近距離下穿既有盾構(gòu)隧道的隧道鉆爆降振技術研究

高宇璠　傅洪賢

摘要： 以廣深港客運專線益田路隧道為工程背景，對爆破作用下既有盾構(gòu)隧道管片的振動響應進行研究。結(jié)合應力波理論計算了盾構(gòu)隧道管片的爆破振動速度安全允許值，并利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證;結(jié)合既有隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了管片的振動速度變化規(guī)律，提出了減振措施和優(yōu)化爆破方案，確保既有盾構(gòu)隧道的運營安全。結(jié)果表明：爆破施工過程中，既有隧道襯砌管片最大振速達到7.19 cm/s，小于計算的9 cm/s安全允許振動速度，管片接縫無損傷，計算的襯砌管片安全允許振動速度可為類似工程提供參考;鉆爆法近距離下穿既有盾構(gòu)隧道時，采用電子雷管起爆技術，并結(jié)合適當?shù)臏p振措施，可以有效降低既有隧道襯砌管片的爆破振動速度，確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

關鍵詞： 隧道爆破; 現(xiàn)場試驗; 襯砌管片; 振動速度; 近距離下穿

中圖分類號： U455.6; U455.91 ? ?文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1004-4523（2021）02-0321-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.02.012

引 言

21世紀是地下空間開發(fā)的時代，在交通運輸方面主要體現(xiàn)為隧道交錯的情況增多，從空間位置角度可分為上跨、下穿和側(cè)穿。當兩隧道距離過近時，新建隧道會對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成不同程度的損害，危及既有隧道的運營安全。尤其是采用鉆爆法施工時，如何減輕和控制爆破振動對既有隧道的影響已成為地下工程建設的難點。

爆破施工對鄰近隧道澆筑襯砌結(jié)構(gòu)的影響，人們進行了較多研究并取得了一些成果。李興華等[1]將爆破地震波進行合理近似簡化，采用波函數(shù)展開法推導出無限巖石介質(zhì)中爆破地震波作用下隧道圍巖和澆筑襯砌動應力集中系數(shù)的表達式。賈磊等[2]建立爆破施工對既有澆筑襯砌振動影響的數(shù)值模型，分析了新建隧道爆破開挖進尺不同、間距不同、埋深不同對既有鄰近隧道的影響。Shin等[3]從質(zhì)點振速、位移和襯砌應力等方面研究了爆破振動引起的隧道特性，并基于爆源位置、隧道埋深和炸藥量等參數(shù)，提出了隧道爆破防護區(qū)的概念。葉培旭等[4]基于實測分析，分析了迎爆面位置、爆心距、裝藥量、介質(zhì)夾制作用等條件對既有隧道斷面爆破振動速度的影響，并提出了相關的控制爆破措施。梁禹等[5]研究了越海隧洞基巖段及孤石段爆破時對鄰近隧洞管片的影響。Liang等[6]結(jié)合實例分析了爆破前的靜應力振動和爆破引起的動應力對既有隧道襯砌總應力的影響。但是，對盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的爆破振動影響研究較少。

本文依托廣深港客運專線益田路隧道近距正交下穿深圳地鐵3號線盾構(gòu)隧道工程，理論計算盾構(gòu)隧道的安全振動標準，結(jié)合現(xiàn)場試驗和振動監(jiān)測，采用減震技術，確保鉆爆施工產(chǎn)生的振動控制在確定的標準之內(nèi)，保證了地鐵盾構(gòu)隧道的安全。

1 工程概況

廣深港客運專線益田路隧道位于深圳北站與福田站之間，隧道埋深約28 m，在里程DK110+455? DK110+495位置處基本呈正交下穿深圳地鐵3號線，交角為86°，與地鐵3號線隧道結(jié)構(gòu)之間的豎向凈距為2.3?2.5 m。深圳地鐵3號線為雙洞隧道，兩洞的直徑皆為5.4 m，間距8 m，建設時采用盾構(gòu)法施工，拼裝300 mm厚的C50鋼筋混凝土管片，管片與二次襯砌之間填充200 mm的豆粒石層并同步注漿。

新建的益田路隧道地處深圳繁華地段，位于燕山期花崗巖與震旦系（Z）變質(zhì)砂巖侵入接觸蝕變界線與全強風化帶，地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為素填土、淤泥質(zhì)細砂、淤泥、粗砂、粉質(zhì)黏土、碎石角礫狀的變質(zhì)砂巖、全風化、強風化及弱風化花崗巖，總體呈上軟下硬的特點。地下水發(fā)育，地質(zhì)條件復雜。原施工方案為TBM法，由于隧道掌子面上軟下硬等原因，隧道還剩100 m時，TBM出現(xiàn)故障，為了工程按期完成決定采用鉆爆法施工。隧道跨度為14.18 m，高度為12.13 m。開挖的100 m區(qū)段中，80 m主要為風化花崗巖，20 m為巖土層。下穿深圳地鐵3號線示意圖如圖1所示。

2 爆破振動安全速度解析計算

地鐵隧道為盾構(gòu)隧道，管片接縫是盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，接縫的受力性能直接決定了隧道結(jié)構(gòu)的承載能力。同時，由于管片厚度相對小于管片的環(huán)向長度，可將接縫端面視為平面，其變形主要為螺栓和受壓區(qū)混凝土的變形[7]。已有研究表明，爆破振動對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞效應主要以拉破壞為主，其中P波作用下極限安全振動速度計算結(jié)果均小于S波作用下計算結(jié)果，爆炸應力波體波對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響中P波占主導地位[8]。

本文以應力波理論為基礎，主要考慮P波對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。忽略襯砌界面的反射折射，當入射角為α的P波穿過襯砌到達自由面時，會產(chǎn)生兩種情況的反射，即反射P波和反射S波，簡稱為PP波和PS波[9]。其中，PP波反射角為α，PS波反射角為β，如圖2所示。

采用表1中C50混凝土參數(shù)，考慮到應力波穿過不同襯砌結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的損失，參考《公路隧道抗震設計規(guī)范》（JTG 2232?2019）[14]中對盾構(gòu)隧道地震作用的計算，引入隧道抗震重要性系數(shù)和場地調(diào)整系數(shù)，得到修正參數(shù)C_i=1.92，從距既有隧道15 m處開始計算，底板測點距新建隧道垂直距離為4 m，取α為14.93°?45°，計算得vp（σ）∈（16.05 cm/s，23.34 cm/s）。根據(jù)計算結(jié)果采用插值法進行合理推演，可得當隧道開挖至測點正下方時，既有隧道襯砌的安全振動速度為9.31 cm/s。計算結(jié)果與參考文獻[15]關于交通隧道安全允許振動速度10 cm/s的范圍相近，考慮到近接隧道的爆破安全風險較大，本文取整采用較低的9 cm/s作為本工程既有隧道襯砌管片的爆破振動安全判據(jù)。

3 現(xiàn)場爆破試驗

益田隧道拱頂距地鐵隧道底板在巖石段的垂直凈距最短為2.5 m，如此近距，目前還沒有相關爆破振動計算公式，數(shù)值模擬計算難度較大。為了準確了解這種近接情況下產(chǎn)生的爆破振動速度，在距地鐵隧道50 m處的下臺階底部打一排3個炮孔進行試爆，如圖3所示。

試驗段圍巖為較堅硬的弱風化花崗巖，在下臺階頂面布置兩個間距1.7 m的測點，炮孔距測點的垂直距離為2.5 m，炮孔間距1 m，深度2 m，每孔裝藥0.4 kg，分別以5段、9段和11段非電雷管起爆，爆破振動監(jiān)測結(jié)果如表2所示，最大振速波形圖如圖4所示。

由試驗數(shù)據(jù)和圖4可知，試驗記錄的最大振動速度為36.36 cm/s，該數(shù)值超過了傳感器的最大量程，也遠遠超出了計算的9 cm/s振動安全判據(jù)。因此，爆破施工時必須要施加相應的減振處理。

4 減振措施及優(yōu)化方案

4.1 減振措施

根據(jù)爆破振動的形成傳播規(guī)律，減振方法可分為兩類。一是爆源減振。主要為改進炸藥特性;選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu);減少總裝藥量或單段裝藥量;分散爆源;減小爆破進尺;充分利用并增加自由面和巖石破裂空間，如掏槽區(qū)設置空孔、掌子面分部爆破等。二是傳播路徑減振。主要為在爆源和受影響建（構(gòu)）筑物之間設置溝槽或減震孔，增加波的反射折射，以降低地震波強度。

本工程將兩類減振方法結(jié)合使用。具體減振措施如下：在下穿地鐵隧道20 m前，在開挖隧道上臺階安設長40 m、間距20 cm的Φ159 mm管棚，該管棚不但控制既有地鐵隧道的沉降，而且還起到了減震孔的作用;在掏槽區(qū)利用打管棚的地質(zhì)鉆機鉆10個Φ100 mm的大直徑空孔，空孔鉆至風化花崗巖層與巖土層交界面，長度40 m，人為制造自由面，減小夾制作用;采用電子雷管實施隧道單孔延時起爆，嚴格控制每個炮孔的裝藥量，以達到降低振動的效果。

4.2 爆破優(yōu)化方案

臺階爆破上臺階開挖進尺為0.6 m。在大直徑空孔附近鉆深度為0.8 m的垂直孔7個，作為掏槽孔，單孔裝藥量0.3 kg，孔間距50 cm。其他炮孔深度0.8 m，孔間距為50?60 cm。其中擴槽孔藥量0.2 kg，周邊孔藥量0.1 kg，炮孔共86個。炮孔采用電子雷管單孔延時起爆技術，孔間延時間隔為10 ms。由于炮孔數(shù)量較多，一次性起爆會導致振動時間加長，有可能發(fā)生振速疊加，產(chǎn)生較大影響。實施一次鉆孔裝藥，四次起爆，一次出渣。在實施中，要把后起爆的雷管導線保護好，防止飛石砸斷。隧道上臺階炮眼布置及區(qū)域劃分如圖5所示，爆破參數(shù)如表3所示。

5 振動監(jiān)測及結(jié)果分析

由于本次下穿施工中，既有隧道襯砌管片距爆源較近，其振動具有質(zhì)點振動幅值大、頻率高、持續(xù)時間較短的特點。且地鐵白天正常運營，列車運行間隔為3?5 min，監(jiān)測人員無法進入。因此，選擇TC?4850N無線網(wǎng)絡測振儀進行監(jiān)測。為了確保地鐵列車的運行安全，速度傳感器布置在道床上，用螺絲和水泥固定。

監(jiān)測共進行40天，對數(shù)據(jù)進行對比分析可知，上臺階第一部分的掏槽爆破引起的振動速度最大，這主要是因為此部分爆破時臨空面較少，圍巖夾制作用大，從而引起較大的振動。以掌子面位于地鐵隧道正下方時的爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，三個方向的上臺階第一部分典型爆破振動波形圖如圖6?8所示。由于采用電子雷管單孔延時起爆技術，爆心距為炮孔到測點的距離，第一部分爆破振動在不同爆心距下的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。

由圖6?8可知，三個方向上的最大振動速度分別為1.51，5.48，5.69 cm/s，波形圖可分為掏槽孔振動波形和擴槽孔振動波形兩大段，且可以明顯看出掏槽孔的爆破振動速度大于擴槽孔的爆破振動速度。將波形局部放大，可以發(fā)現(xiàn)每個波峰基本上都出現(xiàn)在一個電子雷管起爆后的幾毫秒處，這表明每發(fā)電子雷管都對應著一個波峰波谷，并且確實起到了單孔延時起爆的作用。

對圖6?8所示的三個方向的振動波形進行頻譜分析，得出FFT幅度譜波形如圖9?11所示。可以發(fā)現(xiàn)，三個方向的爆破振動主頻分別為87.89，195.31，97.65 Hz。大多數(shù)結(jié)構(gòu)的自振頻率小于15 Hz，少數(shù)高達20 Hz，通過模態(tài)分析可得隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)自振頻率一般小于5 Hz[6，16]。綜上所述，三個方向上的主振頻率均遠大于結(jié)構(gòu)自振頻率，不易引起結(jié)構(gòu)共振，故不需考慮主振頻率對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

新建隧道近距下穿既有地鐵隧道爆破施工中，采用降振措施以后，測點在橫向的最大振動速度為2.86 cm/s，在縱向的最大振動速度為5.67 cm/s，在法向的最大振動速度為7.19 cm/s，均沒有超出數(shù)值計算得出的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全振動速度9 cm/s。爆破施工過程中，振動速度最大值7.19 cm/s出現(xiàn)在爆心距為4.04 m時，管片接縫螺栓未松動，混凝土無開裂現(xiàn)象，安全振速控制滿足工程需求。

測點三個方向的振動速度及合成振速與測點到掌子面的水平距離之間的關系曲線如圖12所示，其中負號表示測點在掌子面前方?？梢园l(fā)現(xiàn)，三個方向的振動速度變化趨勢基本保持一致，但受地質(zhì)條件影響，振速曲線在掌子面前-3.2 m處出現(xiàn)較大波動，橫向和縱向的振速峰值與法向振速峰值的出現(xiàn)位置并不相同。對合成振速進行分析，最大值8.98 cm/s出現(xiàn)在掌子面前-0.8 m處，另一較大峰值出現(xiàn)在掌子面前-4 m處，合成振速在-6?1 m區(qū)間內(nèi)數(shù)值較大，施工到這一范圍時需格外關注振動對襯砌管片接縫的影響。在相同距離下，掌子面前方的振動速度普遍大于掌子面后方的振動速度，這表明掌子面靠近既有隧道正下方時產(chǎn)生的爆破振動速度大于掌子面遠離既有隧道正下方時產(chǎn)生的爆破振動速度。圖中右端數(shù)據(jù)翹起，原因為開挖至風化花崗巖與巖土層交界面處，圍巖條件發(fā)生較大變化，振動產(chǎn)生小幅度增加。

工程實踐證明，薩道夫斯基公式在爆破近區(qū)并不適用[17?18]。學者根據(jù)爆破近區(qū)測試數(shù)據(jù)提出各類修正的爆破近區(qū)公式，Agrawal等[19]指出基于比例距離回歸分析沒有考慮波的疊加，Blair[20]表明在距爆源較近的介質(zhì)中測量時，振動峰值依賴于裝藥量。Tripathy等[21]采用平方根比例距離經(jīng)驗公式，得到了較好的預測效果。

6 結(jié) 論

（1）鉆爆法近距離下穿既有盾構(gòu)隧道時，既有隧道襯砌管片的最大振動速度達到7.19 cm/s，實測值小于管片的計算安全振速9 cm/s，管片接縫無松動開裂現(xiàn)象，施工到此位置時需格外關注振動對襯砌管片接縫的影響。理論計算的襯砌管片最大安全振動標準9 cm/s可為類似的近接隧道爆破施工提供參考。

（2）超近接隧道爆破施工時，利用電子雷管起爆技術，并在掏槽區(qū)增加大直徑空孔，周邊施作減震孔，可以有效控制既有隧道襯砌管片振速小于安全允許值，保障既有建（構(gòu)）筑物的安全。

（3）在爆破近區(qū)使用電子雷管進行爆破時，與單孔最大裝藥量相比，爆心距對振動速度的影響占主導地位，傳統(tǒng)的爆破振動預測公式不再適用，施工時建議隨開挖進展，每炮皆進行振動測試。

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Drilling and blasting technology for closely crossing existing shield tunnel

GAO Yu-fan1，2， FU Hong-xian1，2

（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China; 2. Key Laboratory of Urban Underground Engineering， Ministry of Education， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Taking Yitian Road Tunnel of Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong Passenger Dedicated Line as the engineering background， the vibration response of the existing shield tunnel lining structure under blasting is studied. Based on the stress wave theory， the allowable velocity of the blasting vibration of shield tunnel lining segments is calculated and verified by the field data. Combining with the field monitoring data of existing tunnels， the variation law of vibration velocity of lining segments is analyzed， and vibration reduction measures and optimized blasting scheme are put forward to ensure the operation safety of the existing shield tunnel. The results show that the maximum vibration velocity of the existing tunnel lining segment reaches 7.19 cm/s in the process of blasting construction， which is less than the calculated safety allowable vibration velocity of 9 cm/s. The segment joints are not damaged， and the calculated safety allowable vibration velocity of the lining segment can be regarded as a reference for similar projects. When drilling and blasting method is used to closely underpass the existing shield tunnel， the blasting vibration velocity of existing tunnel lining segments can be effectively reduced by using electronic detonator initiation technology combined with appropriate vibration reduction measures to ensure the safety and stability of the structure.

Key words： tunnel blasting; field test; lining segment; vibration velocity; closely underpass

作者簡介： 高宇璠（1993-），男，工學博士研究生。電話：18800116230;E-mail：18115019@bjtu.edu.cn

通訊作者： 傅洪賢（1966-），男，工學博士，教授，博士生導師。電話：13552693911;E-mail：hxfu@bjtu.edu.cn