上跨既有高速铁路隧道控制爆破振动效应分析

郭甲祥

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

上跨既有高速铁路隧道控制爆破振动效应分析

郭甲祥

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

受地形条件限制以及高速铁路网络密度的加大，上跨或下穿既有高速铁路爆破施工越来越多，因既有隧道质量缺陷无法得到准确判断，爆破作业造成的潜在危险更大，对爆破需要更精准的控制。目前国内相关施工技术规范中未涉及类似近距离既有高速铁路爆破作业要求，本文针对设计提出的控制爆破要求，按照对既有铁路隧道振速不大于3 cm/s的控制指标，进行了爆破方案设计，确定了爆破参数，并对爆破振动效应进行了数值模拟计算，对爆破振动波速及影响进行了评价，得出了爆破影响可控制在允许范围的结论，为顺利实施爆破作业提供了技术依据。

铁路隧道 上跨高速铁路 控制爆破 振动效应 振速

1 工程概况

新建福平铁路鼓山隧道穿越福州市鼓山，起讫里程DK5+095～DK13+294，全长8 199 m，设计为单洞双线隧道，隧道洞身于DK12+189处上跨既有温福铁路联络线鼓山1#隧道，夹角57°，垂直净间距约28.87 m。既有温福高铁联络线鼓山1#隧道全长2550m，隧道围岩级别为Ⅱ，二次衬砌采用C25素混凝土，厚度25 cm。新建福平铁路鼓山隧道与上跨既有温福高铁鼓山1#隧道交叉点前后100m范围设计要求采用控制爆破技术，且必须在天窗时间内完成，对既有高速铁路隧道造成振速不得超过3cm/s。既有高速铁路运营安全必须保证，不能出现任何影响运营安全的问题，本文针该隧道的实际情况，对鼓山隧道进行了爆破方案设计，并通过数值模拟计算考察了爆破振动效应，为工程顺利实施提供了技术保证。

2 爆破方案设计

隧道洞身以Ⅱ级围岩为主，根据爆破区域周边环境、地质条件、以及为确保邻近既有铁路运营安全，采用微差控制爆破技术。

在上跨交叉点处（DK12+189）前后40 m范围内，采用三台阶法爆破开挖，每循环进尺1.0 m，钻孔直径40mm，炸药单耗0.9kg/m3，爆破规模控制在总装药量34.2 kg以内，最大单响药量控制在3.15 kg以内；距离上跨交叉点前后40~50 m范围，采用全断面法爆破开挖，每循环进尺2.0 m，钻孔直径40 mm，炸药单耗1.1 kg/m3，爆破规模控制在总装药量199.5 kg以内，最大单响药量控制在13.65kg以内；距离上跨交叉点大于50 m地段，采用全断面法爆破开挖，每循环进尺3.0m，爆破规模控制在总装药量298.21 kg以内，最大单响药量控制在39.38以内；且在爆破振动速度安全允许范围内，进尺、孔网参数及爆破规模、最大单响药量可随着与既有鼓山1#隧道距离增加进行适当调整。

上跨交叉点三台阶法的炮孔布置详见图1。孔网参数与装药量详见表1～表3。

图1 上跨交叉点三台阶法炮孔布置示意图

表1 上跨交叉点三台阶法上台阶爆破参数表

图2 距离交叉点40～50m全断面法炮孔布置示意图

表2 上跨交叉点三台阶法中台阶爆破参数表

表3 上跨交叉点隧道三台阶法下台阶爆破参数表

距离上跨交叉点40~50 m全断面法开挖炮孔布置详见图2。孔网参数与装药量详见表4。

表4 距离交叉点40～50 m全断面法爆破参数表

3 爆破振动速度的简化计算方法

爆破振动速度可按下式计算：

式中：R 为爆源至保护建筑的距离，单位：m；Q 为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位：kg；V 为保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位：cm/s；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按《爆破安全规程》选取，或通过现场试验确定。本文隧道洞身Ⅱ级级围岩取K=150、取α=1.5；其余取K=250、取α=1.8。

根据本文方案确定的参数，按式（1）计算的爆破振动速度如表5所示，可见，爆破振动速度均小于设计提供的控制值3 cm/s。表明简化计算法得到的结果是安全的。

表5 爆破振动速度计算值

4 爆破振动效应数值模拟

4.1 计算模型

采用三维计算模型。在三维建模时，将既有铁路隧道纵向作为z 轴，且z 轴经过隧道拱心；y 轴垂直地表。模型各边界设置为无反射边界，隧道已开挖区设为自由边界。开挖隧道下面是既有铁路隧道，计算采用SOLID164三维实体单元。

4.2 岩体力学物理指标

计算中围岩及衬砌的物理力学参数详见表6。

表6 围岩及混凝土物理力学参数

4.3 爆破荷载

根据爆破对岩体的破坏和影响的不同，爆破作用范围可分为近区、中区和远区。爆破作用近区为岩石粉碎区，爆破作用中区岩体往往产生裂隙破坏，爆破作用远区岩体只发生弹性振动。对于集中装药或单孔柱状装药，采用波动理论，可以近似计算爆破在炮孔壁上的初始峰值应力，进而对爆破振动进行计算。在隧道掘进爆破过程中，一般是分布在一定空间内的多孔装药起爆，任意一处由爆破产生的应力是多个应力波叠加的结果，目前还没有一种理论方法能较为准确地计算多孔装药起爆在某处产生的应力。

根据隧道施工成型的要求，在爆破过程中，应保证隧道围岩不受破坏，此时围岩处于弹性振动状态，因而在建立隧道掘进爆破的振动模型时，可作如下简化假设：（1）爆破振动荷载以均布压力荷载形式作用在隧道周壁，作用方向为法线方向；（2）隧道周壁处于爆破作用远区，隧道周壁的爆破振动荷载不会造成围岩破坏；（3）爆破振动荷载简化为三角形荷载。通过试算确定爆破荷载峰值。

在数值模拟中采取试算的方法来确定瑞利阻尼参数，其具体做法是将试算结果和现场部分实测的有关资料进行比较，然后根据比较结果逐渐调整参数值，最终确定较为合适的瑞利阻尼参数。经试算，瑞利常数取α=0.4，β=0.0003。

4.4 新建隧道爆破作业对既有温福铁路联络线鼓山1#隧道影响

4.4.1 开挖掌子面位于隧道交叉点

由于开挖隧道下面是既有铁路隧道，两者夹角为57°，最小距离为28.87 m，因此，交叉处既有铁路隧道断面衬砌质点振动与应力变化情况是考察的重点。在开挖掌子面位于隧道交叉点采用三台阶法施工，按爆破施工方案，爆破进尺为1.1 m，最大单响药量3.15 kg，底孔单响药量为2.7 kg。

根据爆破应力波的传播原理，应力波在介质中传播主要是体波，在自由面处才形成面波。这里计算得到隧道拱顶质点垂直振速最大，最大峰值为1.9 cm/s，水平向振速很小，Vx峰值为0.3 cm/s，Vz峰值为0.7 cm/s，由此可见，到达既有隧道拱顶的应力波主要是纵波，最大振速小于设计要求的3 cm/s，可见，在开挖掌子面位于隧道交叉点附近采用三台阶法的爆破施工方案满足安全要求。

4.4.2 开挖掌子面距离隧道交叉点50 m

在开挖掌子面位于隧道交叉点50 m时，Ⅱ类围岩，采用全断面施工，按爆破施工方案，通过计算得到典型质点振速。计算得到隧道上部质点垂直振速最大，最大峰值为1.8 cm/s， Vx峰值为0.7 cm/s，Vz峰值为1.5 cm/s。最大振速小于设计要求的3 cm/s，可见，在开挖掌子面距离隧道交叉点50 m附近采用全断面法施工能满足安全要求。

5 结语

高速铁路的运营安全是铁路管理工作的重中之中，既有高速铁路的病害无法得到全面的掌握，铁路管理单位对邻近既有高速铁路爆破施工没有规范可以参考，再加上高速铁路列车密度非常大，间隔时间有限，邻近既有高速铁路爆破施工安全要求极其严格。本文通过对爆破方案的数值模拟计算，以及结合现场情况的实施效果进行调整，经过一年多的控制爆破，探索出了一套适应对邻近既有高速铁路控制爆破的技术和管理经验，可为今后完善规范要求和邻近高速铁路爆破施工提供参考。

[1]《爆破安全规程》（GB6722-2011）

[2]《民用爆炸物品安全管理条例》（国务院令第466号）

[3]《爆破作业项目管理要求》（公安部GA991-2012）

[4]《铁路营业线施工安全管理办法》（铁运［2012］280号）

Analysis of Controlled Blasting Vibration Effect When Constructing above the Existing High-Speed Railway Tunnels

GUO Jia-xiang
(China Railway 18thBureau Group Tianjin 300222 China)

Restricted by the terrain conditions and the increasing density of the high-speed railway network, more and more blasting constructions go above or beneath the existing high-speed railways. Because the quality defects in the existing tunnels cannot be accurately judged, the potential danger from blasting becomes bigger, which requires more precise control of blasting. Since the technical specifications of domestic construction have no workplace requirements for blasting close to existing high-speed railways, this thesis puts forward requirements on controlled blasting according to the design, set the blasting parameters for vibration velocity is less than 3 cm/s. It also designs the blasting scheme, and makes numerically simulation of the velocity for the effect of blasting vibration and evaluates the influence of blasting vibration, which obtains the conclusion that influence of blasting can be controlled within the allowable range, providing the technical basis for the smooth implementation of the blasting operation.

railway tunnel constructing above high-speed railway vibration effect vibration

A

1673-1816(2016)04-0051-06

2016-04-12

郭甲祥（1980-），男，工程师，研究方向工程实践。

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