收稿日期：2024-03-01

作者簡介：王曉明（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：項(xiàng)目管理。

摘要 為分析汕汕高鐵平公山隧道爆破施工對下方既有屏峰山隧道影響，通過模擬分析不同施工方法、延時(shí)間隔和循環(huán)進(jìn)尺等因素，研究表明：（1）臺階法施工時(shí)，下臺階分部爆破施工對既有隧道振速和應(yīng)力效果影響明顯，可有效降低既有隧道動力響應(yīng)；（2）延時(shí)間隔為5 ms以上時(shí)可避免不同炮孔應(yīng)力波疊加導(dǎo)致既有隧道振速和應(yīng)力增大；（3）循環(huán)進(jìn)尺為2 m時(shí)，既有隧道振速在控制標(biāo)準(zhǔn)以下，滿足工程條件。

關(guān)鍵詞 高速鐵路隧道；爆破施工；上跨隧道；爆破振動控制

中圖分類號 U455.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0037-04

0 引言

隨著我國交通隧道的不斷增加，新建隧道臨近既有隧道的情況不斷增加，新建隧道鉆爆法施工會影響既有隧道正常運(yùn)行甚至造成破壞。因此，研究新建隧道爆破施工對既有臨近隧道振動影響具有重要意義。

我國在2014年發(fā)布的《爆破安全規(guī)程》（GB6722—

2014）[1]以振動速度和頻率作為新建隧道爆破施工對鄰近建筑物的安全判據(jù)。張志威[2]等研究了微差爆破和設(shè)置不同減振孔對降低爆破振速的效果。和振海[3]等采用ANSYS/LS-DYNA軟件研究連拱隧道鉆爆法施工時(shí)不同循環(huán)進(jìn)尺和隔振層的減振效果。孫壽榜[4]通過灰色關(guān)聯(lián)分析確定既有隧道襯砌振速影響因素的權(quán)重，由大到小依次為爆破荷載、混凝土彈性模量、隧道間距和圍巖彈性模量。管曉明[5]等通過理論分析爆破振動波的產(chǎn)生、傳播和不同炮孔爆破振動波疊加，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析確定了電子雷管爆破施工相較普通雷管爆破施工可減振60％以上。杜小剛[6]等通過控制單段最大齊爆藥量和調(diào)整砂質(zhì)緩沖層范圍，將爆破振速控制在允許范圍內(nèi)。

目前，爆破振動研究對既有高鐵隧道振動影響研究較少，新建隧道上跨既有高鐵隧道時(shí)由于迎爆側(cè)位于既有隧道拱頂處，與兩隧道平行施工有所不同，因此，該工程研究分析有重要工程意義。

1 依托工程概況

平公山隧道全長1 006.31 m，其中暗洞長951.31 m，該隧道與已建成通車的廈深鐵路屏峰山隧道存在交叉情況，平公山隧道（DK6+299.355）與廈深線屏峰山隧道（K348+217.289）成15 °8 ′斜交，交叉影響起始里程為DK6+110，交叉影響終止里程為DK6+430，交叉影響長度共計(jì)320 m，上跨段中心里程位置的新建隧道與既有隧道凈距為16.545 m，如圖1所示。DK6+110～DK6+430交叉地段（320 m）采用電子雷管微差微振爆破施工，爆破振速不大于1.5 cm/s；在隧道DK5+902（進(jìn)口明暗交界大里程側(cè)20 m）～DK6+110（228 m）、DK6+430～DK6+793（363 m）采用控制爆破施工，爆破振速不大于3 cm/s。

圖1 既有屏峰山隧道與新建平公山隧道立體關(guān)系圖

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

在不同圍巖等級和振速控制標(biāo)準(zhǔn)下，炮孔設(shè)計(jì)和起爆網(wǎng)絡(luò)、最大單段炸藥量等均有所不同。在不同圍巖等級下可采用不同的施工方法，設(shè)計(jì)施工方法主要包括全斷面、二臺階、三臺階和二臺階三部施工方法，布孔和單段最大炸藥量如圖2～5所示。

不同施工方法下的最大單段炸藥量如表1所示。

3 數(shù)值模型建立

3.1 材料參數(shù)選取

（1）巖石材料模型。巖體材料采用*MAT_PLASTIC

_KINEMATIC模型，選取硬化參數(shù)β=0的隨動硬化，具體參數(shù)如表2所示：

表2 圍巖材料參數(shù)表

圍巖等級 ρ/（g?cm?3） E/GPa μ SIGY

Ⅲ級 2.4 13 0.25 8E-4

Ⅳ級 2.2 4.6 0.3 4.1E-4

Ⅴ級 1.8 1.6 0.35 1.6E-4

（2）炸藥材料模型。爆破炸藥為2#巖石乳化炸藥，材料為MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，能夠模擬烈性炸藥。該材料模型通過輸入質(zhì)量密度、炸藥爆速、炸藥爆壓等參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)，能夠真實(shí)模擬炸藥在不同位置不同時(shí)間的起爆。

炸藥及其狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示：

表3 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)表

ρ/（g?cm?3） D/ms A B R1

1.3 4 000 2.144 0.182E-2 4.2

R2 OMEG E0 V0 —

0.9 0.3 4.19E-2 1.0 —

（3）空氣材料模型。空氣材料采用9號MAT_NULL模型，通過*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程補(bǔ)充解釋。材料參數(shù)如表4所示：

表4 空氣材料及狀態(tài)方程參數(shù)表

ρ/（g?cm?3） C0～C3、C6 C4、C5 E0/Pa V0

1.29E-2 0 0.4 2.5E-5 1.0

（4）襯砌材料模型。襯砌材料采用*MAT_JOHNSON

_HOLMQUIST_CONCRETE模型，即JHC模型。材料參數(shù)如表5所示：

表5 襯砌參數(shù)表

襯砌 ρ/（g?cm?3） G/GPa μ Fc/MPa

初支 2.41 11.9 0.2 25

二襯 2.42 12.75 0.2 30

仰拱 2.40 10.84 0.2 20

3.2 有限元模型建立

根據(jù)圣維南原理，當(dāng)有限元模型左右寬度為隧道寬度的3～5倍時(shí)，可忽略邊界條件帶來的影響。隧道寬度為14.5 m，模型寬度方向（X方向）取110 m，高度方向（Y方向）取110 m，兩隧道位于模型中心上下兩側(cè)，兩隧道凈距為16.5 m，深度方向（Z方向）取150 m，兩隧道交叉點(diǎn)位于深度方向中點(diǎn)處。隧道四周和上下邊界為自由邊界條件。有限元模型如圖6所示：

圖6 有限元模型圖

4 不同施工方法數(shù)值模擬

調(diào)查文獻(xiàn)分析確定既有隧道振速最大點(diǎn)位于迎爆側(cè)，因此只需分析兩隧道交叉點(diǎn)處迎爆側(cè)振速，主要模擬全斷面、二臺階、三臺階和二臺階三部開挖，振速時(shí)程圖如圖7所示：

（a）全斷面及三臺階振速

（b）二臺階振速

圖7 不同施工方法振速時(shí)程圖

由圖7可知，臺階法施工時(shí)雖然爆破炸藥量有所減少，但下臺階爆破施工時(shí)爆源與既有隧道距離減小，降振效果不明顯。下臺階分兩部開挖時(shí)，振速降低量明顯。因此，可采用兩臺階三部開挖方法，降低爆破振速。

不同施工方法下兩隧道交叉點(diǎn)斷面各點(diǎn)最大主應(yīng)力如圖8所示：

圖8 不同工況環(huán)向各點(diǎn)最大主應(yīng)力圖

由圖8可知，臺階法爆破施工時(shí)下臺階最大主應(yīng)力與全斷面爆破施工最大主應(yīng)力相差不大，下臺階分部開挖可有效降低既有隧道應(yīng)力。

綜上所述，臺階法施工時(shí)下臺階爆破施工時(shí)降低既有隧道振速和應(yīng)力效果明顯，為降低新建隧道爆破施工對既有隧道影響，可采用兩臺階三部施工方法。

5 不同延時(shí)間隔數(shù)值模擬

鉆爆法施工時(shí)通常將炮孔分為掏槽孔、輔助孔、周邊孔和底板孔等不同類型，并按時(shí)間順序依次起爆不同炮孔，通過模擬延時(shí)間隔分別為0 ms、0.5 ms、1 ms、2 ms、

5 ms、10 ms、15 ms和掏槽孔單獨(dú)起爆，分析不同延時(shí)間隔下新建隧道鉆爆法開挖對既有隧道影響。如圖9和圖10所示，分別為不同延時(shí)間隔下兩隧道交叉斷面既有隧道環(huán)向各點(diǎn)的峰值振速圖和不同延時(shí)間隔的最大振速圖。

由圖9和圖10可知，隨著延時(shí)時(shí)間的增大，峰值振速先增大后減小，再增大，最后保持穩(wěn)定，峰值振速由大到小延時(shí)時(shí)間分別為0.5 ms、0 ms、1 ms、5 ms和

2 ms（5 ms以后振速與掏槽孔單獨(dú)爆破的振速值基本相同），峰值振速分別為17.4 cm/s、15.1 cm/s、10.5 cm/s、10 cm/s、9.12 cm/s。在延時(shí)間隔大于5 ms時(shí)，可避免不同炮孔振動波相互疊加造成既有隧道的振速值增大。

圖9 不同延時(shí)間隔環(huán)向各點(diǎn)峰值振速圖

圖10 不同延時(shí)間隔最大振速圖

為分析新建隧道不同延時(shí)間隔爆破施工下既有隧道的應(yīng)力響應(yīng)。如圖11和圖12所示，分別為不同延時(shí)間隔下既有隧道環(huán)向各點(diǎn)的最大主應(yīng)力及不同延時(shí)間隔的最大拉應(yīng)力。

圖11 不同延時(shí)間隔環(huán)向各點(diǎn)最大主應(yīng)力圖

圖12 不同延時(shí)間隔最大拉應(yīng)力圖

由圖11和圖12可知，最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱腰處，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注既有隧道拱腰處襯砌情況，其次為拱肩和拱頂，拱腳和仰拱處最大拉應(yīng)力較小。隨著延時(shí)時(shí)間的增大，既有隧道最大拉應(yīng)力先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)，最大拉應(yīng)力由大到小延時(shí)間隔分別為0.5 ms、0 ms、1 ms、2 ms、5 ms，應(yīng)力值分別為488 kPa、471 kPa、378 kPa、299 kPa和282 kPa。為避免不同類型炮孔爆破應(yīng)力波的疊加影響，可選取延時(shí)間隔為5 ms以上。

6 不同循環(huán)進(jìn)尺數(shù)值模擬

循環(huán)進(jìn)尺不同時(shí)爆破炸藥量也不同，對施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，為確保既有隧道的安全性和工程進(jìn)度，模擬循環(huán)進(jìn)尺分別為1 m、2 m和3 m時(shí)既有隧道的動力響應(yīng)。如圖13所示為既有隧道交叉點(diǎn)斷面拱頂?shù)恼袼贂r(shí)程圖。

圖13 控制爆破既有隧道拱頂振速時(shí)程圖

由圖13可知，循環(huán)進(jìn)尺分別為1 m、2 m和3 m時(shí)既有隧道振速值分別為2.57 cm/s、6.09 cm/s和10.4 cm/s，根據(jù)我國2014年發(fā)布的《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014），交通隧道允許振速為10～20 cm/s。由于既有高鐵隧道對振速控制要求增高，現(xiàn)將振速標(biāo)準(zhǔn)控制在10 cm/s，進(jìn)尺為1 m和2 m時(shí)振速均未超過允許振速，考慮開挖效率的情況下最佳循環(huán)進(jìn)尺為2 m。

7 結(jié)論

（1）通過分析全斷面、二臺階、三臺階、二臺階三部等施工方法，表明二臺階三分部施工方法可有效降低新建隧道施工時(shí)既有隧道的振速和應(yīng)力。

（2）不同類型炮孔延時(shí)間隔增大時(shí)，振速和應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，最后趨于平穩(wěn)。延時(shí)間隔為5 ms以上時(shí)峰值振速主要受掏槽孔爆破影響，可有效避免不同類型炮孔爆破應(yīng)力波疊加增大對既有隧道的破壞。

（3）循環(huán)進(jìn)尺不斷增大的同時(shí)，炸藥量也不斷增加，既有隧道振速增大。為確保既有隧道安全性，選取循環(huán)進(jìn)尺為2 m，振速可控制在10 cm/s以下。

參考文獻(xiàn)

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