擴(kuò)建小凈距隧道保通條件下爆破振動控制技術(shù)研究

林進(jìn)瀅，朱愛山，康三月

（浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310030）

我國早期公路隧道發(fā)展受到資金的制約與思維的束縛，絕大部分采用分離式單洞雙車道隧道。但隨著公路客、貨運輸量的迅速增長，早期修建的某些公路隧道已經(jīng)達(dá)到或者超過其設(shè)計通行能力，不能繼續(xù)滿足時下的交通需求。東南沿海地區(qū)、山區(qū)等，地資源緊張，無法進(jìn)行大規(guī)模的新建公路，在原位進(jìn)行改擴(kuò)建將會越來越多。而公路隧道作為公路網(wǎng)絡(luò)上的特殊構(gòu)造物，往往會成為公路網(wǎng)絡(luò)上的瓶頸?，F(xiàn)在其改擴(kuò)建一般采取一洞施工，一洞繼續(xù)通車方案。對于小凈距隧道，一洞爆破開挖勢必對臨近通車隧道產(chǎn)生較大影響，如振動、噪聲、結(jié)構(gòu)破壞等，但最大破壞影響為振動。故有必要對小凈距公路隧道爆破振動技術(shù)進(jìn)行研究，即能經(jīng)濟(jì)施工，又能最大程度確保通車安全。

為分析爆破振動影響及可能產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，羅陽等[1]對隧道凈距的影響規(guī)律研究表明，小凈距隧道后行隧道掌子面起爆時，相鄰先行隧道迎爆面拱腰處圍巖爆破振動速度最大，最大振速隨隧道凈距的增大而不斷減小，隨單次炸藥量的增大而增大，當(dāng)Q/R3＜1×10-3時，后行隧道掌子面爆破對先行隧道圍巖的爆破振動影響可忽略不計。梁書鋒等[2]開展了電子雷管降振試驗，對隧道爆破炮眼的合理延時進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：受縱、橫隧道分割的影響，中隔墻末端振動存在明顯的放大效應(yīng)；掌子面后方中隔墻受爆破振動的影響大于掌子面前方巖體。梁琨等[3]分析小凈距隧道爆破開挖中，先行洞在后行洞上臺階爆破作用下的動力響應(yīng)。結(jié)果表明：先行洞三向振速中，X水平徑向振速最大，且與合速度大小接近，先行洞振速由掌子面后方至隧道入口處呈現(xiàn)衰減趨勢，提出了現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)根據(jù)對于X水平徑向的數(shù)據(jù)調(diào)整爆破方案參數(shù)。隧道微振爆破的研究也有不少，如王佳輝等[4]基于數(shù)碼雷管在臨近建構(gòu)物隧道均布主振相微振爆破施工技術(shù)研究，但對于小凈距隧道保通條件爆破振動控制技術(shù)的研究還未見報道。

根據(jù)工程樓山隧道安全設(shè)計，通行隧道爆破振動速度需控制在2cm/s。本文依托臺州市樓山隧道，圍繞“控振”開展了爆破設(shè)計，振動數(shù)值模擬優(yōu)化，其爆破參數(shù)及校核方法可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

樓山隧道是鄞州至玉環(huán)公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程先行開工段的一部分，為分離式隧道，是通過對既有雙向四車道隧道原位四周擴(kuò)建為雙向八車道隧道，隧道原凈間距18～31m。實行一洞改建，另一洞保持交通通行，要求在實施爆破作業(yè)時，保證通行隧道和橋梁的安全，詳見圖1。

圖1 隧道進(jìn)口爆破環(huán)境圖

隧道埋深40～105m 左右，圍巖主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部受構(gòu)造影響較破碎，以塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。由于原隧道開挖導(dǎo)致應(yīng)力松弛，結(jié)構(gòu)面間隙增大，易產(chǎn)生小規(guī)模的坍塌，處置不當(dāng)易產(chǎn)生較大的坍塌。樓山隧道位于獨立山嶺，地形坡度大，匯水面積小，因此其總體水量較小。因巖體受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，構(gòu)造裂隙發(fā)育，透水性較好，在雨季隧道開挖時，易產(chǎn)生小規(guī)模的突水、涌水。另隧道出口處位于丘陵斜坡下部，地形坡度25°～40°左右，圍巖主要為殘坡積含粘性土碎石及全風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化層，部分位于中風(fēng)化凝灰?guī)r，由于受斷層影響，巖體極破碎，風(fēng)化極強(qiáng)，殘積土及全風(fēng)化層厚度最厚達(dá)24m以上。

2 施工難點

2.1 爆破對通行隧道影響大周期長

樓山隧道分左、右洞分別封閉部分道路施工，先行施工樓山右洞隧道拓寬，待右洞結(jié)構(gòu)施工完成并交工驗收合格通車后，才能拓寬其左洞，干擾較大。樓山隧道拓寬后斷面達(dá)229m2，既要爆破拆除原隧道二襯及初支，又要確保臨洞通車安全。

2.2 進(jìn)口爆破對洞口通行橋梁影響大

石粘互通的匝道出入口路基段重新改建，大石線左幅9～13跨橋梁拆除新建、大石線右幅隧道洞口處路基改橋梁、石粘互通E匝道7～11跨拆除新建，匝道及改橋需分階段施工，每個階段又劃分為先行和后行施工區(qū)域。故造成匝道施工場地狹小，洞口爆破對正常通行時有影響。

3 影響爆破振動的主要因素

裝藥量、振源距離、地質(zhì)情況、起爆間隔時間、炮孔超深、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、保護(hù)對象自身的結(jié)構(gòu)等都是影響爆破振動的因素。按照薩氏公式估算爆破振動速度，主要由以下幾個方面決定。

3.1 單段最大段別裝藥量

質(zhì)點振動速度隨著裝藥量的增大而增大，相關(guān)研究表明通過改變單段最大裝藥量，能夠達(dá)到降低振幅的目的。當(dāng)單段最大裝藥量增加時，質(zhì)點振動速度也增大，小藥量爆破引起的爆破振動中高頻成分豐富。

3.2 距爆源的距離

隨著距爆源的距離增加爆破地振波逐漸衰減，振動速度也會隨之降低，爆破主振頻率也在傳播過程中逐漸向低頻轉(zhuǎn)化。

?王浦劬、賴先進(jìn):《中國公共政策擴(kuò)散的模式與機(jī)制分析》，《北京大學(xué)學(xué)報》(哲學(xué)社會科學(xué)版)2013年第6期。

3.3 爆區(qū)及地振波傳播區(qū)域地質(zhì)條件

爆區(qū)及地振波傳播區(qū)域地質(zhì)條件直接影響爆破地振波的振幅、頻率和持續(xù)時間，當(dāng)傳播介質(zhì)越堅硬振動速度越小，主頻主要集中在高段，振動時間短。軟弱圍巖中爆破振動頻率比較低，振動持續(xù)時間較長。

3.4 炮孔起爆順序與間隔時間

毫秒延時爆破的機(jī)理是先起爆藥包為相鄰的后爆藥包形成新的自由面，為隨后起爆的炸藥創(chuàng)造有利的爆破環(huán)境。采用電子雷管，有可能精確地設(shè)定起爆間隔時間，相鄰起爆藥包產(chǎn)生的地振波的主振波正負(fù)相疊加而實現(xiàn)干擾減振。

4 爆破方案初步設(shè)計

采用戈斯帕揚經(jīng)驗公式計算單位炸藥消耗量為0.74kg/m3，炮眼數(shù)量按公式N=q×S/r×n計算為184 個。本工程按六部爆破開挖成型，總孔數(shù)247個，實際數(shù)量遠(yuǎn)大于理論計算，這與原襯砌結(jié)構(gòu)拆除有關(guān)。炮孔布置見圖2。

圖2 炮孔布置圖

4.1 既有襯砌爆破參數(shù)設(shè)計

既有隧道襯砌為薄壁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土，最小抵抗線W值為壁厚或梁、柱截面中較小邊長的一半，即最小抵抗線W=1/2B。炮眼密集系數(shù)取決于拆除對象的材質(zhì)、破碎程度和對爆破作用的要求，即炮眼間距a=mW，m為臨近系數(shù)，本工程m取值為2，計算得炮眼間距為50cm。最終計算得每個炮眼裝藥量取整為150g。

在本次爆破施工中選取巖石乳化炸藥，藥卷直徑32mm，毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆，底板處掏槽眼、輔助眼采用連續(xù)裝藥方式；周邊光爆孔的裝藥應(yīng)采用徑向及環(huán)向不耦合裝藥，以延長爆轟氣體的作用時間，降低爆轟波的沖擊強(qiáng)度，周邊眼的徑向不耦合系數(shù)應(yīng)大于2，但應(yīng)不致使藥卷直徑小于炸藥的臨界直徑，導(dǎo)致炸藥不穩(wěn)定的爆轟。本隧道周邊眼孔徑為42mm，選用?32mm×200mm 直徑藥卷；上部既有隧道結(jié)構(gòu)混凝土拆除孔裝藥結(jié)構(gòu)采用間隔耦合裝藥方式，采用導(dǎo)爆索起爆孔內(nèi)各藥包。

4.2 六部開挖法爆破參數(shù)設(shè)計

施工順序1→2→3→4→5→6，每部超前量控制在10m。爆破參數(shù)，詳見表1。

表1 六部開挖法爆破參數(shù)表

5 爆破動力有限元分析

5.1 結(jié)構(gòu)動力計算分析方法

隧道在動力荷載的作用下會發(fā)生振動，隧道圍巖的各種量值也會隨時間發(fā)生變化，動力荷載作用與靜力荷載作用計算的主要差值在于是否考慮慣性力對結(jié)構(gòu)的影響。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析的目的就在于確定在結(jié)構(gòu)動力荷載的作用下其振動速度等隨時間的變化規(guī)律，并從其中找出最大值或最小值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算的依據(jù)。任勁濤[5]運用有限元軟件LS-DYNA建立了與實際工程對應(yīng)的三維模型，通過計算得到了相鄰隧道質(zhì)點的峰值振速，并與實測振速進(jìn)行對比，驗證了數(shù)值模擬方法是可行的。在此基礎(chǔ)上還研究了在不同圍巖級別下后行隧道爆破對相鄰先行隧道襯砌的振動影響，并進(jìn)一步分析了先行隧道沿軸向振速、應(yīng)力、位移的分布變化規(guī)律及其下臺階開挖后襯砌的振動響應(yīng)規(guī)律。本工程也采用此法進(jìn)行模擬。

5.2 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)定

樓山隧道原凈斷面為10.25m×5m，擴(kuò)建后凈斷面為17.25m×5m。隧道模型以隧道橫向為X軸，軸線方向為Z軸。綜合考慮計算精度和效率，在X方向上，計算模型由隧道軸線向X軸負(fù)方向取65.83m，向X軸正方向取30m；在Y方向上，計算模型由隧道軸線向Y軸負(fù)方向取25m，向Y軸正方向取60m；在Z方向上，計算模型由隧道軸線向Z軸負(fù)方向取7m，向Z軸正方向取0.5m。因此，本隧道襯砌爆破拆除數(shù)值計算模型三維尺寸為95.83m×85m×7.5m，如圖3所示。

圖3 臺階法爆破模型

模型材料由巖石、炸藥、襯砌、鋼拱架和空氣5個部分組成，均選用實體單元Solid164進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中巖石、襯砌和鋼拱架采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥和空氣采用流固耦合建模，單元使用多物質(zhì)ALE 算法。為了模擬無限大巖體，模型的外邊界均采用無反射邊界條件。

考慮工程實際情況，同時為了便于數(shù)值模擬，模型炮孔深度為1.6m，炮孔直徑為4.2cm，炮孔間距為50cm，裝藥使用2#巖石乳化炸藥。炮孔起爆位置根據(jù)實際情況設(shè)置在炸藥中間處。模型采用自帶LS-DYNA Solver 進(jìn)行求解運算，使用LS-PREPOST 軟件進(jìn)行后處理。數(shù)值模擬中所有參數(shù)均統(tǒng)一使用cm-g-μs單位制。

5.3 計算方案及計算模型

爆破拆除的過程具有高速復(fù)雜的特點，盡管襯砌材料性質(zhì)、巖石性質(zhì)和節(jié)理等因素都會對襯砌拆除爆破的效果造成影響，但在數(shù)值模擬中很難將所有因素都考慮進(jìn)去，因此只考慮影響爆破效果的主要因素，簡化次要因素，該模擬中做出以下的假設(shè)：

（1）數(shù)值模擬中的既有襯砌、巖石及炸藥等材料性質(zhì)均連續(xù)且各向同性；

（2）模型任意兩種介質(zhì)的接觸面上位移及速度連續(xù)條件均得到滿足；

（3）爆破拆除過程為絕熱過程，熱力學(xué)參量的影響不作考慮；

（4）不考慮巖石中裂隙的影響。

數(shù)值模擬采用多物質(zhì)材料與拉格朗日結(jié)構(gòu)耦合算法來滿足涉及兩種以上物質(zhì)的計算，該算法的優(yōu)點是各部分結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的接觸關(guān)系不需要定義，盡管網(wǎng)格數(shù)量巨大導(dǎo)致求解時間較長，但計算結(jié)果較穩(wěn)定。所建立的三維模型通過LS-DYNA Solver 求解后，將計算結(jié)果導(dǎo)入LS-PREPOST 有限元后處理軟件，以此來模擬在各個工況下爆破振動速度的變化情況以及峰值大小。

因此分別取拱頂、拱腰、拱腳及拱底中的點研究其爆破振動速度隨時間變化的規(guī)律及振動速度最大值，其中右洞監(jiān)測點位置取距離爆破掌子面30m的掌子面上，監(jiān)測點號分別為68145、68038、67795、16821、16770。左洞監(jiān)測點所在面則與爆破掌子面平行，臺階法各監(jiān)測點的X、Y、Z以及合成振動速度如圖4～圖7 所示，監(jiān)測點點號分別為68153、68165、67704、16840、16836，對所選取的監(jiān)測點X方向、Y方向、Z方向以及合成振動速度進(jìn)行監(jiān)測，右洞各監(jiān)測點的振動速度時程曲線分別如圖4～圖7 所示，左洞各監(jiān)測點的振動速度時程曲線分別如圖8所示。

圖5 Y方向振動速度時程曲線

圖6 Z方向振動速度時程曲線

圖7 右洞監(jiān)測點聯(lián)合振動速度時程曲線

圖8 左洞各監(jiān)測點聯(lián)合振動速度時程曲線

沿著已開挖段隧道地表建筑物監(jiān)測點68153、68165、67704、168040、17217 處X方向峰值振動速度依次為17.35cm/s、8.53cm/s、2.85cm/s、1.34cm/s、0.26cm/s；Y方向峰值振動速度依次為19.68cm/s、8.87cm/s、3.96cm/s、1.41cm/s、0.57cm/s；Z方向峰值振動速度依次為15.88cm/s、6.43cm/s、2.76cm/s、1.28cm/s、0.36cm/s。聯(lián)合振動速度最大值如表2所示。

表2 各監(jiān)測點最大振動速度

5.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于樓山隧道擴(kuò)挖工程屬于交通隧道擴(kuò)建，本文采用《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2011)建議的臨界振動速度作為評判隧道破壞的標(biāo)準(zhǔn)，即鄰近隧道爆破施工引起的既有隧道在不同的振動頻率下既有隧道破壞的臨界振動速度在10～20cm/s，如表3所示。

表3 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

5.5 實測振動速度

采用UBOX-5016 工程爆破智能監(jiān)測儀對通車隧道進(jìn)行爆破振動檢測，詳見表4。測點布置在同一橫斷面上，三個通道，其中墻部襯砌布兩個點，底板布一個點。

表4 爆破震動監(jiān)測記錄表

通過以上對六部開挖方案施工過程中的振動速度分析，可以看出右洞在爆破后迅速達(dá)到峰值，而爆破振動由右洞（爆破洞）至左洞（通車洞）傳遞需要時間，左洞在爆破后約0.01s后達(dá)到峰值，隨后振動速度呈波浪狀下降趨勢并最終平穩(wěn)地趨于零，模擬結(jié)果與實際情況相符。在右洞進(jìn)行爆破掘進(jìn)時對樓山隧洞左洞振動傳遞時能量有衰減，所以振動速度均遠(yuǎn)低于安全允許標(biāo)準(zhǔn)，因此能夠滿足在右洞進(jìn)行爆破掘進(jìn)的同時左洞正常交通的要求。隧道右洞聯(lián)合最高振速為18.31cm/s，各監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)均符合安全標(biāo)準(zhǔn)，所以樓山隧道采用六部開挖爆破方案安全合理。

5.6 爆破效果

樓山隧道分部開挖法成功實施爆破，實際開挖情況如圖9所示。爆破后隧道巖土體整體性較好，不平整度以及平均超欠挖量在允許范圍以內(nèi)，允許超挖值小于15cm，邊墻小于10cm，巖面上用肉眼看不見明顯裂縫；爆破后的巖石塊體及襯砌大小適中，石渣最大塊體小于30cm，易于搬運。

圖9 現(xiàn)場施工圖

樓山隧道斷面大，與既有運營隧道間距小，且由于工序繁瑣，尤其是洞口V運營安全，施工中要求嚴(yán)格按照設(shè)計開挖步驟進(jìn)行，如在洞口V 級圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑加臨時仰拱法施工，其余段采用CD法施工。爆破作業(yè)采用微振爆破技術(shù)，配合監(jiān)控量測，循環(huán)進(jìn)尺選取滿足樓山隧道掘進(jìn)爆破的需要，確保了工期按期完成。并做到周邊輪廓尺寸符合設(shè)計要求，既有隧道襯砌的質(zhì)點振動速度控制要求范圍內(nèi)，沒有因為施工對既有隧道運營造成任何破壞。

6 結(jié)論

通過對樓山隧道爆破設(shè)計及施工，獲得大斷面小凈距隧道爆破振動控制及施工經(jīng)驗，以及在施工中存在的重大技術(shù)問題的解決方法，可為今后在類似工程中遇到的問題提供參考。

（1）樓山隧道采用控制爆破振動技術(shù)，降低隧道爆破對圍巖的擾動，最大可能地保護(hù)隧道穩(wěn)定，保證了通行安全。

（2）通過減小循環(huán)進(jìn)尺，多鉆孔，降低同一段別炸藥起爆藥量等措施，達(dá)到降低爆破振動的目的，炸藥爆炸產(chǎn)生的作用對隧道壁上的巖體損傷輕微，肉眼觀察沒有很清晰的裂縫產(chǎn)生，地質(zhì)較優(yōu)的隧道段在爆破后基本上沒有很明顯的危巖，不良地質(zhì)段隧道爆破后基本上沒有浮石危巖。

（3）使用LS-PREPOST 軟件數(shù)值模擬與實測爆破振速更為接近。