短天窗點(diǎn)間隔臨近既有隧道導(dǎo)洞微振爆破研究

文勇

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津市 300222)

近距離爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)可能會(huì)引起既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，對(duì)其安全性產(chǎn)生很大的影響。在既有運(yùn)營(yíng)鐵路隧道正常運(yùn)行的條件下，新建隧道若要進(jìn)行爆破開(kāi)挖施工作業(yè)，一方面要確保既有運(yùn)營(yíng)線鐵路隧道及行車安全；另一方面，新建隧道可利用的爆破施工天窗時(shí)間間隔短，而常規(guī)爆破作業(yè)方法無(wú)法同時(shí)保障上述兩方面要求。因此，有必要提出短天窗點(diǎn)間隔臨近既有隧道先行導(dǎo)洞微振爆破網(wǎng)絡(luò)，即分天窗爆破方案，以解決現(xiàn)有爆破方案振動(dòng)影響大、施工進(jìn)度慢、施工成本高等問(wèn)題。

閆軍等通過(guò)溫州繞城高速公路橫山隧道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，掌握了小凈距隧道爆破對(duì)鄰近隧道二襯結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；仇文革等采用LS-DYNA顯示動(dòng)力分析，研究了引水隧洞鉆爆法下穿施工對(duì)既有鐵路隧道的影響，認(rèn)為單段起爆藥量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與爆源的距離對(duì)既有隧道的影響大小具有直接的關(guān)系；朱正國(guó)等以南京地鐵小凈距隧道為例，通過(guò)對(duì)確保小凈距先行隧道安全穩(wěn)定的后行隧道爆破施工技術(shù)的研究，得到了先行隧道襯砌振速隨施工過(guò)程進(jìn)行的變化規(guī)律；為解決連拱隧道爆破施工對(duì)相鄰斷面二次襯砌造成的影響，周建春等通過(guò)開(kāi)展爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和基于襯砌結(jié)構(gòu)安全的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，提供了相應(yīng)的施工工序優(yōu)化技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆破荷載施加、爆破振動(dòng)、爆破應(yīng)力傳播規(guī)律、隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)安全準(zhǔn)則等方面取得了一系列成果，但是對(duì)于短天窗點(diǎn)間隔條件下的先行導(dǎo)洞微振爆破方案卻未有過(guò)研究。因此，該文利用有限元軟件對(duì)采用此種爆破方案不同進(jìn)尺下襯砌結(jié)構(gòu)的振速及主應(yīng)力進(jìn)行分析，以此驗(yàn)證采用此方案的安全性及合理性。

1 工程概況

福州至平潭鐵路新苔井山隧道左、右線均為單洞單線隧道，位于福廈線既有苔井山隧道兩側(cè)。左線隧道距既有運(yùn)營(yíng)鐵路隧道16～35 m，其中最大埋深約78.7 m，全長(zhǎng)2 243 m；右線隧道距既有運(yùn)營(yíng)鐵路隧道8.3～30 m，其中最大埋深約75.5 m，全長(zhǎng)2 295 m，且新建隧道與既有隧道間存在1～4 m的高差，新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面關(guān)系圖(單位：m)

2 臨近隧道爆破施工數(shù)值模型

2.1 爆破施工方案的設(shè)計(jì)

為不影響既有線正常運(yùn)營(yíng)，爆破需在其天窗期進(jìn)行，既有線天窗期分為兩個(gè)，且間隔時(shí)間較短。短天窗點(diǎn)間隔臨近既有隧道先行導(dǎo)洞微振爆破炮孔布置如圖2所示。其中，隧道工作面中部設(shè)有先行導(dǎo)洞炮孔，周邊設(shè)有擴(kuò)挖炮孔、解壓炮孔和周邊炮孔，底部設(shè)有底部炮孔。爆破施工作業(yè)過(guò)程包括：在天窗期之前完成炮孔布設(shè)和鉆孔作業(yè)，再分別利用兩個(gè)天窗期，對(duì)待挖隧道進(jìn)行填藥布置和爆破。在運(yùn)營(yíng)隧道處于第1個(gè)天窗期(00:00～00:30)時(shí)，對(duì)隧道中部的先行導(dǎo)洞炮孔(A部分)實(shí)施爆破；在運(yùn)營(yíng)隧道處于第2個(gè)天窗期(04:00～04:30)時(shí)，對(duì)隧道周邊的擴(kuò)挖炮孔、解壓炮孔、周邊炮孔和底部炮孔(B部分)進(jìn)行爆破。

圖2 爆破炮孔布置圖(單位：m)

2.2 模型的建立

左線距離既有線最近處結(jié)構(gòu)凈距為11.51 m，其相對(duì)應(yīng)的右線與既有線凈距為29.955 m，故選取此斷面來(lái)研究左線隧道爆破施工對(duì)既有隧道的不利影響。分析過(guò)程中為了弱化邊界對(duì)數(shù)值模擬的影響，模型左右及上下邊界分別取3～5倍隧道洞徑。最終整個(gè)模型尺寸長(zhǎng)度138 m，高度84 m，左線隧道內(nèi)軌頂面高于既有隧道內(nèi)軌頂面1 m。為避免爆破地震波在邊界處反射，在建立模型過(guò)程中對(duì)邊界施加黏彈性邊界條件。不同天窗起爆區(qū)模型如圖3所示。

圖3 不同起爆區(qū)整體模型

2.3 材料及參數(shù)的選取

模擬所選取的分析對(duì)象主要地層有3層，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，隧道襯砌為C25整體式混凝土。圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)

3 爆破對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振速影響分析

爆破藥量是控制振動(dòng)速度的重要條件，對(duì)于安全運(yùn)營(yíng)有著重要意義，且當(dāng)實(shí)際爆破藥量小于計(jì)算藥量時(shí),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)爆破振速均不超過(guò)控制值。所以為控制既有隧道襯砌的爆破振動(dòng)速度，左線施工采用的是小進(jìn)尺，因?yàn)槭┕みM(jìn)尺越大，爆破荷載就越大，爆破振速也就越大。故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分別選取1.4、1.5、1.6、1.7 m共4種不同進(jìn)尺進(jìn)行分析，以找到同時(shí)滿足施工進(jìn)度要求及振動(dòng)速度限制的最優(yōu)合理進(jìn)尺。分析結(jié)果主要考慮應(yīng)力及振動(dòng)速度兩方面。

3.1 不同進(jìn)尺爆破荷載計(jì)算

對(duì)于爆破荷載的計(jì)算，以往研究采用的計(jì)算方法多適用于單孔或者集中裝藥的情況，而沒(méi)有將整個(gè)爆破面的所有炮孔荷載考慮在內(nèi)。為使計(jì)算結(jié)果更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，此次計(jì)算將整個(gè)爆破面考慮在內(nèi)，并且將掏槽孔與非掏槽孔的荷載計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行。在目前的研究中，關(guān)于爆破荷載的簡(jiǎn)化最主要有兩種方式，分別為指數(shù)形荷載曲線和三角形波形加載。依據(jù)爆破荷載簡(jiǎn)化理論，爆破荷載可以按照段位不同簡(jiǎn)化為相應(yīng)的三角形荷載。第1、2個(gè)天窗起爆區(qū)爆破荷載可以按照炸藥段位簡(jiǎn)化為6個(gè)三角形荷載，爆破荷載直接作用在隧道開(kāi)挖輪廓線上。

不同進(jìn)尺第1、第2起爆區(qū)爆破荷載如圖4所示。

圖4 不同進(jìn)尺爆破荷載時(shí)程曲線

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)上述不同進(jìn)尺所對(duì)應(yīng)的爆破荷載及相應(yīng)模型，對(duì)不同工況進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3.3 不同進(jìn)尺下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速

不同進(jìn)尺下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速如圖6所示。

圖6 不同進(jìn)尺下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速圖

對(duì)比分析不同進(jìn)尺第1起爆區(qū)及第2起爆區(qū)振動(dòng)速度值，可以看出4種工況下第1起爆區(qū)各關(guān)鍵點(diǎn)水平方向及豎直方向的振速都要大于第2起爆區(qū)，說(shuō)明第1起爆區(qū)爆破對(duì)既有隧道襯砌的影響更大；迎爆側(cè)的振速峰值要明顯大于背爆側(cè)振速峰值，且迎爆側(cè)最大振速?gòu)墓把恢锰幭蚬绊?、拱腳逐漸減小，而背爆側(cè)最大振速則從拱腰向拱頂、拱腳逐步增大。

隨著開(kāi)挖進(jìn)尺逐漸增大，爆破荷載峰值相應(yīng)增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速峰值也越來(lái)越大。進(jìn)尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所對(duì)應(yīng)的最大振動(dòng)速度分別為2.75、2.87、3.02、3.18 cm/s。由于運(yùn)營(yíng)線襯砌產(chǎn)生破壞是振動(dòng)速度超過(guò)允許值造成的，而進(jìn)尺1.7 m時(shí)迎爆側(cè)拱腰振速已達(dá)到3.18 cm/s，超過(guò)該工程微差爆破最大振速限值3 cm/s，故選取1.6 m作為合理進(jìn)尺。

3.4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

X、Y方向最大振速數(shù)值模擬值與現(xiàn)場(chǎng)最大振速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大振速對(duì)比

由表2可知：數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，兩者之間的相對(duì)誤差較小，基本符合要求。

4 爆破對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響分析

4.1 不同進(jìn)尺第一主應(yīng)力分析

不同進(jìn)尺各監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一主應(yīng)力如圖7所示。

由圖7可知：進(jìn)尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為1.123、1.189、1.255、1.320 MPa。表明開(kāi)挖進(jìn)尺越大，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力越大，且最大主應(yīng)力都出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰位置處，背爆側(cè)拱腰位置次之。

圖7 不同進(jìn)尺各監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一主應(yīng)力圖

4.2 合理進(jìn)尺下的主應(yīng)力分析

所選定的最優(yōu)進(jìn)尺1.6 m下既有隧道最大主應(yīng)力空間分布圖如圖8所示。

爆破振動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生拉伸破壞，由圖8可知：合理進(jìn)尺下，既有隧道第一主應(yīng)力最大值位于迎爆側(cè)拱腰處，為1.255 MPa，且由拱腰位置向拱頂及隧道底部?jī)蓚?cè)逐漸減小，背爆側(cè)規(guī)律大致相同。根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，最大拉應(yīng)力值未超過(guò)C25混凝土的極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa，說(shuō)明合理進(jìn)尺下的分天窗爆破方案是安全、合理、可靠的。

圖8 進(jìn)尺1.6 m既有隧道第一主應(yīng)力空間分布圖(單位：MPa)

新建隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破地震波通過(guò)與既有隧道間的圍巖首先傳播到既有隧道迎爆側(cè)，爆破地震波因傳播方向和距離不同，在既有隧道迎爆側(cè)產(chǎn)生的爆破施工附加應(yīng)力隨距起爆點(diǎn)的距離增加而減小；既有隧道對(duì)新建隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破地震波的傳播具有一定的阻隔作用，從而消減了爆破地震對(duì)遠(yuǎn)離新建隧道的既有隧道背爆側(cè)的影響。

5 結(jié)論

通過(guò)分析不同進(jìn)尺下既有隧道各點(diǎn)的振速及主應(yīng)力分布情況，得出以下結(jié)論：

(1)新建隧道采用先行導(dǎo)洞微振爆破方案進(jìn)行施工時(shí)，先行導(dǎo)洞區(qū)相較于擴(kuò)挖起爆區(qū)對(duì)既有隧道襯砌的影響更大。

(2)采用合理進(jìn)尺1.6 m進(jìn)行微振爆破施工時(shí)，臨近隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大振速僅為3.02 cm/s，處于微振爆破振速限制的合理范圍內(nèi)；迎爆側(cè)拱腰處第一主應(yīng)力最大值為1.255 MPa，未超過(guò)C25混凝土的極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa，故采用優(yōu)化后的先行導(dǎo)洞微振爆破方案是安全可靠的。

(3)采用1.6 m合理進(jìn)尺下的先行導(dǎo)洞微振爆破不僅可降低爆破對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生的振動(dòng)影響，確保既有鐵路行車安全，還可充分利用短天窗期進(jìn)行施工作業(yè)，為以后類似工程提供借鑒。