爆破施工对小净距隧道的影响性分析

赵文斌

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

0 引言

随着我国高速公路网的不断完善及西部大开发战略的不断实施，高速公路逐步向崇山峻岭地区迈进，其面临的地形地貌、地质条件越来越复杂。传统的分离式隧道经常受到特殊地形地貌、不良地质条件、路线走向及工程造价等因素的限制而不能达到较好的效果。在此情况下，小净距隧道应运而生，其修建规模、数量也越来越大。

在小净距隧道施工中，目前常用的仍然是基于新奥法理论的钻爆法，但由于小净距隧道中岩柱厚度较小，后行洞在爆破开挖施工过程中对先行洞的围岩及支护结构的稳定性影响较大。若控制措施不当，极易造成围岩失稳、支护结构开裂、局部掉块、塌方等病害，造成较大的经济损失。目前，学者们针对爆破施工条件下小净距隧道的力学特性、灾害防治等方面已开展了大量的研究工作。姚勇[1]等人利用数值模拟手段研究了不同支护体系、中岩柱加固措施、施工方法情况下，后行洞爆破开挖对先行洞的影响；何本国[2]等人利用现场试验手段分析了先行洞支护结构在不同爆破形式作用下振动波传播及分布规律；林从谋[3]等人利用数值模拟手段研究了中岩柱和先行洞支护结构的质点振动速度随时间的变化规律；朱东兴[4]利用三维动力有限差分程序，研究了后行洞爆破施工情况下先行洞支护结构的振动速度、应力状态变化情况。本文依托某高速公路小净距隧道的工程案例，利用现场测试手段分析不同工况下后行洞爆破开挖对先行洞的振动速度；并利用数值模拟手段分析先行洞围岩振动速度-时间关系曲线，从而为考虑爆破施工影响的小净距隧道的设计施工提供技术支撑。

1 工程概况

某高速公路全长73.7 km，其穿越山岭重丘区，在路线整体设计过程中，为提高线路整体的布线自由度，同时考虑环境保护、工程造价等因素，全线共设计了11座小净距隧道。其中，SB型（净距8 m以下）小净距隧道共计3座，SC型（净距8～10 m）小净距隧道共计4座，SD型（净距10 m以上）小净距隧道共计4座。

由于该高速公路所在山岭重丘区的地质、地形条件较为复杂，小净距隧道较多，为深入研究爆破施工对小净距隧道围岩的影响程度，本文选取某典型小净距隧道作为研究对象，其隧址区表面分布有残坡积含黏性土碎石，灰黄色，呈疏松状，其中碎石呈棱角状；其下为黏性土层，厚度为2～3.2 m；下伏基岩为泥岩，主要为全风化泥岩、强风化泥岩，其围岩类型以Ⅴ级为主，围岩性质整体较差。

2 现场试验研究

2.1 爆破振动现场试验方案

某小净距隧道先、后行洞均采用侧壁导坑法进行施工，在其钻孔爆破施工过程中采用斜眼掏槽法。在开挖轮廓线内50 cm范围内，炮眼间距为25 cm，其余部位炮眼间距40 cm，炮眼深度均为0.8 m。为保证每段爆破时差小于10 ms，采用13段非电毫秒雷管进行起爆，每个炮眼装药量约为0.15 kg。炮眼具体分布情况如图1所示。

图1 开挖断面炮眼布设位置（单位：cm）

为准确测取后行洞爆破施工对先行洞的影响，本试验选取4个爆破监测点，其布设在开挖断面对应的可能出现最大振速的位置。根据现有理论可知，后行洞爆破振动对先行洞影响最大部位在迎爆面的边墙及拱顶部位；同时，由于后行洞掌子面后方中岩柱两侧均为临空面，爆破施工对先行洞后方中岩柱的影响力度大于前方中岩柱。鉴于此，爆破振动监测点主要布设在爆破面对应的先行洞后方中岩柱迎爆侧边墙部位，其布设位置情况如图2所示，现场具体情况如图3所示。

图2 爆破测点布设位置（单位：m）

图3 爆破测点现场布设情况

2.2 爆破振动测试方法

本试验采用TC-4850型爆破振动测试仪，其配备X、Y、Z三向加速度传感器，配套软件支持矢量合成。该测振仪具有16位高精度AD分辨率，在振速为0.001～35.4 cm/s范围内其精度可达1/65 000 F.S.，其量程能够满足本试验的爆破振动速度。该测振仪配备的拾振器可将爆破振动信号转换为电信号，并传输到数据采集系统，最终以振动波的形式显示出来。拾振器可采用石膏固定在先行洞的边墙部位，现场具体情况如图4所示。

图4 拾振器安装示意图

2.3 现场试验结果

针对该隧道开展爆破振动现场试验，选取典型监测点P3作为重点分析对象，其X、Y、Z三个方向监测数据如图5所示，监测点P1、P2、P3的X方向监测数据如图6所示。

图5 监测点P3三向振速-时间曲线

由图5可以看出，X方向（隧道横断面内水平方向）振动速度明显大于Y方向（隧道横断面内竖直方向）和Z方向（隧道轴线方向）的振动速度。此原因在于沿X方向传播的波属于纵波，在相同条件下，纵波的波速要远大于横波的波速。

图6 监测点P1、P2、P3的X方向振速-时间曲线

由图6可以看出，P2监测点X方向的振动速度值最大。此原因在于，掌子面后方中岩柱两侧均为临空面，该处波速较大，且后行洞爆破施工时对先行洞对应断面后方的中岩柱振动影响较大。

3 有限元数值模拟研究

3.1 爆破荷载的确定

在数值模拟过程中，爆破荷载参数极为重要，其主要包括荷载值、作用位置、方向、时间等因素。为便于数值模拟分析，先假设爆破荷载以均布荷载形式作用在隧道边墙上；爆破荷载加载至峰值所需时间为10 ms，卸载至零所需时间为100 ms。

在相同条件下（炸药类型、药量），不同岩性中爆破施工时，作用在隧道边墙的爆破荷载值不同，围岩完整性及强度越高，压力越大；反之，围岩性质越差，压力越小。根据《工程爆破使用手册》中的相关规定，可得出Ⅴ级围岩的爆破荷载曲线，具体情况如图7所示。

图7 Ⅴ级围岩的爆破荷载曲线

3.2 数值分析模型

根据依托工程的实际情况，选取左洞为先行洞，其在开挖完成后施做初期支护结构；右洞为后行洞，其采用上下台阶法开挖，上台阶开挖已完成，正采用爆破开挖法施做下台阶，确定其爆破荷载参数后，利用有限元软件进行建模分析，其模型网格划分情况如图8所示。

图8 爆破分析模型网格划分

在有限元数值模拟分析过程中，为保证其模拟结果与现场试验结果具有对比性，选取与现场试验相同的施工步序及爆破阶段，提取整个监测过程中X、Y方向的振动速度数据，具体情况如图9、图10所示。

图9 X方向振动速度-时间关系曲线

图10 Y方向振动速度-时间关系曲线

由图9、图10可以看出，数值模拟结果中X方向的振动速度最大值达到了27.2 cm/s，Y方向振动速度最大值达到25.8 cm/s。在上述现场试验中，所测得的P3监测点的X方向振动速度最大值为26.3 cm/s，Y方向振动速度最大值为23.6 cm/s，其监测结果与模拟结果基本吻合。可见，后行洞爆破施工过程中对先行洞围岩X方向的振动影响程度大于Y方向的振动影响。因此，在小净距隧道设计与施工过程中应加强对中岩柱纵向的加固措施。

4 结论

本文依托某高速公路小净距隧道，针对爆破施工条件下后行洞施工对先行洞围岩及中岩柱的影响，开展了现场爆破试验，在此基础上进行了数值模拟研究，从而利用现场试验与数值模拟结果进行综合分析，得出以下几点结论：

a）由于相同条件下，纵波的波速要远大于横波的波速，因此所有监测点X方向振动速度明显大于Y方向和Z方向的振动速度。

b）由于掌子面后方中岩柱两侧均为临空面，该处波速较大，且后行洞爆破施工时对先行洞对应断面后方的中岩柱振动影响较大，因此P2监测点X方向的振动速度值最大。

c）数值模拟结果与现场监测结果基本吻合，经综合分析后可知，后行洞爆破施工过程中对先行洞围岩X方向的振动影响程度大于Y方向的振动影响。因此，在小净距隧道设计与施工过程中应加强对中岩柱纵向的加固措施。