新建隧道爆破施工對既有輸水隧道的影響

摘要：以某隧道為研究背景，以隧道拱頂位移以及質點振動速度為角度，通過數(shù)值模擬的方式分析隧道爆破開挖過程對輸水隧道所產生的影響。結果顯示：雙洞同時爆破對隧道拱頂位移有較大影響，隧道位移及振動速度與爆破荷載最大值有著一定關系。在輸水隧道正上方進行爆破會產生更大的拱頂襯砌位移，爆破導洞位置的選擇與隧道位移和振動速度存在較大關系。

關鍵詞：隧道;有限元分析;隧道位移;爆破施工

0" "引言

交通基礎設施的不斷發(fā)展也帶動了地下空間的開發(fā)，但同時也導致新建隧道周圍多存在較多結構物[1]。因地質條件的影響，新建隧道往往會較為靠近既有隧道，而新建隧道在爆破開挖的過程中所出現(xiàn)的地震波，容易對既有隧道的結構造成一定的影響，不利于其結構的安全與穩(wěn)定[2]。

地下工程在施工時存在較多的不確定性以及復雜性，當前在對爆破施工與既有隧道變形關系的研究多采用數(shù)值模擬計算的方法。謝曉峰[3]等人以數(shù)值模擬的方式對新建下穿隧道，在與既有隧道保持不同近距下施工時對既有隧道所產生的影響進行分析，得出既有隧道在近距不同時與鉆爆開挖間的聯(lián)系。劉敦文[4]等人采用數(shù)值模擬的方式，探討了隧道襯砌變形與不同間距鉆爆開挖的影響。于天生[5-6]等人通過有限元分析軟件模擬了隧道爆破開挖的全過程。梁志輝等人通過數(shù)值模擬的方式，分析了開挖方案不同時隧道圍巖的變形規(guī)律[7-8]。為進一步完善前人的研究，本文通過有限元模擬的方式，分析既有隧道受新建隧道爆破時的影響。

1" "工程概況

某雙洞單向雙車道隧道左右洞距離為18m，左右線凈距為13.4m。該隧道與輸水隧道有74°夾角。該隧道設計高程距離輸水隧道拱頂11.028m，與輸水隧道仰拱底的距離約為8.22m。為使輸水隧道的安全性得到有效保障，決定現(xiàn)場以機械加鉆爆開展施工。為便于后續(xù)施工，決定先開鑿臨空面，即通過爆破的方式開鑿起拱線上方導洞。在導硐完工后通過機械開挖的方法再進行圍巖的施工。隧道橫斷面如圖1所示。

2" "爆破荷載

2.1" "計算模型

計算模型中，以既有隧道縱向為橫軸，以隧道鉛垂向作為縱軸。新舊隧道空間位置呈現(xiàn)垂直。從設計資料可以知道，新建隧道斷面跨度約為15.55m， 高度為11.61m。多數(shù)情況下，施工對隧道圍巖位移所產生的影響約為3～5倍的開挖寬度，故所建立模型長度為100m、高度為 90m。輸水隧道的埋置深度約為32m，運營期間水壓約為0.4MPa，內徑為4m。

為使計算結構足夠科學，對所建模型網(wǎng)格進行細致的劃分，單元網(wǎng)格邊長約為0.5m。以現(xiàn)場測試的巖體參數(shù)進行建模，為更貼合實際，以3倍的圍巖巖體動彈模型建立模型，以1.25倍的動彈模量建立襯砌模型，具體可參見表1。

2.2" "爆破沖擊荷載

為使計算結果更加準確，必須確保爆破荷載參數(shù)合理可靠。一般情況下，可采用三角形波的方式進行爆破荷載的計算[9]。經計算可得，峰值荷載為16.54MPa。

3" "穩(wěn)定性分析

基于新建隧道與輸水隧道間8.228m的最近距離考慮，設置如表2所示的4種工況，以數(shù)值模擬的方式對輸水隧道受爆破施工所產生的影響進行分析。

3.1" "位移特征

4種工況下輸水隧道拱頂襯砌位移如圖2所示。從圖2可知，相比于工況二，工況一在左右導洞同時進行爆破的情況下有33.07MPa的爆破荷載，工況二在單洞爆破的情況下只有16.54MPa的爆破荷載。工況一和工況二條件下的位移峰值分別為4.18mm和3.19mm。相比于單洞爆破，對輸水隧道的拱頂襯砌位移而言，同時進行雙洞爆破對其有更大的影響，且輸水隧道拱頂襯砌位移與爆破荷載的數(shù)值存在較大聯(lián)系。

對比工況一和工況三可知，工況一和工況三的位移最大值分別為4.18mm和5.03mm，表明以輸水隧道正上方作為爆破點時會引發(fā)更大的拱頂襯砌位移，輸水隧道的位移與導洞設置位置有較大聯(lián)系。

4種工況有著基本一致的位移變化。工況三中有5.07mm的位移值，為最不利工況，工況一引起的最大位移值為4.18mm，工況二引起的最大位移為3.17mm，工況四則為3.46mm。

3.2" "質點振動速度

拱頂沉降以及邊墻水平變形是圍巖變形的主要參數(shù)[10]。經試驗測試，得到4種工況下輸水隧道邊墻質點振動速度如圖3所示。其中質點振動速度以橫軸和縱軸表示，單位為cm/s。

由圖3可知，工況三拱頂最大位移質點約有12.60cm/s的振動速度，為最不利工況。工況一和工況二的最大振動速度分別為6.93cm/s和3.90cm/s，雙洞同時爆破比單洞爆破有著更快的振動速度，質點振動速度受爆破荷載的影響較大。工況一和工況三分別有6.94cm/s和12.63cm/s的最大振動速度，說明在輸水隧道上方進行爆破施工，會產生更大的振動速度，輸水隧道的質點振動速度與爆破位置存在較大聯(lián)系。

質點振動速度隨時間變化如圖4所示。由圖4可知，工況三下有12.62cm/s的最大質點振動速度，工況一下的最大振動速度為6.93cm/s，工況二有3.89cm/s的最大速度，工況四有4.50cm/s的最大速度。除了工況三外，其余三種工況的振動速度均在規(guī)程所要求的10cm/s內，但出于對水壓存在會對振動速度造成影響的考慮，可針對具體施工工序進行考慮之后再開展施工，4種爆破工況所產生的影響均處于安全范圍內。

4" "隧道爆破振動控制措施

4.1" "爆破降振措施

隧道在爆破時會導致周圍結構出現(xiàn)振動，既有隧道結構的振動情況與爆破的方式和規(guī)模等均有聯(lián)系，基于爆破振動相關研究以及自身經驗，從本項目出發(fā)提出如下措施進行降振：

4.1.1" "合理選擇爆破方式

當前能夠有效減振并發(fā)揮阻隔作用的是預裂爆破。相比于光面爆破，預裂爆破在正式爆破掌子面前，需要提前爆破設計輪廓線，在輪廓線上形成貫穿巖體的裂縫，之后再進行主體的爆破。預裂爆破能夠使部分巖體獨立，并能夠在一定程度上，利用預先爆破的裂縫降低振動波的能量，以此發(fā)揮減振效果，并保護周邊巖體。故在本項目中，能夠通過預裂爆破的方式開展爆破施工，以控制爆破的影響程度。

4.1.2" "合理選擇爆破順序和參數(shù)

通過微差爆破的方式能夠減小爆破施工對既有結構產生的影響。在微差爆破施工時，微差間隔時間是其核心所在，在較大程度上影響著爆破效率。起爆順序是否合理決定了爆炸振動波是否會出現(xiàn)疊加危害，并且能夠提供給后續(xù)爆破施工更多的自由面，以此使爆破振動效果有所減弱。

爆破施工中，爆破裝藥量是否得當有著重要影響。首先是炸藥種類，炸藥不同爆破速度和能量也有所不同，以此在巖體上產生的作用也有所不同。因此應根據(jù)現(xiàn)場情況選取炸藥種類。從理論上可知，炸藥量與質點振動速度成正比例關系，因此應在確保爆破效果情況下，對單段炸藥的裝藥量進行嚴格控制。

4.1.3" "合理選擇裝藥方式

對于爆破振動效應而言，爆破自由面對其有著較好的夾制作用，能夠使爆破作用充分發(fā)揮，即炸藥用量減小時能夠使爆破振動產生的影響隨之減小。在掏槽孔中，掌子面是其唯一的自由面，有著較大的爆破夾制效果。為使爆破夾制作用有所減小，可充分利用分段裝藥等方式使自由面數(shù)量有所增加，以使爆破振動所產生的影響有所減小。

4.2" "爆破安全保證措施

4.2.1" "爆破器材管理

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》對爆破器材進行嚴格的管理。遵照相關程序進行采購，并通弄過合理合規(guī)程序進行購買。在使用前應遵守相關規(guī)定測試爆破物品質量，并進行檢查。

4.2.2" "施工質量管理

在爆破前應詳細勘察爆破點條件以及周邊構造物情況，并做出相應的評估，以提供給爆破參數(shù)一定的參考。具體施工時，應對爆破規(guī)模及裝藥量進行嚴格控制。應根據(jù)有關技術要求開展施工，以確保施工質量。正式施工前應該先開展試爆施工，在充分確定爆破參數(shù)之后再開展施工。

4.2.3" "防護工作

爆破施工時產生的能量會在瞬間出現(xiàn)飛石等，因此在施工現(xiàn)場需覆蓋上安全網(wǎng)等，并嚴格落實施工人員佩戴安全帽等措施。正確設置警戒線等，確保安全警戒工作落實到位，嚴格控制警戒半徑在300m以上。

4.2.4" "人員管理

作為有著極強專業(yè)性的工作，爆破施工需由具備專業(yè)認證的人員負責，并需要強化對現(xiàn)場施工人員的培訓學習工作，確保安全培訓到位，作業(yè)人員均能進行規(guī)范性操作，保障所有施工現(xiàn)場人員的安全。

5" "結語

本文以某隧道為研究背景，以隧道拱頂位移以及質點振動速度為角度，通過數(shù)值模擬的方式分析隧道爆破開挖過程對輸水隧道所產生的影響。通過分析，得出以下結論：

雙洞同時進行爆破施工對輸水隧道拱頂位移有更大的影響，輸水隧道位移及質點振動速度與爆破荷載的最大值的聯(lián)系較大。通過爆破輸水隧道的正上方開展施工時，會導致拱頂襯砌出現(xiàn)過大的位移，且導洞的爆破位置也會影響到輸水隧道的位移和振動速度。

輸水隧道在工況三下存在最大的拱頂位移和質點振動速度，為最不利工況，因此建議不要以同時爆破雙導洞的方式進行施工，可采用工況四作為質點振動速度的控制值。

參考文獻

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