，但變化幅度都不大，在安全允許范圍之內(nèi)。

4.6 震動工況安全性總體評價

通過對隧洞爆破開挖的二維彈塑性時程分析，對隧洞在設計爆破震動動力作用下的動力響應進行了數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場測試。根據(jù)前述計算成果分析和測試，可以得到以下基本結(jié)論：

（1）圍巖附加第1主應力響應在±0.2 MPa范圍之內(nèi)，未達到巖體的抗拉強度，故洞室不會發(fā)生大面積的強度破壞。

（2）在震動動力作用下，塑性區(qū)發(fā)展的時程分析表明，震動結(jié)束時圍巖塑性區(qū)的最終狀態(tài)不會導致圍巖發(fā)生整體塑性流動破壞。

（3）在爆破震動作用下，初期支護表面振速在安全余度之內(nèi)。襯砌內(nèi)力的沖擊效應變化較小，承載力是安全的。

綜上所述，在爆破震動波的作用下，隧洞初襯支護抗震穩(wěn)定性良好。

5 爆破施工實施及效果

5.1 爆破施工實施

根據(jù)爆破方案中的炸藥及參數(shù)進行試爆，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場超挖嚴重，碎石及粉塵較多，易對周圍環(huán)境造成破壞且不利于現(xiàn)場安全文明施工。針對此問題進行研究，鑒于團山隧道地質(zhì)較為復雜，巖性也多種多樣，采用單一的爆破參數(shù)難以滿足現(xiàn)場要求，經(jīng)方案比選，對不同巖性采用不同的爆破參數(shù)，以取得較好的控制爆破效果。此外，在炸藥的選擇上，將原設計的硝銨炸藥優(yōu)化為抗水性、爆炸性能好，機械感度低的乳化炸藥,保證爆破施工過程的安全性及控制爆破對初期支護的影響。

5.2 控制爆破實施效果

（1）循環(huán)進尺理想，當炮眼深度達1.2 m時,每循環(huán)進尺達到1 m以上。

（2）開挖面規(guī)則成型，平均線超挖＜10 cm，最大線超挖＜20 cm，局部欠挖＜5 cm。

（3）炮眼痕跡保存率達90%，爆破后圍巖穩(wěn)定，基本無剝落現(xiàn)象。

（4）兩炮銜接臺階最大尺寸15 cm，炮眼利用率達95%以上。

圖17為爆破震動實施效果圖。

圖17 爆破震動實施效果圖

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

淺埋暗挖小凈距隧道凈空拱頂下沉量測結(jié)果如圖18所示。

圖18 拱頂下沉分析曲線圖

現(xiàn)場測得的拱頂最大沉降值為25.2 mm，而數(shù)值模擬得出的最大拱頂沉降值為18 mm。對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場監(jiān)控量測的變形值要大于現(xiàn)場數(shù)值模擬計算的結(jié)果。究其原因主要是因為數(shù)值模擬分析是在理想狀態(tài)下得出的，實際中很難達到，現(xiàn)場量測值和數(shù)值模擬有一定出入，但都相差不大，均在規(guī)范允許的范圍。說明左右洞該斷面的圍巖-支護系統(tǒng)已經(jīng)達到穩(wěn)定，且支護措施能滿足實際安全施工需要。

6 結(jié) 論

（1）本文通過對某淺埋暗挖小凈距隧道施工工藝優(yōu)化前后進行數(shù)值模擬對比分析，改交叉中隔壁法為優(yōu)化后的交叉中隔壁法，順利完成了施工。優(yōu)化后的CRD方法，在遵循傳統(tǒng)工藝原理的情況下，由于斷面分部較少，比傳統(tǒng)CRD法施工周期短，同時強化臨時支護，且隧道分部開挖斷面較小，能確保隧道施工安全。

（2）將摩爾-庫侖等面積圓屈服準則代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩爾-庫侖準則，對不同施工工藝情況下，隧道開挖過程中巖土體受力情況進行分析計算。計算結(jié)果與監(jiān)測的拱頂位移、水平收斂等數(shù)據(jù)基本相吻合。說明此模擬計算方法能較準確地模擬隧道開挖的巖土體應力和變形變化，為工程施工工藝優(yōu)化提供了有力的支撐。

（3）爆破震動測試表明控制爆破對初期支護的影響在要求范圍內(nèi)，施工的安全性可以保證。通過對隧洞爆破開挖的二維彈塑性時程分析，對隧洞在設計爆破震動動力作用下的動力響應進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在爆破震動波的作用下，隧洞初襯支護抗震穩(wěn)定性良好。

（4）針對團山隧道地質(zhì)情況設計爆破方案，爆破實施表明控制爆破對初期支護的影響在要求范圍內(nèi)，施工安全效果良好。