新建隧道下穿昆河鐵路爆破施工安全性分析

宋博涵 崔光耀 謝 優(yōu) 余君宇 葛 婧

(北方工業(yè)大學，北京 100144)

0 引言

隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展、交通基礎設施的不斷完善，全國鐵路線路運營里程已達到13.9萬km以上[1]。因鐵路線路如織網(wǎng)般附著于大地，同時多受山地復雜條件的困擾，新建隧道下穿既有鐵路的情況時有發(fā)生。在新建隧道爆破開挖過程中，保證下穿既有鐵路安全運營是問題的關鍵。因此，對新建隧道下穿既有鐵路展開相關研究具有一定意義。

1 研究綜述

目前，國內專家學者對新建隧道下穿鐵路進行了相關研究。唐志輝[2]依托南寧地鐵4號線，提出基于強度折減系數(shù)法對下穿鐵路隧道進行加固優(yōu)化設計，并根據(jù)實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證，結果表明：該優(yōu)化設計方案能有效地控制鐵路線路的沉降；沈亞成[3]依托南京地鐵4號線下穿既有鐵路路基工程提出了對新建隧道在開挖前采用管棚、小導管以及錨桿等措施對圍巖進行超前加固，能夠減小下穿鐵路路基及鐵道的沉降；謝浩[4]依托滬通鐵路安亭下行疏解線下穿運營京滬高鐵工程，利用有限差分軟件對淺層加固、CFG樁加固、鉆孔樁+筏板加固等加固措施進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)計算結果以及對周圍環(huán)境影響綜合考慮，鉆孔樁+筏板加固方案更適合該工程；彭彤[5]依托福州地鐵1號線下穿福州車站工程，采用數(shù)值模擬分析的方法并參考大量實際工程量測數(shù)據(jù)，對黏性土層以及砂卵石土層的路基提出沉降變形標準。礦山法作為傳統(tǒng)的施工方法多用于山嶺隧道開挖。在施工過程中，既不影響周圍土層環(huán)境的破壞又不耽誤施工進程，所以合理的爆破施工控制技術是該工法研究的關鍵[6-8]。鄧祥輝等[9]依托實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)對盧文波等[10]提出的多孔起爆時質點峰值振速的公式進行修正，并驗證修正公式的合理性；為確保既有構筑物的沉降在安全范圍內，趙寶珠[11]對淺埋大斷面鉆爆法施工提出了先局部加固、再減振、最后再加固的施作措施，并結合現(xiàn)場沉降數(shù)據(jù)驗證了該措施的安全性；爆破開挖的過程中地表會產(chǎn)生振動效應，陳士海等[12]利用保角映射將隧道開挖過程中地表振動規(guī)律轉化成半空間內球形藥包引發(fā)的地表振動效應，提出了爆破開挖時可參考的地表振動計算公式。

2 工程概況

綜上所述，開展新建隧道對下穿既有鐵路安全影響的相關研究極為重要。本文對莊寨水庫至碧色寨引水連通工程中，新建隧道下穿昆河鐵路工程3處爆破開挖施工段進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)計算結果，驗證其安全性并提出施工建議。

2.1 地質條件

該工程區(qū)位于云南高原南緣山區(qū)，地處“康滇緬歹字型構造”中段東支與云南“山”字型構造前沿弧頂緣的銜接帶上，為中等—淺切割中山山地高原地貌。測區(qū)內主要由巖溶化山地地貌、巖溶斷陷盆地地貌和構造剝蝕山地地貌3種類型組成。

2.2 新建隧洞與既有鐵路相對位置關系

該工程共有3處位置下穿既有昆河鐵路，對應隧洞里程數(shù)分別為K0+109.7(昆河鐵路K311+230)圍巖等級Ⅴ級、K2+290.1(昆河鐵路K308+120)圍巖等級Ⅴ級、K4+036.2(昆河鐵路K305+360)圍巖等級Ⅳ級，新建隧洞下穿既有鐵路豎向間距分別為15.68 m，76.37 m，24.82 m，穿越角度分別為67°，47°和83°。新建隧洞與既有鐵路位置關系如圖1所示。

(a)K0+109.7處下穿位置圖(b)K2+290.1處下穿位置圖(c)K4+036.2處下穿位置圖

3 研究情況

3.1 計算模型

根據(jù)埋深條件與隧道鐵路的相對位置，分別建立K0+109.7段、K2+290.1段及K4+036.2段數(shù)值模型，依據(jù)圣維南原理，建模時為了避免邊界效應，整個模型寬度取≥5倍隧道洞徑，沿隧洞縱向30 m范圍建立三維模型。計算模型的邊界條件為四周以及下邊界全約束，上邊界無約束。各工段計算模型如圖2～圖4所示。

(a)隧道下穿鐵路模型圖(b)鐵路隧道相對位置

(a)隧道下穿鐵路模型圖(b)鐵路隧道相對位置

3.2 計算參數(shù)

根據(jù)實際地勘資料，模型的計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型參數(shù)

3.3 計算工況

根據(jù)新奧法施工所強調的“超前探測，超前支護，短進尺、控爆破、少擾動，早封閉、強支護、勤量測”的工藝要旨，隧洞開挖循環(huán)進尺按2.0 m計算。首先計算初始地應力，保留計算所得的應力狀態(tài)，同時將位移歸0，以此作為隧洞施工前的初始狀態(tài)。此后，在模型縱向方向30 m范圍內，每2 m進行1次爆破，直至隧道貫通，共計15次爆破循環(huán)。模擬爆破施工圖如圖5所示。

圖5 模擬爆破施工圖

由圖5可見，第8次爆破循環(huán)時，隧洞開挖至鐵路線正下方，此時為施工階段最不利工況。以最不利工況和其前后2次循環(huán)以及施工完成為例進行重點分析，其工況序號及對應階段如表2所示。

3.4 動力參數(shù)

采用常規(guī)動力加載方式，將3個方向(X，Y，Z)的振動波同時施加至掌子面，以達到爆破開挖的效果，單次爆破的持續(xù)時間為2 s。以Z向為例，處理后的振動波加速度時程曲線如圖6所示。

圖6 爆破波Z方向加速度時程曲線

4 鐵路線變形計算結果分析

分別提取模擬爆破過程中施工最不利工況(即工況8)K0+109.7，K2+290.1及K4+036.2段鐵路線變形云圖，如圖7～圖9所示。

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

由位移云圖提取鐵路結構的沉降及水平位移數(shù)值，其中，水平位移由式(1)計算：

(1)

式(1)中，c為既有鐵路水平位移，mm；a為既有鐵路X向位移，mm；b為既有鐵路Y向位移，mm。

由圖6～圖8可知，K0+109.7段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移41.2 mm；提取鐵路各點X、Y方向位移值，并根據(jù)幾何關系計算可得，鐵路水平方向的最大位移為9.7 mm。K2+290.1段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移3.04 mm；提取鐵路各點X,Y方向位移值，并根據(jù)幾何關系計算可得，鐵路水平方向的最大位移為1.38 mm。K4+036.2段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移35.6 mm；提取鐵路各點X,Y方向位移值，并根據(jù)幾何關系計算可得，鐵路水平方向的最大位移為6.2 mm。根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》及鐵路管理部門頒布的控制標準，并參考國內類似工程經(jīng)驗，考慮到施工等綜合原因，確定鐵路線路變形控制指標為鐵路軌道水平、沉降均不能超過4 mm。由此可見，在K0+109.7段及K4+036.2段施工完成后，變形鐵路軌道沉降變形及水平變形均大于4 mm，即此時爆破過程對既有鐵路安全已造成影響，不符合規(guī)范及鐵路管理部門頒布的控制標準。為了更好地了解K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段在模擬爆破過程中對既有鐵路的影響，將爆破開挖過程中既有昆河鐵路豎向及水平位移變形匯總于表3，并以K0+109.7段為例，制作爆破開挖趨勢圖，如圖10所示。

由表3可知，在爆破開挖的全過程中，隨著爆破循環(huán)開挖的持續(xù)進行，至鐵路垂直中心時，鐵路豎向位移及橫向位移均呈遞增趨勢,后隨著爆破的結束變形量相應地減小。K0+109.7段以及K4+036.2段在爆破施工過程中，每一次爆破都對周圍土體及既有鐵路有較大的影響，變形均大于控制標準4 mm，不符合規(guī)范要求，不建議直接爆破施工。K2+290.1段在爆破開挖的全過程中，既有鐵路變形較小，在控制標準4 mm以內，未對既有鐵路造成安全性影響。

5 結論

本文依托莊寨水庫至碧色寨引水連通工程對新建隧道下穿既有昆河鐵路K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段進行爆破施工數(shù)值模擬分析，根據(jù)相關規(guī)范要求，參考既有鐵路的變形結果，對該項目進行安全影響分析，結論如下：

(1)隧洞里程K0+109.7(與昆河鐵路相交K311+230)與K4+036.2(與昆河鐵路相交K305+360)處，新建隧洞與既有鐵路豎向間距分別為15.68 m、24.82m，此處隧洞埋深較淺，圍巖應采取一定的加固措施，施工斷面應采取非爆破開挖，減小掌子面開挖對圍巖的擾動、減小塑性松動圈，支護及時跟進，保證圍巖穩(wěn)定，從而保證鐵路安全運行。

(2)隧洞里程K2+290.1(與昆河鐵路相交K308+120)處，新建隧洞與既有鐵路豎向間距為76.37 m，此處隧洞埋深稍深，圍巖應采取一定的加固措施，施工斷面應采取控制爆破，保障開挖部位圍巖穩(wěn)定，遵循“短進尺、控爆破、少擾動，早封閉、強支護”的開挖原則，確保隧洞施工對上部鐵路運營不造成不利影響。