劉海智 張哲

摘 要：以杭州地鐵 9 號(hào)線邱山大街站—北沙路站區(qū)間部分穿越臨平山工程為背景，研究邱北區(qū)間隧道采用礦山法施工時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)邱山公路隧道的影響。通過(guò)動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算分析得知，在常規(guī)的鉆爆法施工參數(shù)下，即單次循環(huán)進(jìn)尺 2.5m、單響炸藥量 20kg、爆破荷載峰值 2.4MPa 的情況下，爆破施工對(duì)邱山公路隧道的影響遠(yuǎn)小于規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn);施工中應(yīng)首先進(jìn)行爆破試驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)邱山公路隧道襯砌和山腳下其他鄰近建筑物的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正爆破施工參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道：公路隧道;礦山法;爆破振動(dòng);影響分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.6

1 工程概況

杭州地鐵9號(hào)線邱北區(qū)間礦山法隧道是單洞單線隧道，洞高7.05 m，寬6.6 m，左右隧道中心距15 m，隧道采用復(fù)合襯砌，初支采用噴射300 mm厚C25混凝土，二襯采用400mm厚C35混凝土，側(cè)墻采用22mm砂漿錨桿。邱山公路隧道原為單洞雙向雙車(chē)道公路隧道，2009年改擴(kuò)建為雙向四車(chē)道隧道，雙連拱結(jié)構(gòu)形式，單洞寬13.4 m，高9.9 m，全長(zhǎng)395 m，隧道采用復(fù)合襯砌，初支采用噴射250 mm厚C20混凝土，二襯采用600 mm厚C35混凝土，拱頂采用25mm砂漿錨桿。

地鐵9號(hào)線邱北區(qū)間礦山法隧道位于邱山公路隧道正下方，下穿長(zhǎng)度為395 m，二者豎向距離為14.92～19.54 m。邱山公路隧道與邱北區(qū)間礦山法隧道范圍內(nèi)大多為中風(fēng)化石英砂巖，屬于中硬巖、Ⅰ～Ⅴ級(jí)圍巖，局部圍巖為斷層破碎帶。其豎向位置關(guān)系如圖1所示。

2 計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立地鐵和公路隧道三維有限元模型如圖2所示，模型長(zhǎng)、寬、高分別為495 m、150 m、140 m。為減小邊界效應(yīng)，地鐵隧道外側(cè)左、右、下部各取6倍洞徑。巖土分為含黏性土碎石、強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖和中風(fēng)化石英砂巖等3層。

土體單元采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。地鐵和公路隧道襯砌采用板單元模擬，彈性本構(gòu)模型。特征值分析時(shí)采用曲面彈簧來(lái)模擬支座的邊界條件，時(shí)程分析時(shí)采用Lysmer和Wass建議的黏性邊界條件，此時(shí)曲面彈簧的參數(shù)為x、y和z方向上的阻尼比。

單響藥量、峰值爆破荷載、荷載加卸載時(shí)間等物理量是確定爆破荷載的主要參數(shù)，將爆破荷載簡(jiǎn)化為一條具有加載和卸載過(guò)程的三角形波形荷載。爆破荷載確定后，將其以均布?jí)毫π问阶饔糜谡谱用娑粗鼙谏?，壓力的作用方向垂直于洞周壁。單次循環(huán)進(jìn)尺為2.5 m，單響藥量取Q = 20kg。峰值爆破荷載采用經(jīng)驗(yàn)公式確定，取升壓時(shí)間t升 = 0.01s，t升 為從爆破開(kāi)始到峰值爆破荷載2413kPa所需的時(shí)間;取卸載時(shí)間t卸 = 0.1s為爆破荷載卸荷至零所需的時(shí)間;爆破總計(jì)算時(shí)間取

t總 = 0.5s。

2.2 開(kāi)挖模擬工況

模擬工況1，地鐵右隧道作業(yè)面位于邱山公路隧道南端正下方，兩隧道的豎向間距為14.92 m，研究右隧道掌子面爆破對(duì)邱山隧道襯砌和附近建筑物的影響。

模擬工況2，地鐵右隧道作業(yè)面位于邱山公路隧道中部正下方，兩隧道豎向間距約19 m，研究地鐵左隧道掌子面爆破對(duì)邱山公路隧道襯砌及地鐵右隧道襯砌的影響。

模擬工況3，地鐵右隧道作業(yè)面位于臨平山北側(cè)山腳下，研究地鐵右隧道掌子面爆破對(duì)邱山公路隧道襯砌和附近建筑物的影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 工況 1 計(jì)算分析

圖3、圖4為t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s時(shí)邱山公路隧道襯砌的振動(dòng)速度云圖，由圖3、圖4可見(jiàn)，右隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約0.2 cm/s，左隧道襯砌振速小于右隧道。隨著爆破振動(dòng)荷載的傳播，邱山公路隧道襯砌中的振速分布也發(fā)生變化。

圖5為t升 = 0.01s時(shí)邱山公路隧道右線仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，可見(jiàn)，當(dāng)爆破荷載達(dá)到峰值時(shí)，振速也達(dá)到峰值;爆破荷載卸載后，即t卸 =0.1 s后，振速基本為0。

圖6、圖7為邱北區(qū)間地鐵隧道右線的爆破施工在臨平山南坡腳下引起的地表振動(dòng)速度云圖，可以看出，地表最大振速為10-2cm/s ～10-1cm/s量級(jí)，說(shuō)明爆破施工對(duì)地表基本無(wú)影響。

2.3.2 工況 2 計(jì)算分析

圖8、圖9分別為t升 = 0.01 s和t卸 =0.1 s時(shí)邱山公路隧道襯砌的振動(dòng)速度云圖，由圖8、圖9可見(jiàn)，邱山公路左隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約為10-2cm/s量級(jí);邱山公路右隧道襯砌的振速小于左隧道，沿隧道縱向影響長(zhǎng)度約為35～50m。隨著爆破振動(dòng)荷載的傳播，邱山公路隧道襯砌中的振速分布也隨之發(fā)生變化，最大振速很小，量級(jí)為10-2cm/s～10-4cm/s。

圖10為t升 = 0.01 s時(shí)邱山公路左隧道仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，可見(jiàn)，當(dāng)爆破荷載達(dá)到峰值時(shí)，振速也達(dá)到峰值，約為0.1 cm/s;爆破荷載卸載后，即t卸 =0.1 s后，振速基本為0。

邱北區(qū)間地鐵隧道左線爆破施工在地鐵隧道右線襯砌中引起的振動(dòng)速度云圖如圖11、圖12所示，最大振速約為0.1 cm/s。

2.3.3 工況 3 計(jì)算分析

圖13為t升 = 0.01s時(shí)邱山公路隧道襯砌的振動(dòng)速度云圖，可以看出，邱山公路右隧道仰拱處為迎爆側(cè)，最大振速約為10-2cm/s量級(jí)，邱山公路左隧道襯砌的振速小于右隧道。僅在邱北區(qū)間地鐵右隧道掘進(jìn)面上方的邱山公路隧道局部范圍襯砌中產(chǎn)生了較明顯的振動(dòng)速度響應(yīng)。

圖14為t升 = 0.01 s時(shí)邱山公路隧道右線仰拱襯砌中最大振速所在節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，可以看出，爆破荷載達(dá)到峰值0.01 s后，即t = 0.02 s時(shí)，振速達(dá)到峰值，約為0.05 cm/s;爆破荷載卸載后，即t卸 = 0.1 s后，振速基本為0。

圖15、圖16為邱北區(qū)間地鐵隧道右線爆破施工在臨平山北坡腳下引起的地表振動(dòng)速度云圖，可看出最大振速為10-2cm/s量級(jí)，說(shuō)明爆破施工對(duì)地表基本無(wú)影響。

3 結(jié)論及建議

（1）邱北區(qū)間地鐵隧道爆破施工時(shí)，邱山公路隧道襯砌產(chǎn)生的最大振速約0.2 cm/s，遠(yuǎn)小于規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

（2）附近建筑物在地鐵爆破施工時(shí)最大振速為10-2cm/s量級(jí)，遠(yuǎn)小于規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

（3）邱北區(qū)間地鐵隧道左線爆破施工時(shí)，地鐵右線隧道的混凝土襯砌仍未養(yǎng)護(hù)好，根據(jù)GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，養(yǎng)護(hù)期混凝土的安全允許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)為2.5～12.0 cm/s。而地鐵右線隧道襯砌振速響應(yīng)值最大約為0.1 cm/s，遠(yuǎn)小于此允許標(biāo)準(zhǔn)。

（4）地鐵隧道施工中應(yīng)首先進(jìn)行爆破試驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)邱山公路隧道襯砌和山腳下其他鄰近建筑物的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正爆破施工參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

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收稿日期 2019-01-14

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明