杭溫高鐵梧塢超大斷面隧道上穿高速公路隧道爆破施工影響分區(qū)

林豪 郭洪雨 王洪存 孫飛 蘭慶男 王澤樑 張志強(qiáng)

1.浙江交投高速公路建設(shè)管理有限公司， 浙江 金華 321000； 2.浙江義東高速公路有限公司， 浙江 東陽 322100；3.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310030； 4.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031

在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，公路、鐵路隧道的設(shè)計越來越趨向于大斷面甚至超大斷面，同時受土地集約化、地下空間、地形地貌等諸多因素限制，不可避免出現(xiàn)公路、鐵路隧道近接交叉爆破施工的情況。新建隧道爆破施工過程中，極易引起鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、掉塊等病害，而在超大斷面隧道相互近接工程中，這種相互影響更加嚴(yán)重。

眾多學(xué)者對近接交叉隧道施工影響分區(qū)問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［1］在總結(jié)大量國內(nèi)外近接施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了近接施工影響分區(qū)指標(biāo)、分區(qū)方法。文獻(xiàn)［2］采用工程類比和數(shù)值模擬方法，結(jié)合幾何近接度、交叉角度等指標(biāo)劃分近接隧道爆破振動施工影響區(qū)。文獻(xiàn)［3］針對新建鐵路隧道下穿既有公路隧道工程，以既有隧道沉降為指標(biāo)劃分了不同圍巖級別下近接隧道施工影響區(qū)。文獻(xiàn)［4］以新建大橫琴山1#隧道與新建珠機(jī)城際隧道近接交叉隧道工程為依托，擬定先上后下、先下后上兩種修建順序，通過計算得到先下后上順序較優(yōu)，并以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移為指標(biāo)劃分了后建隧道施工對先建隧道的影響區(qū)。文獻(xiàn)［5］建立TBM（Tunnel Boring Machine）法新建雙線隧道下穿既有隧道三維數(shù)值模型，通過分析塑性區(qū)分布范圍、中間土層應(yīng)力變化規(guī)律，確定新建隧道先行洞、后行洞對既有隧道的影響范圍分別為既有隧道等效直徑的1.5、1.0 倍。文獻(xiàn)［6］結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討不同凈距下新建隧道爆破施工對鄰近既有隧道振動的影響。文獻(xiàn)［7］通過建立新建隧道下穿既有隧道三維數(shù)值模型，研究對既有隧道影響區(qū)域劃分方法，并給出了近接區(qū)域既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制措施。文獻(xiàn)［8］基于強(qiáng)度折減法分析近接隧道工程中既有隧道的漸進(jìn)破壞模式，分別采用2.0 和2.4 的安全系數(shù)劃分不同圍巖級別下對既有隧道的影響分區(qū)。文獻(xiàn)［9］依托福廈客運(yùn)專線新大帽山1#隧道與既有新劉塘1#隧道近接工程，采用頻率和振速雙判據(jù)，對新建隧道爆破振動下既有隧道影響分區(qū)進(jìn)行了劃分。文獻(xiàn)［10］提出了近接交叉隧道影響度理論表達(dá)式，結(jié)合結(jié)構(gòu)位移判別準(zhǔn)則對影響分區(qū)進(jìn)行了劃分。

本文通過建立新建杭溫高速鐵路梧塢隧道上跨既有義東高速公路西甑山隧道爆破施工三維數(shù)值模型，分析新建隧道不同爆破開挖位置下既有隧道振速分布規(guī)律，結(jié)合振速分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分新建隧道施工影響區(qū)、對既有隧道縱向的影響范圍，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果判斷既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

1 工程概況

西甑山隧道設(shè)計行車速度100 km/h，隧道總長3.2 km，屬特長分離式雙洞公路隧道，斷面寬14.5 m，斷面面積約162 m2。梧塢隧道設(shè)計行車速度350 km/h，屬單洞雙線隧道，兩線間距5.0 m，軌面設(shè)計標(biāo)高168.8 m，斷面面積約158 m2。西甑山隧道與梧塢隧道交角約87°。西甑山隧道與梧塢隧道位置關(guān)系見圖1。兩隧道交叉段巖性以中風(fēng)化、微風(fēng)化凝灰?guī)r為主，圍巖等級為Ⅲ、Ⅳ級，完整性較好。

圖1 西甑山隧道與梧塢隧道位置關(guān)系（單位：m）

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立和參數(shù)確定

新建梧塢隧道埋深取8 m，其仰拱與既有西甑山隧道拱頂凈距取9 m；西甑山隧道兩線凈距取12.8 m，已施作二次襯砌。梧塢隧道采用三臺階法爆破開挖，循環(huán)進(jìn)尺為2 m，掌子面爆破掏槽孔采用耦合裝藥方式，裝藥段長150 cm，堵塞段長50 cm，距炮孔底部20 cm 處放置雷管，起爆藥量為29.9 kg。計算模型見圖2。

圖2 計算模型（單位：m）

考慮到爆破振動效應(yīng)下應(yīng)力波的反射作用，模型頂部、新建隧道掌子面和其已開挖部分表面設(shè)置為自由邊界，其余邊界均設(shè)置為無反射邊界。新建隧道下臺階開挖面與既有隧道距離較近，爆破施工對下方既有隧道擾動較大，因此僅分析新建隧道下臺階爆破施工對既有隧道的影響。計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2.2 測點(diǎn)布置

在既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱肩、拱腰、邊墻和仰拱布置測點(diǎn)，監(jiān)測新建隧道開挖過程中既有隧道二次襯砌各部位的振速。

2.3 爆破振速控制基準(zhǔn)的確定

TB 10313—2019《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，雙線爆破振速（v）允許值在5 ～ 8 cm/s。本文將近接隧道v控制值設(shè)定為7 cm/s，并將爆破影響程度劃分為3個等級，見表2。

表2 爆破振動影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 新建隧道爆破施工影響分區(qū)

新建隧道不同爆破開挖距離下既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位振速分布見圖3。由表2 和圖3可知，隨著新建隧道不斷的爆破開挖，既有隧道不同部位振速基本上先增大后減小。新建隧道爆破開挖對既有隧道左拱肩、拱頂產(chǎn)生強(qiáng)影響，左拱肩振速最大可達(dá)5.6 cm/s；對既有隧道左拱腰、右拱肩、左邊墻產(chǎn)生弱影響；對既有隧道右邊墻、右拱腰、墻腳、仰拱基本無影響。因此，在新建隧道爆破開挖過程中易造成既有隧道拱頂、拱肩損壞，應(yīng)加強(qiáng)對裂縫的監(jiān)測。

圖3 新建隧道不同爆破開挖距離下既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位振速分布

新建隧道不同爆破開挖距離下既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)最大振速分布見圖4。其中：D為既有隧道跨度，為17.8 m。

圖4 新建隧道不同爆破開挖距離下既有隧道最大振速分布

由表2 和圖4 可知：①新建隧道開挖至0.8D～2.0D時對既有隧道左線產(chǎn)生強(qiáng)影響，開挖至0.2D～0.8D、2.0D～ 2.3D時產(chǎn)生弱影響；②新建隧道開挖至2.9D～ 3.9D時對既有隧道右線產(chǎn)生強(qiáng)影響，開挖至1.2D～ 2.9D、3.9D～ 4.2D時產(chǎn)生弱影響；其余范圍皆基本無影響。新建隧道穿越既有隧道強(qiáng)影響區(qū)時，應(yīng)時刻關(guān)注既有隧道結(jié)構(gòu)的振速，及時反饋既有隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

2.4.2 既有隧道結(jié)構(gòu)縱向振速分布規(guī)律

新建隧道爆破開挖至2.5D時，既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位振速分布見圖5。

圖5 新建隧道開挖至2.5D 時既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位振速分布

由圖5 可知：①新建隧道爆破開挖至2.5D時，新建隧道已穿越既有隧道左線，此時左線處于新建隧道背爆側(cè)，襯砌結(jié)構(gòu)各部位振速普遍小于0.8 cm/s，新建隧道爆破施工對既有隧道左線基本無影響。②新建隧道開挖至2.5D時，新建隧道施工未到達(dá)既有隧道右線，此時右線處于新建隧道迎爆側(cè)，右線左拱肩振速均大于其他部位。以左拱肩振速為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。新建隧道開挖對既有隧道右線縱向-0.3D～ 0.3D范圍產(chǎn)生強(qiáng)影響，對-0.6D～ -0.3D、0.3D～ 0.6D范圍產(chǎn)生弱影響。因此，對既有隧道縱向-0.3D～ 0.3D范圍應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

3 現(xiàn)場實(shí)測

實(shí)際工程中，新建隧道初始開挖面與既有隧道左線邊線相距5 m。從初始開挖面開始，監(jiān)測兩線45 m范圍內(nèi)振速，判斷既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性。現(xiàn)場爆破監(jiān)測點(diǎn)布置在左線右拱肩和右線左拱肩。

既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實(shí)測振速分布見圖6?？芍孩匐S著新建隧道不斷爆破開挖，既有隧道振速呈振蕩式減小。②既有隧道兩線45 m 范圍大部分測點(diǎn)振速小于2.5 cm/s，極少部分測點(diǎn)振速在2.5～4.2 cm/s。結(jié)合日常巡檢結(jié)果，新建隧道爆破施工過程中既有隧道未產(chǎn)生裂縫、掉塊等病害，表明新建隧道爆破施工過程中既有隧道處于安全狀態(tài)。

圖6 既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實(shí)測振速分布

4 結(jié)論

1）新建隧道爆破施工過程中對既有隧道左拱肩、拱頂產(chǎn)生強(qiáng)影響，左拱肩最大振速可達(dá)5.6 cm/s。施工期間應(yīng)著重監(jiān)測既有隧道拱頂、拱肩產(chǎn)生的裂縫，一旦出現(xiàn)立即對新建隧道采取減小裝藥量、縮減爆破開挖進(jìn)尺等減振措施，同時對既有隧道采取維修加固措施。

2）新建隧道開挖至0.8D～ 2.0D、2.9D～ 3.9D時，先后對既有隧道左線、右線產(chǎn)生強(qiáng)影響。新建隧道開挖至2.5D時，對既有隧道縱向-0.3D～ 0.3D范圍產(chǎn)生強(qiáng)影響。這些區(qū)間均應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

3）既有隧道兩線45 m 范圍二次襯砌結(jié)構(gòu)測點(diǎn)振速大多數(shù)小于2.5 cm/s，極少部分在2.5～ 4.2 cm/s，表明新建隧道爆破施工對既有隧道影響較小。