新建隧道爆破施工對(duì)臨近既有隧道的穩(wěn)定性影響分析

李 廣 偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 總包事業(yè)部，天津 300308)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道建設(shè)也日益增多，新建隧道無法避免地與既有隧道發(fā)生近距離交叉和并行的現(xiàn)象[1-3]。本研究基于新建陽明山隧道，該新建隧道鄰近既有贛瑞龍鐵路陽明山隧道，新建隧道與既有隧道的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 新建陽明山隧道與贛瑞龍鐵路陽明山隧道位置

張如[4]和劉明高[5]對(duì)隧道爆破振動(dòng)與斷層破碎帶的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了保證既有建筑物安全和新建隧道的工程效率，是隧道爆破施工中的主要矛盾之一。梁榮柱等[6]和李磊[7]提出了新建隧道近距離上穿施工會(huì)改變地層既有平衡應(yīng)力場(chǎng)，引起地層應(yīng)力釋放，導(dǎo)致下臥隧道產(chǎn)生縱向隆起變形。白海衛(wèi)等[8-9]推導(dǎo)出了既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影響而產(chǎn)生的縱向沉降曲線表達(dá)式。李凱梁[10]、方輝成[11]、胥俊瑋[12]和汪洋等[13]采用三維有限差分法構(gòu)建了新建隧道正交下穿既有隧道的三維數(shù)值模型。黃德中等[14]和張瓊方[15]探討了新建隧道正交下穿施工對(duì)地表沉降及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，得出了地表橫向、縱向沉降規(guī)律以及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的變化規(guī)律，但缺少對(duì)并行工況的分析。費(fèi)鴻祿等[16]和趙豐等[17]對(duì)隧道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，但缺少現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)佐證模擬結(jié)果。柏謙等[18]和盧欽武等[19]依托南嶺隧道改擴(kuò)建工程，將數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了擴(kuò)建隧道圍巖破壞的滑裂面位置的確定方法，但研究對(duì)象較為單一。

在隧道工程中，平行近接、交叉是當(dāng)下亟待解決的一類問題。魯嘯龍等[20]和張麗娟[21]以既有分離式隧道為研究對(duì)象，采用了全過程施工模擬的方式，在靜力和動(dòng)力兩方面對(duì)既有隧道受到的影響進(jìn)行了研究。新建復(fù)線隧道與既有隧道的凈間距一般都較小，近距離爆破會(huì)對(duì)既有隧道襯砌安全性產(chǎn)生很大的影響，需采用相應(yīng)的措施來減小爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道襯砌的擾動(dòng)[22-29]，針對(duì)新建隧道上跨既有隧道的特殊工況，求得了最大主應(yīng)力所在的位置和振動(dòng)波形。邵東輝等[30]和李鈺璽[31]將實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的振動(dòng)波形進(jìn)行了對(duì)比，并分析振動(dòng)峰值和頻率特征。王睿等[32]、張永杰[33]、石偉民等[34]和袁良遠(yuǎn)等[35]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵質(zhì)點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度，研究了爆破振動(dòng)對(duì)臨近既有隧道的影響范圍，但僅使用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。

由此可見，目前針對(duì)此類問題的研究方法主要為數(shù)值模擬，且研究對(duì)象較為單一，主要為隧道上跨工況?；贏NSYS/LS-DYNA有限元的動(dòng)力學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)爆破施工時(shí)上跨和并行兩種工況下既有隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。通過薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式精確控制爆炸當(dāng)量，采用孔內(nèi)微差法布設(shè)起爆點(diǎn)位和光面爆破法，對(duì)新建隧道爆破施工對(duì)臨近既有隧道的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1 爆破施工

該工程采用光面爆破法[36]，圖2給出了孔內(nèi)微差起爆點(diǎn)位的網(wǎng)絡(luò)示意圖，該方法不但控制同段起爆的最大藥量，還能有效地控制每段雷管的起爆時(shí)間，使得爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波不被疊加。

圖2 孔內(nèi)微差起爆點(diǎn)位網(wǎng)絡(luò)圖

炸藥消耗量與斷面大小、巖石硬度和完整性、孔深以及炸藥性能等因素有關(guān)[36]。由薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[37]可得最大裝藥量所對(duì)應(yīng)的最大安全允許速度：

(1)

式中：R為爆破地點(diǎn)至被保護(hù)對(duì)象的距離,m；Q為炸藥量,kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至被保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，該段為軟巖石K取300，α取1.8。

1.2 監(jiān)測(cè)分析

當(dāng)左、右線新建隧道距離既有隧道大于60 m時(shí)采用控制爆破施工，隧道在交叉地段附近采用天窗點(diǎn)控制爆破施工。由圖3—圖7所示的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：通過薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式精確控制爆炸當(dāng)量，采用孔內(nèi)微差法布設(shè)起爆點(diǎn)位后使用光面爆破法起爆，新建隧道的爆破施工對(duì)既有隧道穩(wěn)定性的影響在可控范圍內(nèi)。

圖3—圖5分別給出了在新建隧道在爆破施工影響下，既有隧道的爆破振速監(jiān)測(cè)結(jié)果，依據(jù)規(guī)范要求[38]可知隧道天窗點(diǎn)內(nèi)施工振速小于2.0 cm/s，新建隧道天窗外與臨近爆破施工時(shí)既有隧道的爆破振速小于2.0 cm/s，因此既有隧道的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所受到的爆破振速均在《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[38](TB 10121—2007)所給定的安全范圍之內(nèi)。

圖3 左線爆破振速監(jiān)測(cè)

圖4 右線爆破振速監(jiān)測(cè)

圖5 右線上跨爆破振速監(jiān)測(cè)

圖6給出了新建隧道的臨近爆破施工使得既有隧道的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生沉降和收斂的監(jiān)測(cè)結(jié)果，依據(jù)規(guī)范要求[38]可知，隧道邊墻位移和沉降需控制在-3 mm～+2 mm范圍內(nèi)，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出，既有隧道的結(jié)構(gòu)收斂和沉降值為-1.5 mm～1.1 mm均小于規(guī)范所給定的安全值。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)

圖7給出了新建隧道的爆破施工時(shí)既有隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，應(yīng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要采用應(yīng)力增量法進(jìn)行判定，依據(jù)規(guī)范要求[38]可知拉應(yīng)力的增加值小于0.3 MPa，壓應(yīng)力增加值小于1.0 MPa，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知既有隧道的進(jìn)口和上跨表面拉應(yīng)力的增加值小于0.1 MPa，表面壓應(yīng)力增加值小于0.15 MPa，均在規(guī)范所給定的安全范圍之內(nèi)。

2 數(shù)值模擬

使用ANSYS/LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析軟件，采取LANGUAGE建立巖體模型，在重力環(huán)境下對(duì)新建隧道的爆破位置施加爆破荷載。該計(jì)算模型主要由圍巖、炸藥以及襯砌組成，圍巖使用的是HJC本構(gòu)模型，屈服函數(shù)為:

(2)

圖7 襯砌表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)

爆炸過程的時(shí)間非常短，假設(shè)其是一個(gè)絕熱過程，采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程來計(jì)算炸藥時(shí)壓力-體積之間關(guān)系，Ldgun等[39]給出了在爆炸過程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化情況的表達(dá)式:

(3)

式中：V為相對(duì)比容；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；E0為初始內(nèi)能密度。

2.1 并行隧道爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

圖8給出了基于新建陽明山隧道左線與既有陽明山隧道的高程所建立的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，隧道左線隧道在最近點(diǎn)30 m處與既有隧道并行，模型尺寸為120 m×20 m×39.2 m。

圖8 新建陽明山隧道左線計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算爆破沖擊荷載的峰值為3.2×107Pa，加載時(shí)間為0.5 ms，衰減時(shí)間為5.0 ms，圖9給出了新建隧道沖擊荷載分布示意圖。

圖9 新建隧道洞壁沖擊荷載示意圖

模型中材料分組包括混凝土及圍巖，均采用HJC本構(gòu)模型，模型參數(shù)取值見表1和表2。

表1 巖石HJC材料模型參數(shù)表

表2 混凝土HJC材料模型參數(shù)表

在計(jì)算中考慮重力作用在爆破施工振動(dòng)響應(yīng)方面的影響，在0.0 s～0.5 s內(nèi)不施加沖擊荷載，在0.5 s時(shí)刻開始施加對(duì)新建隧道壁的沖擊荷載，山體在0.215 s時(shí)刻自身壓力達(dá)到應(yīng)力平衡。圖10給出了既有隧道平衡后的應(yīng)力云圖，隧道兩側(cè)所受到的應(yīng)力為4.0×105Pa，頂部所受到的應(yīng)力為-7.7×104Pa，呈現(xiàn)出了應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

圖10 新建隧道左線爆破前既有隧道應(yīng)力云圖

施加沖擊荷載后，圖11給出了爆破后不同時(shí)間下既有隧道在新建隧道爆破施工時(shí)的振動(dòng)速度云圖。從圖中可以看出，既有隧道左側(cè)襯砌所受到的振動(dòng)速度在0.32 ms～0.33 ms逐漸增大而后在0.33 ms～0.35 ms逐漸減小，既有隧道的右側(cè)襯砌在新建隧道爆破施工過程中的振動(dòng)速度變化不大。由于既有隧道左側(cè)襯砌距離新建隧道爆破點(diǎn)位更近，因此所受到的爆破施工的影響更大，既而巖體傳遞過來的振動(dòng)速度左側(cè)的振動(dòng)速度相較于右側(cè)襯砌的更大。

對(duì)于新建左線與既有隧道并行的計(jì)算模型，取既有隧道上單元號(hào)為56#、60#兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線進(jìn)行分析，圖12給出了節(jié)點(diǎn)所在位置。由圖13可知既有隧道混凝土襯砌的最大振動(dòng)速度為1.38 cm/s，小于公式(1)所得的計(jì)算值1.73 cm/s，由圖4可知監(jiān)測(cè)值小于0.9 cm/s，因此模擬值相比于計(jì)算值更接近于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。

2.2 上跨段隧道爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

圖14給出了新建隧道右線上跨既有隧道的計(jì)算模型，上跨隧道距既有隧道31.88 m，右線模型尺寸為50.0 m×30.0 m×64.1 m。模型中混凝土及圍巖采用HJC本構(gòu)模型，模型參數(shù)取值見表1和表2。

數(shù)值模擬在計(jì)算環(huán)境中考慮了重力作用在爆炸振動(dòng)響應(yīng)方面的影響，在計(jì)算0.0 s～0.5 s時(shí)間內(nèi)不施加沖擊荷載，在0.5 s時(shí)刻開始施加新建隧道壁的沖擊荷載，經(jīng)過數(shù)值模型計(jì)算可知，山體在0.215 s時(shí)刻，自身壓力已經(jīng)達(dá)到平衡，圖15給出了既有隧道平衡后的壓力云圖，隧道兩側(cè)所受到的應(yīng)力為7.0×105Pa，頂部所受到的應(yīng)力為-2.0×105Pa，既有隧道出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

圖11 新建陽明山隧道左線爆破時(shí)既有隧道振動(dòng)速度

圖12 56#、60#節(jié)點(diǎn)所在位置

圖13 56#、60#節(jié)點(diǎn)合速度

在施加沖擊荷載后，圖16給出了爆破后不同時(shí)間下既有隧道振動(dòng)速度云圖。從圖中可以看出，由于既有隧道上部襯砌結(jié)構(gòu)距離上跨隧道較近，因此在0.310 ms～0.315 ms既有隧道上部襯砌所受到的振動(dòng)速度較大，振動(dòng)速度在0.315 ms～0.320 ms擴(kuò)散到整個(gè)隧道，而后在0.320 ms～0.325 ms既有隧道的振動(dòng)速度逐漸減小。由于既有隧道上部側(cè)襯砌距離新建隧道爆破點(diǎn)位更近，上部的振動(dòng)速度更大。

圖14 新建陽明山隧道右線隧道計(jì)算模型

圖15 上跨隧道爆破前既有陽明山隧道

圖16 新建陽明山隧道右線爆破既有隧道振動(dòng)速度

對(duì)于新建右線與既有隧道上跨的計(jì)算模型，取既有隧道上單元號(hào)為83468#、83465#兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)的位置見圖17。圖18給出了既有隧道混凝土襯砌的振動(dòng)速度變化過程線，由圖得襯砌的最大振動(dòng)速度為1.20 cm/s，該值大于公式(1)計(jì)算所得的1.1 cm/s振動(dòng)速度，但與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)速度值1.2 cm/s(見圖5)基本一致。

圖17 83468#、83465#節(jié)點(diǎn)所在位置

圖18 83468#、83465#節(jié)點(diǎn)合速度

3 結(jié) 論

針對(duì)立體交叉和并行隧道爆破施工對(duì)既有隧道的安全性影響的問題，通過精確控制爆炸當(dāng)量及采用合理的爆破點(diǎn)位布設(shè)和起爆方法后對(duì)既有隧道的振動(dòng)速度、位移、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并采用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值方法對(duì)新建隧道上跨與并行于既有隧道的兩種工況進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，并得到以下結(jié)論:

(1) 新建隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道影響的模擬結(jié)果相較于理論計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。

(2) 有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，可以較好的模擬出隧道爆破施工時(shí)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，且具有極高的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。該模型可以對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行合理的修正。

(3) 當(dāng)兩相鄰隧道之間沒有防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，使用孔內(nèi)微差起爆法，可以有效地降低爆破施工對(duì)既有隧道的不良影響。

(4) 當(dāng)兩個(gè)相鄰隧道之間在沒有防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，使用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式精確控制爆破當(dāng)量，可以有效地降低爆破施工對(duì)既有隧道的影響。