李小貝

(中鐵四院集團工程建設有限責任公司，武漢 430063)

隨著國民經(jīng)濟和城市規(guī)模的發(fā)展，現(xiàn)有的鐵路干線不能滿足日益增長的交通運輸需求，迫切的需要對原有的線路進行改造或擴建。由于受到地形地質條件、環(huán)境保護和節(jié)約土地等方面限制，在工程實際中經(jīng)常會出現(xiàn)新建隧道鄰近既有隧道物或新建隧道上(下)穿既有隧道的情況[1,2]。由于新建隧道與既有隧道的設計距離較近，其施工會破壞既有隧道的結構，嚴重的甚至影響到既有隧道的正常運營，同時增加了新建隧道施工難度和工程風險。新建隧道對既有隧道結構安全的影響主要表現(xiàn)在兩方面[3,4]：一方面是土方開挖引起既有隧道圍巖應力重新分布；另一方面，傳統(tǒng)鉆爆法施工時所形成的爆破振動對既有隧道的結構造成損傷及強度弱化，尤其是凈距偏小且有病害情況的隧道。因此，最大限度的減小新建隧道爆破施工對既有隧道的影響，以確保既有隧道的安全和新建隧道的順利施工，成為鄰近隧道爆破施工的核心問題。

圍繞著新建隧道爆破施工對鄰近隧道的影響，國內外學者進行了大量的研究，并在理論分析、現(xiàn)場監(jiān)控、數(shù)值模擬等方面取得了豐碩的成果。研究爆破對鄰近隧道影響的理論研究思想主要借鑒于巖土體中建筑物受地震或動荷載下的動態(tài)響應的理論方法[5]，該理論方法主要借助波動力學。Tan采用彈性動力互等定理對柱形散射體彈性波的散射進行了較深入的研究[6]；陳志剛運用復變函數(shù)和多極坐標方法研究了穩(wěn)態(tài)水平剪切(SH)波作用下含有圓柱形孔洞的各向異性彈性半空間的動力響應問題[7]。由于隧道地下結構受動荷載響應的復雜性，傳統(tǒng)數(shù)學解析法數(shù)學計算與處理上的困難決定了它只能適用于影響條件較簡單情況下的情形。20世紀40年代，爆破地震測試儀器開始用于爆破地震波的現(xiàn)場測試，獲得了大量的測試結果，爆破監(jiān)測的研究也開始步入定量分析階段。國內外的許多學者以及工程技術人員從工程實際出發(fā)，利用概率統(tǒng)計的方法對爆破地震波的傳播規(guī)律及其對隧道或者其它地下建筑物的影響進行了較為全面的研究[8]；在對監(jiān)測資料統(tǒng)計分析的基礎上，總結了大量以薩道夫斯基公式為參考的區(qū)域性的經(jīng)驗公式，同時探討分析了影響爆破地震波傳播的因素。隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，利用有限元分析軟件在科學合理的選擇爆破參數(shù)、介質力學參數(shù)的前提下，建立符合實際的有限元模型，通過模擬爆破過程，掌握各種變量之間的關聯(lián)，從而設計具體工程背景下的具體爆破參數(shù)[9,10]。應用較廣泛的數(shù)值模擬軟件主要有ANASYS/LS-DYNA、FLAC3D、MIDAS/GTS等。結合目前的研究成果，部分工程在臨近既有結構的條件下施工時，圍繞著降低爆破擾動、及時支護薄弱區(qū)域，爆破與機械開挖結合等幾種形式對施工方法改進，也取得了一定效果[11,12]。

目前，針對新建隧道爆破荷載對既有隧道的影響，現(xiàn)有的學術研究與工程實踐為解決問題積累了不少寶貴經(jīng)驗，但仍存在一定程度的不足，主要表現(xiàn)在:一是實際工程結構條件下新建隧道與既有結構的空間關系復雜，無法直接套用理論成果，同時工程巖體結構隨機性大，目前多數(shù)研究僅考慮了基本巖體性質，而忽視了節(jié)理構造等因素，造成結果的不精確；二是檢測觀測手段的不完善，目前常規(guī)的隧道結構檢測手段僅能對結構響應的結果進行檢測，對于響應過程中結構體應力應變場變化等細節(jié)還難以觀測；三是評判手段的不完善，目前在工程實際中可供參考的適用性規(guī)范僅有《爆破安全規(guī)程》的部分規(guī)定，但規(guī)程的條件較為寬泛，難以具體到實際工程進行詳細指導。爆破施工對既有隧道的影響，是一項非常重要和復雜的問題。為盡可能全面地考慮的各種定量和定性影響因素，在衢州至寧德鐵路五都隧道爆破工程施工期間，通過開展有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測工作，在考慮圍巖級別、隧道間距、單響藥量情況下分析爆破振動對鄰近隧道的影響，優(yōu)化爆破施工設計參數(shù)，對保障鄰近既有隧道結構的完整安全及正常的運營具有非常重要的工程意義。

1 工程概況

新建衢州至寧德鐵路工程QNFJZQ-5標五都隧道，起止里程DK388+210～DK388+515，全長305 m，設置為單線隧道。進口軌面設計標高23.866 m，出口軌面設計標高22.066 m，隧道最大埋深約43.4 m。五都隧道Ⅳ級圍巖70 m，Ⅴ級圍巖235 m。

隧道施工采取由進口向出口單向掘進的方式開挖。隧道出口洞門明挖采用機械開挖；隧道洞身Ⅴ級圍巖采用三臺階法爆破開挖，每循環(huán)進尺1.0 m，每次爆破規(guī)?？刂圃诳傃b藥量53 kg以內，最大一段藥量控制在12 kg以內；隧道洞身Ⅳ級圍巖采用臺階法爆破開挖，每循環(huán)進尺1.2 m，每次爆破規(guī)?？刂圃诳傃b藥量54 kg以內，最大一段藥量控制在11 kg以內。

新建衢州至寧德鐵路工程QNFJZQ-5標五都隧道，爆破施工鄰近的既有杭深鐵路設施為既有杭深鐵路下坂一號隧道(K790+112～K791+085)和既有杭深鐵路下坂二號隧道(K791+293～K791+783)。新建五都隧道進口明挖施工已完成，洞門距離既有杭深鐵路下坂一號隧道出口最近處約408 m；五都隧道距離既有杭深鐵路下坂二號隧道最近距離為35 m。五都隧道與既有鐵路平面關系及五都隧道圍巖分級詳見圖1。

圖 1 五都隧道與既有杭深鐵路平面關系示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the plane relationship between the Wudu tunnel and the existing Hangzhou-Shenzhen railway

2 爆破振動估算

2.1 爆破振動安全允許標準

爆破振動指爆破引起傳播介質沿其平衡位置作直線或曲線往復運動的過程。根據(jù)實際情況可知：爆破時產(chǎn)生的振動如不加以控制，可能對鄰近既有杭深鐵路設施產(chǎn)生影響。因此，爆破施工前需要評估爆破時產(chǎn)生的振動波對周邊建筑物的影響。

《爆破安全規(guī)程》[13](GB6722—2014)規(guī)定：評估爆破對不同類型建(構)筑物、設施設備和其他保護對象的振動影響，應采用不同的安全判據(jù)和允許標準。地面建筑物、電站(廠)中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破振動判據(jù)，采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率[14]，但鐵路設施沒有明確的爆破振動安全允許標準?？紤]到鐵路設施安全特殊性，參照《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)范》[15]中爆破振動安全控制標準，并結合五都隧道設計規(guī)定(爆破振動速度不大于5 cm/s)和既有線旁類似工程振動控制經(jīng)驗，對鄰近既有杭深鐵路隧道、橋梁、涵洞、軌道(路基)及接觸網(wǎng)支柱基座的爆破振動控制值進行選取(見表1)。

表 1 不同類型建(構)筑物爆破振動控制值Table 1 Blasting vibration control value of buildings(structures) with different types

2.2 爆破振動估算

爆破振動安全允許質點振動速度，可按下式計算

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V為保護對象所在地安全允許質點振動速度，cm/s；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，應通過現(xiàn)場試驗確定或參考相關規(guī)范選取。

根據(jù)該工程周圍環(huán)境、工程地質情況，公式(1)參數(shù)選取如下：

(1)爆源至保護建筑的最近距離：

隧道Ⅴ級圍巖：取R1=36 m；R2=408 m；

隧道Ⅳ級圍巖：取R1=35 m；R2=508 m。

(2)最大一段藥量：

隧道Ⅴ級圍巖；取Q=11 kg；

隧道Ⅳ級圍巖；取Q=12 kg。

(3)不同類型建(構)筑物爆破振動控制值詳見表1。

(4)與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，取K=200、取α=1.65。

代入公式(1)計算結果詳見表2。

表 2 爆破震動速度估算值Table 2 Estimation of blasting vibration velocity

從計算結果來看，五都隧道爆破施工產(chǎn)生的振動符合安全要求，爆破不會對鄰近既有杭深鐵路橋梁、軌道路基、接觸網(wǎng)桿架和通信信號等設備的安全造成影響。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 建立模型

五都隧道全長532 m，斷面尺寸為高9.12 m，寬7.19 m。既有杭深鐵路下坂二號隧道正洞采用混凝土襯砌，其模型尺寸設與新建隧道相同，二者間距35 m。計算模型取水平尺寸61 m，豎向尺寸18 m，作為計算分析范圍，圍巖等級分別設為Ⅳ級和Ⅴ級，采用HJC本構模型模擬，圍巖采用四節(jié)點平面應變等參單元，隧道襯砌采用梁單元，模型總共272914個單元。數(shù)值模型見圖2。

圖 2 數(shù)值計算模型Fig. 2 Numerical calculation model

3.2 圍巖及混凝土物理力學參數(shù)

表 3 圍巖物理力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

表 4 混凝土材料物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of concrete materials

3.3 爆破荷載

本次數(shù)值模擬采用三角形脈沖波代替爆破荷載[5]

(2)

(3)

式中：Pω為三角形荷載的波峰壓力；ρω為裝藥密度，取30 g/cm3；D為炸藥爆速，取二號巖石乳化炸藥爆速3200 m/s；k為等熵指數(shù)，取3。

爆破荷載確定后，將荷載以壓力形式作用在施工隧道洞周壁上，壓力的作用方向垂直于隧道洞周[6]。三角形爆破荷載如圖3所示。

3.4 計算結果及分析

在數(shù)值模擬計算過程中，通過試算將結果與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行對比從而不斷調整阻尼參數(shù)，使地震波正常衰減，得到合適模型。對既有隧道迎爆側襯砌振動速度進行考察[7]，考察點分布如圖4所示。

主要觀察缼齒蓑蘚的枝葉形態(tài)和細胞性狀，并參照Yu等[7]的方法進行測量。缼齒蓑蘚配子體枝葉13個形態(tài)性狀具體見表2。

圖 3 爆破荷載加載波形Fig. 3 Loading waveform of blasting load

圖 4 既有隧道考察點示意圖Fig. 4 Schematic diagram of existing tunnel inspection points

沿既有隧道掘進方向選取不同斷面，對各斷面考察點(拱頂A、拱腳B、墻腰C、底邊D)的振動速度和進行統(tǒng)計分析，得到各考察點振動速度峰值。圖5為Ⅳ級和Ⅴ圍巖狀態(tài)下所測振動速度。

對圖5進行分析可知：

圖 5 沿掘進方向既有隧道襯砌截面各考察點振動速度Fig. 5 Vibration velocity at each inspection point of the existing tunnel lining section along the direction of excavation

(1)既有隧道墻腰部位振動速度最大，在爆炸沖擊荷載作用下，墻腰部位所受破壞程度最大，但隨著與爆源距離的增加，振動速度衰減至于其他部位相近的水平。

(2)Ⅳ級圍巖條件下，拱頂與拱腳初始振動速度相近，隨著距離的增加，拱腳峰值振動速度衰減比拱腳更為迅速，在距離爆源較遠處，各考察點峰值振動速度相近，已無明顯差距。

(3)在相同爆炸沖擊荷載作用下，Ⅴ級圍巖較Ⅳ級圍巖既有隧道各考察點具有更高峰值振動速度，故其產(chǎn)生的破壞效果更嚴重。

(4)計算所得的振動速度遠小于《爆破安全規(guī)程》中，關于在爆破振動時，構筑物振動速度控制值(3 cm/s)，故不會既有隧道安全性造成影響。

對既有隧道初始截面各觀察點應力進行統(tǒng)計分析，得到不同圍巖級別下各考察點應力峰值，如圖6所示。

圖 6 既有隧道初始斷面各觀察點最大峰值應力Fig. 6 Maximum peak stress at each observation point of the initial section of the existing tunnel

對圖6進行分析可知：

(1)各考察點中，墻腰部位所受應力峰值最大，主要承受X方向的拉應力作用，由此可見，在爆炸沖擊荷載作用下，墻腰混凝土的破壞主要為X方向產(chǎn)生的拉伸破壞，因此，當拉伸應力超過混凝土的抗拉強度時，在隧道墻腰部位的橫向會出首先現(xiàn)拉伸裂紋。

(2)拱頂、拱腳、墻腰和底邊所受剪切應力均較小，在爆炸沖擊荷載作用下，拱頂、拱腳和墻腰主要承受拉應力作用，底板主要承受壓應力作用。

(3)隨著圍巖級別的增加，各考察點的最大峰值應力有一定下降，表明巖體質量對于隧結構抗爆破擾動性能有顯著作用，在隧道掘進過程中，應注意對既有隧道結構薄弱段的防護，必要時，需對爆破參數(shù)進行進一步控制。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置

根據(jù)現(xiàn)場施工現(xiàn)狀，在五都隧道爆破施工初始階段，在鄰近既有杭深鐵路下坂二號隧道內對應爆破掌子面處，布置測點進行爆破施工振動測試。爆破振動測點布置在隧道內迎爆側邊墻位置，其中測點A、B、D、E、F采用自動觸發(fā)爆破振動采集儀，測點C采用實時動態(tài)測試采集儀。測點布置詳圖7所示。

圖 7 既有杭深鐵路隧道爆破測點平面布置示意圖Fig. 7 The layout diagram of the blasting points in the existing Hangzhou-Shenzhen Railway Tunnel

4.2 實測結果分析

根據(jù)設計的爆破參數(shù)，在Ⅴ級圍巖區(qū)域內進行試爆，最大單段藥量為6.5 kg，測得的各測點振動速度測值見表5。

表 5 震動速度實測值Table 5 Measured values of vibration speed

對實測結果進行分析，可知：

(1)爆破斷面處(測點C)振動速度最大，且振動速度沿爆破掘進方向逐漸降低。

(2)既有隧道迎爆側各測點水平切向的振動主頻沿爆破方向逐漸增大。

(3)同一點在徑向、切向及縱向三個方向的同一時間測得的振動速度表明，質點在縱向振動速度最大。

(4)爆破振動能量主要沿掘進方向傳播，在既有隧道迎爆側的爆破斷面附近測得的振動速度明顯高于其他方位，因此，要預先加固需要保護的地段。

5 結論

通過建立新建五都隧道小凈距隧道爆破振動數(shù)值模型和分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到以下結論：

(1)新建隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破振動對既有隧道結構存在一定影響，其中，既有隧道襯砌迎爆側墻腰部位所受影響最為顯著，其振動速度和所受應力峰值最大。

(2)振動速度隨距離增加而逐漸降低，各質點在縱向振動速度最大。

(3)在爆炸沖擊荷載作用下，拱頂、拱腳和墻腰主要承受拉應力作用，底板主要承受壓應力作用。

(4)在相同爆炸沖擊荷載作用下，既有隧道破壞程度隨圍巖級別的提高而增大，故在新建隧道爆破開挖過程中應加強對薄弱段的防護和監(jiān)測。

(5)數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：在合理炸藥當量的情況下，新建五都隧道爆破施工不會對既有隧道產(chǎn)生破壞。