青岛海底隧道导洞扩挖法导洞位置比选研究★

许 建 张晓强

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063; 2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着我国基础设施建设步伐的加快、设计理念的转变及技术装备水平的提高，长大隧道(洞)在公路、铁路、水利工程设计中所占比例越来越大，高速铁路、双线铁路、大跨公路隧道越来越多，这些隧道横断面较大甚至超大，独头掘进长度也不断增加[1-3]。如何实现长大隧道的安全、投资、工期及其风险控制，已成为隧道工程设计、施工和施工组织技术所需研究的关键问题之一。长大隧道的施工组织方案及其成效，对长大隧道施工各方面的成败起着决定性的作用。

1 工程概况

青岛第二条海底隧道穿越胶州湾，初步计划黄岛端接疏港高速，青岛端在海泊河入海口附近登陆，全长15.8 km，双向六车道标准，设计车速80 km/h。第二海底隧道定位为以通行客车为主，兼顾货运的跨海通道。胶州湾是一个深入内陆半封闭性的海湾，湾内水域阔，四周多山丘，岸线曲折，地形复杂，水深变化较大，胶州湾最大水深64 m。隧道轴线最大水深42 m，平均水深15 m。隧道沿线地质条件如图1所示。K8+020～K12+700段，约4.7 km，隧道围岩为燕山期花岗岩为主，岩质坚硬，中微风化岩石埋深浅，以Ⅱ级、Ⅲ级为主。K12+700～K18+000段，约5.3 km，为白垩纪沉积岩含砾砂岩、砾岩为主，泥质胶结，岩质极软～较软，隧道围岩以Ⅳ级、Ⅴ级为主。

经过方案比选，隧道施工推荐方案为浅埋方案。

2 开挖方案设计

2.1 导洞法开挖爆破设计

为降低爆破振动对地表建筑的影响，提高施工效率，隧道采用φ4.5 m TBM导洞扩挖法施工。根据爆破参数的选取原则和爆破开挖断面形式，确定导洞扩挖法基本爆破参数设计如表1所示。

2.2 导洞位置方案

表1 爆破参数设计表

海底隧道导洞扩挖法导洞位置的选择受到很多因素的影响，各因素对导洞位置的选择都会产生影响[4]。本文选取不同导洞位置对既有建筑物影响进行研究，设计了三种不同导洞位置，导洞位于正中上部(方案一)、导洞位于正中部(方案二)、导洞位于正中下部(方案三)。采用ANSYS-LSDYNA有限元分析软件，模拟导洞开挖已完成，实施全断面爆破开挖的过程。结合工程要求，对比分析三种方案，比选出一种既满足开挖掘进要求，同时对地表建筑物影响最小的方案，该方案下导洞所处的位置，也是我们所寻找的最优导洞位置。

3 开挖爆破动力响应数值模拟

3.1 数值模拟模型及参数设定

模型材料由岩石、炸药、堵塞、房屋建筑和空气5个部分组成，均选用实体单元Solid164进行网格划分。其中岩石采用拉格朗日网格建模，炸药和空气2种材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法。为了模拟无限大岩体，模型的外边界均采用无反射边界条件。同时为了保证分析过程中，欧拉单元与拉格朗日单元能始终耦合，建模过程中欧拉单元部分区域与拉格朗日单元重合[5]。

根据爆破设计方案，分别选取三种方案中最大单段药量段作为研究工况。模型孔深为3 m，炮孔直径为47 mm，装药直径为32 mm，装药深度为2.5 m，堵塞0.5 m，装药使用2号岩石乳化炸药。辅助孔采用连续装药结构，起爆位置设置在炸药中心处。根据隧道埋设路线地表重点保护小高层建筑物位置，隧道埋深30 m，上覆围岩取至地表30 m，下覆围岩边界取为3倍洞高；爆破对3倍～5倍洞径区域影响较为明显，故取模型宽度为90 m；模型沿隧道进尺方向取63 m；地表小高层三维尺寸X×Y×Z为15 m×20 m×30 m。模型中已开挖隧道填充为空气。模型采用自带LS-DYNA Solver进行求解运算，使用LS-PREPOST软件进行后处理。数值模拟中所有参数均统一使用cm-g-μs单位制。三维有限元模型如图2所示。三种方案对应导洞位置细节如图3所示。

3.2 计算方案

爆破过程是一个高速复杂的过程，衬砌拆除爆破的效果受到衬砌材料性质、岩石性质和节理等因素的影响，无法将所有因素全部考虑进去，而只能考虑影响爆破效果的主要因素，简化一些次要因素，故模拟中做了如下假设：

1)研究所涉及的衬砌、岩石及炸药等材料均为连续且各向同性介质；

2)整个爆炸过程为绝热过程，不考虑热力学参量的影响；

3)不考虑岩石中裂隙的影响。由于涉及两种以上物质，数值模拟采用多物质材料与拉格朗日结构耦合算法，该算法不需要定义各部分结构间复杂的接触关系，虽然网格数量巨大、求解时间长，但计算较稳定。

3.3 有限元模拟结果

选取隧道走向方向建筑近爆源侧进行监侧点布置，测点沿隧道掘进方向依次编号为A号～K号。监测点位置示意图如图4所示。

根据三种不同导洞位置隧道开挖数值模拟结果，提取A号～K号监测点峰值合成振动速度，绘制结果见表2。

由表2建筑物质点峰值合成振动速度分布可绘制图5。

表2 不同导洞位置下隧道爆破开挖方向建筑物质点峰值合成振动速度 cm/s

4 导洞位置方案比选

通过表2我们可以发现：随着导洞位置朝正中下部移动，建筑物质点峰值合成振动速度也随之增大；导洞位于正中下部引起建筑物质点峰值合成振动速度是最大的，也是减震最不利的一种形式。

由图5可以看出，导洞位于正中上部爆破开挖引起建筑物质点合成峰值振动速度明显小于导洞位于正中位置及导洞位于正中下部，减震效果较原设计而言也得到了进一步的优化。即导洞位于正中上部这种情况是3种工况中减震效果最好的，采用导洞位于正中上部这种爆破开挖方案将对地表建筑物的影响最小。

5 结语

以不同导洞位置开挖爆破对地表建筑影响作为导洞位置的选取标准，选择一种对地表建筑影响最小的导洞布置方案，得出以下结论：

1)三个方案中，导洞位置在正中上部比其他方案中监测点峰值合成振动速度小；

2)建筑物上监测点位置在爆破截面上的峰值合成振动速度最大，随着远离爆破截面振速减小；

3)随着导洞位置下移，建筑物上监测点峰值合成振动速度随之增大。

由于海底隧道导洞扩挖法导洞位置的选择受到很多因素的影响，各因素对导洞位置的选择都会产生影响。本文仅以导洞位置不同对地表建筑影响不同这一因素作为导洞选取标准，选择一种对地表建筑影响最小的导洞布置方案。即导洞位于正中上部的隧道开挖方案，但是具体工程施工导洞位置的设计应该综合考虑多方面的因素，综合选取。