水下炸礁對(duì)過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)的安全控制研究

王志勇、薛護(hù)國(guó)

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121）

0 引言

在國(guó)內(nèi)，水下炸礁臨近地面建構(gòu)筑物（碼頭、橋梁等）較為常見(jiàn)，地下隧道工程，特別是對(duì)振動(dòng)、變形要求極為嚴(yán)格的軌道交通隧道工程等尚屬罕見(jiàn)。重慶軌道交通27 號(hào)線下穿長(zhǎng)江，工程建成運(yùn)營(yíng)后，根據(jù)長(zhǎng)江航道通航規(guī)劃，需在隧道上方開(kāi)展航道提升整治工程，勢(shì)必會(huì)對(duì)隧道工程產(chǎn)生影響。水作為不可壓縮介質(zhì)，水下爆破產(chǎn)生的沖擊波及振動(dòng)對(duì)臨近既有建構(gòu)筑物的影響不可忽視。對(duì)于水下炸礁研究方法，李春軍研究爆破參數(shù)的選取及相互影響，構(gòu)建水下爆破優(yōu)化數(shù)值模型，在既往航道整治中進(jìn)行了成功應(yīng)用。針對(duì)水下爆破荷載傳遞規(guī)律及響應(yīng)，韋灼彬采用數(shù)值模式對(duì)水下爆破引起荷載的沖擊特征、水下爆破沖擊波的氣泡膨脹規(guī)律以及作用影響傳遞特性進(jìn)行了分析。

根據(jù)隧道河段航道條件、灘險(xiǎn)情況，結(jié)合航道規(guī)劃、船型發(fā)展、規(guī)劃航道整治方案，制定炸礁區(qū)平面位置及炸礁深度。按隧道軌道交通控制保護(hù)區(qū)域，計(jì)算分析炸礁方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響值，研究礁石爆破位置對(duì)隧道的振動(dòng)影響。并對(duì)控制爆破措施進(jìn)行敏感性分析，確定適宜性措施，對(duì)最危險(xiǎn)的炸礁方案進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)算分析，驗(yàn)證控制爆破的減振效果。

1 工程概況

該過(guò)江隧道位于長(zhǎng)江上游重慶段，三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)，重慶南岸與渝中區(qū)長(zhǎng)江上游航道約663km處。根據(jù)相關(guān)資料，目前龍磧子最低通航水位為161.40m，炸礁最大底標(biāo)高157.30m，已完成炸礁在通航水位以下4.1m。

根據(jù)長(zhǎng)江航道遠(yuǎn)景規(guī)劃相關(guān)材料，航深×航寬×彎曲半徑按6.2m×150m×1000m 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)留，對(duì)應(yīng)該處炸礁深度為2.9m，即按目前已實(shí)施情況推算，對(duì)應(yīng)整治后底標(biāo)高為154.40m。（炸礁區(qū)與軌道交通過(guò)江隧道平面關(guān)系圖見(jiàn)圖1。炸礁深度與過(guò)江隧道剖面關(guān)系圖見(jiàn)圖2。）

圖1 炸礁區(qū)與軌道交通過(guò)江隧道平面關(guān)系圖

圖2 炸礁深度與過(guò)江隧道剖面關(guān)系圖

重慶段長(zhǎng)江航道江底均為砂巖、砂泥巖互層，巖石較為堅(jiān)硬。在炸礁實(shí)施中，爆破產(chǎn)生的大量能量，在密閉空間中會(huì)以應(yīng)力波和爆生氣體共同作用，從而實(shí)現(xiàn)破碎巖石，然后再利用船只等對(duì)航道進(jìn)行疏浚整治，直至達(dá)到通航要求的標(biāo)高。而軌道交通過(guò)江隧道位于河床巖層以下，水下炸礁產(chǎn)生的爆破沖擊荷載、振動(dòng)等，勢(shì)必會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)一定影響，其振動(dòng)作用原理如圖3。

圖3 炸礁爆破對(duì)隧道振動(dòng)影響示意圖

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與選取

炮眼鉆孔直徑D：水下鉆孔直徑D=100mm。

最小抵抗線W：（20～30）D，按2.0m 計(jì)算。

炮眼鉆孔超深h：根據(jù)相關(guān)規(guī)范，水下鉆孔超深一般取1.5m，同時(shí)在實(shí)施中可根據(jù)試爆效果進(jìn)行一定調(diào)整，并滿足規(guī)范規(guī)定。

鉆孔深度H：鉆孔深度由炸礁深度和鉆孔超深確定，根據(jù)炸礁深度2.9m，鉆孔深度H 為4.4m。

堵塞長(zhǎng)度h：裝藥完畢后需采用碎石、細(xì)砂等進(jìn)行封堵，封堵長(zhǎng)度需確保炸藥不上浮，h=1.5m。

孔距a 和排距b：結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)選取孔距和排距，取炮孔排間距a×b=2.0m×1.5m。

單孔裝藥量Q：根據(jù)巖石硬度、孔排距等因素，在實(shí)際施工中，炸藥單耗取為q=1.72kg/m。鉆孔深度為4.4m，因此單個(gè)炮孔裝藥量設(shè)計(jì)計(jì)算如下：Q=q×a×b×（H-h）=14.96kg （1）

3 水下炸礁對(duì)過(guò)江隧道影響分析

3.1 模型建立及計(jì)算方案

過(guò)江隧道采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為圓形預(yù)制鋼筋混凝土管片。具體計(jì)算模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 過(guò)江隧道模型參數(shù)表

以左右隧道中心線為基準(zhǔn)，按5 個(gè)起爆位置，開(kāi)展數(shù)值計(jì)算。模型的主要尺寸如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型尺寸圖

3.2 隧道最大振速驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取各方案隧道2D 單元的振速結(jié)果，給出各方向上隧道的最大振速云圖（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 最大振動(dòng)速度分布云圖

圖6 最大振動(dòng)速度分布云圖

由圖7可見(jiàn)，以上各方向的振速隨著距隧道中心線距離的增加先增大再變化為減小。經(jīng)梳理，距下方隧道中線10m 處振速最大，因此，爆破位置10m 處為最不利爆破位置。

圖7 最大振速與炸礁位置的關(guān)系曲線

3.3 對(duì)隧道最大振速安全性分析

重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ50/T-271—2017）中3.1.16 節(jié)指出：傳遞至軌道交通結(jié)構(gòu)及設(shè)施上的振動(dòng)速度不應(yīng)大于1.5cm/s。

在水下炸礁作用下，對(duì)隧道Z 方向產(chǎn)生的振速作用超過(guò)1.5cm/s，炸礁危險(xiǎn)區(qū)分布在距左右隧道中線水平距離0～27.5m 范圍（見(jiàn)圖8）。不考慮水下隧道的存在，水下炸礁按常規(guī)航道整治工程開(kāi)展時(shí)，隧道處承受的最大振速不滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全控制要求，須采用控制爆破措施，降低爆破振速，確保隧道結(jié)構(gòu)及使用安全。

圖8 炸礁危險(xiǎn)區(qū)域范圍劃分示意圖

4 控制爆破方案及減振效果分析

孔內(nèi)延時(shí)控制爆破措施常用于距離被保護(hù)對(duì)象較近的區(qū)域，由于重慶27 號(hào)線過(guò)江隧道的安全等級(jí)較高，如何將隧道的振動(dòng)速度降低至盡可能小，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。為減小水下炸礁對(duì)隧道產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，采用孔內(nèi)延時(shí)控制爆破措施，在逐孔起爆的基礎(chǔ)上，將每個(gè)炮孔分2 次起爆，孔內(nèi)分2 段裝藥，孔內(nèi)延時(shí)25ms，孔間延時(shí)25ms。

通過(guò)計(jì)算，給出其最大Z 向振速云圖（見(jiàn)圖9）。

圖9 孔內(nèi)延時(shí)，爆破延時(shí)25ms 最大應(yīng)力云圖

考慮孔內(nèi)延時(shí)方式進(jìn)一步提高了減振效果，相對(duì)于逐孔起爆方式而言，其最大Z 向振速?gòu)?.41 cm/s衰減至0.24cm/s，減振幅度為93%。因此，在施工條件允許的情況下，考慮孔內(nèi)延時(shí)控制爆破措施可以進(jìn)一步減小隧道的振動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減振效果的最大化。

5 結(jié)語(yǔ)

炸礁水深2.9m，炮孔深度4.4m 為控制工況，在水下炸礁作用下，對(duì)隧道Z 方向產(chǎn)生的振速作用超過(guò)1.5cm/s，炸礁危險(xiǎn)區(qū)分布在距左右隧道中線水平距離0～27.5m 范圍。不考慮水下隧道的存在，水下炸礁按常規(guī)航道整治工程開(kāi)展時(shí)，隧道處承受的最大振速不滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全控制要求，須采用控制爆破措施，降低爆破振速，確保隧道結(jié)構(gòu)及使用安全。

采用逐段延時(shí)爆破具有良好的減振效果?？紤]孔內(nèi)延時(shí)方式可以進(jìn)一步提高減振效果。