公路隧道爆破施工對(duì)鄰近營運(yùn)高速公路隧道及橋梁安全的影響

黃健輝

(廣州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,廣州 511431)

0 引言

隨著高速公路建設(shè)快速發(fā)展，城市化不斷推進(jìn)，為節(jié)約土地資源，許多地區(qū)的高速公路變得越來越密集，在新建高速公路隧道時(shí)經(jīng)常存在上跨、下穿、平行或臨近既有高速公路的情況[1-5]。隧道施工通常采用爆破開挖的方式，爆破會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、飛石和沖擊波等危害作用，這無疑對(duì)既有高速公路運(yùn)營安全形成很大的安全隱患[6-9]。因此，在施工過程中采取有效措施，以確保既有高速公路運(yùn)營安全，尤為重要。

本文以某高速公路石牯嶺2號(hào)隧道工程實(shí)例為背景，分析爆破產(chǎn)生的振動(dòng)、飛石和沖擊波對(duì)既有高速公路運(yùn)營安全的影響，并提出切實(shí)可行的防控措施。

1 工程概況

某高速公路石牯嶺2號(hào)隧道工程為雙向四車道小凈距分離式隧道，左線隧道全長637m，右線隧道全長657m。進(jìn)口端洞門采用端墻式，出口端洞門采用明洞式。隧道進(jìn)口較遠(yuǎn)位置里程樁號(hào)K37+400處發(fā)現(xiàn)有一條F4斷裂，斷裂呈西北走向，屬壓扭性斷層，走向NW307°，傾向南西，傾角52°。構(gòu)造巖以硅化巖為主，其次是破碎硅化巖和硅化角礫巖，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度整體較弱，構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好，圍巖級(jí)別主要為Ш、Ⅳ級(jí)。石牯嶺2號(hào)隧道右線隧道進(jìn)洞口與原鳳凰山隧道右幅洞口之間的水平凈距為40m，與黃陂村特大橋邊線之間的凈距為39m，位置平面如圖1所示。

圖1 隧道位置平面

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 控制振動(dòng)速度的選取

根據(jù)本工程所處的地理位置，需對(duì)不同距離內(nèi)的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行驗(yàn)算，以確定同段起爆最大裝藥量。按《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[10]規(guī)定，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物所能承受的最大允許安全振動(dòng)速度為2～3cm/s，工業(yè)和商用建筑物所能承受的最大允許安全振動(dòng)速度為2.5～5.0cm/s。為了確保爆破振動(dòng)不影響結(jié)構(gòu)安全，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，擬選取略低于一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物所能承受的最大允許安全振動(dòng)速度進(jìn)行控制，故本工程選取控制振動(dòng)速度為1.8cm/s進(jìn)行安全校核(表1)。

表1 爆破振動(dòng)速度校核(Vmax=1.8cm/s)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6277-2014),Qmax=R3(V/K)3/α，式中：Q—最大一段的裝藥量(kg);R—距爆源中心的距離(m)；K—與介質(zhì)特性、爆破方式及其它因素有關(guān)的系數(shù),取150；V—爆破地震安全速度，1.8cm/s；α—地震衰減指數(shù),取1.5。

2.2 爆破方案設(shè)計(jì)

爆破方案設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定爆破規(guī)模，選定合適的參數(shù)。爆破的效果和質(zhì)量很大程度上取決于鉆眼爆破參數(shù)的選擇，主要有：炸藥單耗、炮眼深度、炮眼直徑、裝藥直徑、炮眼數(shù)目等。合理地選擇爆破參數(shù)，不僅要考慮掘進(jìn)的條件(巖石地質(zhì)和斷面條件等)，而且還要考慮這些參數(shù)的相互關(guān)系及對(duì)爆破效果和質(zhì)量的影響(如炮眼利用率、巖石破碎塊度等)。臨近既有高速公路附近的隧道爆破采用上下臺(tái)階法開挖，每循環(huán)進(jìn)尺為1.5m，掘進(jìn)炮孔深度宜增加0.1～0.2m。掏槽孔布置與炮孔布置如圖2～圖3所示，爆破參數(shù)見表2。

圖2 上下臺(tái)階法掏槽孔布置

圖3 上下臺(tái)階法炮孔布置

表2 上下臺(tái)階法爆破參數(shù)

3 爆破振動(dòng)的影響分析

3.1 振動(dòng)范圍的確定

通過MIDAS/GTS軟件將隧道和圍巖體系按三維有限元分析，采用空間六面體單元來劃分模型單元。根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，隧道采用上下臺(tái)階法開挖，掌子面距離既有鳳凰山隧道最短距離為100m，如圖4所示，在此開挖面的上臺(tái)階鉆孔施爆，爆破單位藥量約為1.12kg/m3，炮眼孔徑40～42mm，總藥量267kg。模型中采用單位藥量2kg/m3進(jìn)行爆破模擬，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)以及樁基尺寸，取長245m、寬430m、總厚度239m的土體作為分析范圍，如圖5所示。計(jì)算模型中土體采用實(shí)體單元，土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，土層、隧道襯砌、橋梁承臺(tái)、橋墩均采用實(shí)體單元，橋面采用板單元，樁基采用梁單元模擬。邊界條件除頂面取為自由邊界外，其它面均取為粘性界面。

圖4 爆破位置

圖5 分析范圍

3.2 爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響

隧道襯砌和圍巖的安全與否不僅取決于隧道結(jié)構(gòu)的抗振能力，而且與沖擊波強(qiáng)度有關(guān)。通過建立三維地層—結(jié)構(gòu)模型，模擬新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響并進(jìn)行分析。

3.2.1 位移

爆破對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生的位移影響如圖6所示。

圖6 爆破對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生的位移影響(單位：mm)

模擬結(jié)果顯示，爆破使得隧道襯砌產(chǎn)生最大的位移為0.004 5mm，位移的變化幅度不影響結(jié)構(gòu)的安全。

3.2.2 振動(dòng)

爆破對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生的振動(dòng)速度如圖7所示。

圖7 爆破對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生的振動(dòng)速度(單位：cm/s)

爆破導(dǎo)致隧道產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生的振動(dòng)速度為0.132cm/s，振動(dòng)速度小于1.8cm/s。經(jīng)分析，該隧道進(jìn)行爆破施工時(shí)，隧道爆破施工不影響既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

3.3 爆破振動(dòng)對(duì)既有橋梁的影響

通過建立三維地層—結(jié)構(gòu)模型，模擬新建隧道爆破施工對(duì)既有高架橋梁的影響并進(jìn)行分析。

3.3.1 位移

爆破對(duì)橋梁產(chǎn)生的位移影響如圖8所示。

圖8 爆破對(duì)橋梁產(chǎn)生的位移影響(單位：mm)

模擬結(jié)果顯示，爆破使得高速公路橋梁產(chǎn)生最大位移為0.005 59mm，位移的變化幅度不影響結(jié)構(gòu)的安全。

3.3.2 振動(dòng)

爆破對(duì)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)速度如圖9所示。

圖9 爆破對(duì)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)速度(單位：cm/s)

爆破導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)速度為0.163cm/s，振動(dòng)速度小于1.8cm/s。經(jīng)分析，該隧道進(jìn)行爆破施工作業(yè)時(shí)，不影響既有高速公路橋梁的結(jié)構(gòu)安全，施工后能保證臨近既有橋梁正常使用。

4 爆破飛石和沖擊波的影響分析

4.1 飛石和沖擊波的防護(hù)

在隧道洞口前設(shè)置洞口爆破防護(hù)臺(tái)車[11-13]。臺(tái)車橡膠防護(hù)毯與主梁配合斜撐，可對(duì)洞門進(jìn)行全覆蓋。橡膠防護(hù)毯作為防護(hù)排柵能有效抗擊洞內(nèi)爆破產(chǎn)生的飛石和沖擊波，防護(hù)毯磨損后可及時(shí)更換，放炮時(shí)可移到洞口，不放炮時(shí)可在洞口附近存放，靈活移動(dòng)，操作方便,如圖10所示。

圖10 洞口爆破防護(hù)臺(tái)車

4.2 飛石和沖擊波安全驗(yàn)算

4.2.1 飛石對(duì)防護(hù)臺(tái)車的沖擊

式中：Q—裝藥量(kg)；W—最小抵抗線(m)。根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，裝藥量取86.4kg，最小抵抗線取1.5m。則：

根據(jù)動(dòng)能公式：mv=Fs；飛石重量m取10kg，速度v取173.7m/s；反彈時(shí)間s取0.1s?？紤]最不利荷載，飛石以同樣的速度反彈，則：

鋼板的抗沖擊力：

P=fSt

式中：P—沖孔沖裁力(N)；S—落料周長(mm)；t—材料的厚度(mm)；f—材料抗拉強(qiáng)度(N/mm2)。飛石與鋼板接觸面周長S取50mm×50mm，沖擊力P取34.74kN，鋼板厚度t取8mm，則：

經(jīng)驗(yàn)算，可知防護(hù)臺(tái)車滿足抗飛石沖擊的要求。

4.2.2 爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓值

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)規(guī)定，爆破時(shí)空氣沖擊波超壓值按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：ΔP—空氣沖擊波超壓值，取105Pa；Q—一次爆破梯恩梯炸藥當(dāng)量，秒延時(shí)爆破為最大一段藥量，毫秒延時(shí)爆破為總藥量(kg)；R—爆源至保護(hù)對(duì)象的距離(m)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中圍巖分級(jí)長度，主要考慮Ш級(jí)圍巖爆破時(shí)對(duì)洞口前既有高速公路的防護(hù)，Ш級(jí)圍巖爆破時(shí)距離洞口最近約100m。Ш級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法爆破開挖，一次爆破總的裝藥量為267kg。爆破時(shí)的沖擊波：

防護(hù)臺(tái)車主要為防止飛石、沖擊波對(duì)人員及既有高速公路的影響，臺(tái)車桿件結(jié)構(gòu)發(fā)生變形不影響使用，故只對(duì)臺(tái)車的整體傾覆進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算模型如圖11所示。

圖11 臺(tái)車抗傾覆計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算模型，斜撐受力：

F×450×sin45°+G×500/2=P×361

式中：G—防護(hù)臺(tái)車自重，結(jié)構(gòu)自重為19.7t；P—空氣沖擊波作用合力,P=9.2×102.5=943kN；F—斜撐受力。

代入后計(jì)算得到斜撐受力F=1 054kN，斜撐由兩根I18工字鋼受力，則單根工字鋼受力：F1=1 054/2=527kN。

故斜撐受力穩(wěn)定性計(jì)算：

式中：φ—壓桿穩(wěn)定系數(shù)，取0.95；A—I18工字鋼截面面積，取3 060mm2。故：

經(jīng)驗(yàn)算，可知防護(hù)臺(tái)車滿足抗沖擊波沖擊的要求。

5 工程應(yīng)用效果

5.1 隧道爆破

為檢驗(yàn)石牯嶺2號(hào)隧道爆破施工對(duì)既有鳳凰山隧道及橋梁的影響，在既有鳳凰山隧道洞口及橋梁墩底處距施工區(qū)域較近的位置安裝網(wǎng)絡(luò)測振儀,對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，并對(duì)隧道外觀進(jìn)行檢測。爆破時(shí)的監(jiān)測結(jié)果顯示：鳳凰山隧道出口右洞右邊墻底部最大振動(dòng)速度為0.189cm/s，如圖12所示；黃陂村特大橋右幅1號(hào)墩底部最大振動(dòng)速度為0.210/s，如圖13所示。

圖12 鳳凰山隧道出洞口最大波速時(shí)域

圖13 黃陂村特大橋右幅1號(hào)墩底部最大波速時(shí)域

工程實(shí)踐表明，實(shí)測最大振動(dòng)速度與模型計(jì)算的振動(dòng)速度基本一致。同時(shí)，對(duì)隧道外觀進(jìn)行檢測后，未見隧道內(nèi)存在明顯的襯砌、防火涂料、瓷磚、燈具等脫落現(xiàn)象(圖14)。

圖14 出洞口襯砌及瓷磚未見脫落

5.2 飛石防護(hù)

在石牯嶺2號(hào)隧道爆破施工時(shí)，采用隧道爆破洞口防護(hù)臺(tái)車，臺(tái)車寬5.0m，內(nèi)外設(shè)置兩道鋼板，靠近隧道洞口內(nèi)側(cè)的鋼板厚度為8mm，外側(cè)鋼板采用5mm，內(nèi)側(cè)鋼板掛設(shè)橡膠防護(hù)毯，防護(hù)毯與兩側(cè)鋼板截面積為102.5m2，可對(duì)洞門進(jìn)行全覆蓋。隧道爆破后經(jīng)現(xiàn)場勘查，在爆區(qū)外未發(fā)現(xiàn)任何飛石，臺(tái)車穩(wěn)定，無位移，內(nèi)外側(cè)鋼板及支撐梁均無變形、橡膠防護(hù)毯完好無損，防護(hù)效果良好(圖15)。

圖15 爆破飛石防護(hù)

6 結(jié)語

(1)結(jié)合工程實(shí)際，將既有高速公路附近的隧道爆破振動(dòng)速度取值為1.8cm/s，并以此為基礎(chǔ)，確定不同距離的同段起爆最大裝藥量，從而有效指導(dǎo)爆破方案設(shè)計(jì)。

(2)為減少爆破振動(dòng)的影響，爆破方案設(shè)計(jì)采取了短進(jìn)尺、增加雷管段數(shù)、減少單段最大裝藥量等措施。經(jīng)采用有限元分析及結(jié)合現(xiàn)場觀測，爆破振動(dòng)未對(duì)既有高速公路的隧道及橋梁結(jié)構(gòu)安全造成影響。

(3)隧道爆破時(shí)，在隧道洞口前設(shè)置爆破防護(hù)臺(tái)車，可有效阻止飛石和沖擊波對(duì)人員及臨近結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合現(xiàn)場使用情況的觀測，防護(hù)效果良好，產(chǎn)生的飛石及沖擊波未對(duì)既有高速公路運(yùn)營安全造成影響。