新建引水隧洞下穿既有高速公路隧道爆破振动影响研究

丁玉仁

(平潭综合实验区交通投资集团有限公司，平潭 350400)

0 引言

基础设施建设需求的不断增加，带来了公路、铁路及水利工程隧道建设项目的高速发展， 地下空间得到了更大程度的利用。在市政、交通及水利行业工程建设大跨越式发展中，小净距平行隧道、新建隧道临近既有建筑物、新建隧道下穿侧穿既有隧道等形式的地下近接工程越来越多。采用钻爆法施工的隧道近距离穿越既有隧道时，由爆破开挖引发的既有隧道振动安全问题日益凸显， 关于近接隧道爆破施工的振动安全控制标准、 振动响应评价及爆破控制措施受到工程爆破领域学者和工程技术人员的重点关注。

近年来， 国内外学者在隧道近接开挖爆破振动影响分析方面做了很多研究。仇文革[1]系统地划分了广义地下工程近接施工的类型， 为各类近接施工影响分析提出了分析判断评价标准；龚伦等[2]结合工程监测结果，验证了数值模拟爆破分析结果的可行性， 并得出爆破施工重点监测范围；冯仲仁[3]、刘敦文等[4]研究了近接施工隧道间距和爆破装药量对爆破引起振动的影响；刘拓[5]、刘均红[6]结合引水隧洞下穿既有高速公路、铁路隧道的案例，通过数值模拟和经验公式方法， 得出引起既有隧道质点振动速度的大小分布情况及振速与爆源距离的关系； 针对交叉隧道开挖爆破振动的不利影响，陈庆[7]、于建新等[8]通过对爆破振动监测结果的回归分析， 提出了相应的爆破振动控制技术措施。隧道工程地质条件、支护结构措施影响爆破施工振动波的传播， 不同环境条件下的近接爆破施工影响会有着很大差异。

本文以平潭及闽江口水资源配置工程闽江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿福银高速公路竹岐隧道为工程背景，利用经验公式法和三维数值模拟方法开展引水隧洞下穿高速公路隧道的爆破施工影响分析， 为爆破施工控制措施提供依据， 以确保既有隧道衬砌结构的整体稳定和行车交通的安全运行。

1 工程概况

闽江竹岐-大樟溪引水线路金水湖-溪源溪隧道在闽侯县竹岐乡附近(桩号JX2+450)下穿福银高速公路竹岐隧道，交叉段总体埋深200～300m，两条隧道交叉角度为55.7°， 交叉位置福银高速公路隧洞路面高程约为54.00m，引水隧洞隧洞顶高程为19.55m，隧洞顶与高速公路路面净距34.45m，新建引水隧洞与既有高速公路隧道交叉段位置关系示意图如图1 所示。 交叉段落洞身段围岩为正长斑岩，围岩微风化-新鲜，弱风化岩石饱和抗压强度大于80MPa，属工程坚硬岩类，交叉影响段围岩岩体为Ⅲ级围岩。 该区为基岩山区，赋存的地下水较贫乏，地下水与地表水循环深度不大。

图1 新建引水隧洞与既有高速公路隧道交叉段位置关系示意图

本工程新建引水隧洞开挖洞径为5.5m，断面采用平底圆型，底宽为4m。 既有高速公路隧道为分离式双线双洞隧道， 单洞行车道宽度为2×3.75m， 水平向直径约11.6m，竖向高度约8.1m，左右洞轴距为37.62～50m。 引水隧洞及高速公路隧道断面图如图2 所示。

图2 引水隧洞及高速公路隧道断面图(单位：cm)

2 爆破安全控制标准的选取

根据国内《爆破安全规程》[9]规定，地下建筑如水工隧道、交通隧道、矿山巷道等振动判据采用保护对象所在地的质点峰值振动速度(取三个垂直分量中的最大值)。高速公路隧洞可参照交通隧道的控制标准选取， 即在爆破振动影响下，质点最大振动速度不得大于10～20cm/s。 日本《接近既有隧道施工对策指南》[10]中对健全度为A2、A1(变异程度有发展趋势) 的隧道爆破振动速度的限制值为3cm/s。

综合国内外安全规程、指南等相关规定，隧道爆破开挖采用质点的峰值振动速度来推断高速公路隧道的受害限界，结合工程实际情况，考虑到处于运营中隧道拱部锚固有电气化设施等多种部件，为了确保安全，取既有高速公路隧道的振动速度安全控制标准[V]=3cm/s，并将既有隧道振速达到1/3[V]=1cm/s 的区间作为爆破监测的范围。

3 爆破振动三维数值分析

3.1 计算模型

为了模拟引水隧洞爆破施工对既有福银高速竹岐隧道的影响，本节采用MIDAS/GTS 软件建立三维有限元模型。 计算时为减小“边界效应”[11]，模型沿高速公路隧道纵向截取160m，横向截取230m，模型左边界距公路隧道左洞轴线100m，模型上边界按隧道实际埋深取205～230m，下边界距公路隧道左洞100m，建立如图1、图3 三维计算模型，共划分单元67591 个。

图3 三维计算模型示意图

本文数值模拟采用全断面法开挖， 根据工程实际情况，由于高速公路隧道已先期通车，为分析引水隧洞爆破开挖对既有高速公路隧道产生的最大影响， 本模拟分析过程采用既有高速公路隧道已贯通， 引水隧洞已开挖至与高速公路左洞交叉点处位置， 采用1m 单循环进尺继续爆破开挖的施工过程。

根据工程经验， 模型对已经施工完成的福银高速竹岐隧道模拟其二次衬砌， 对已开挖段引水隧洞模拟其初期支护， 二者均采用板单元模拟， 并定义为弹性材料属性。对围岩和地层采用实体单元建模，隧道所在岩层采用德鲁克-普拉格本构模型， 其余岩土层采用摩尔-库伦本构模型。

模型的边界条件为： 特征值分析除地表为自由边界外，其余各边界通过曲面弹簧定义为弹性边界；爆破振动时程分析中除地表为自由边界外， 其余各边界取带阻尼弹性系数的粘弹性边界曲面弹簧。

3.2 材料计算参数选取

本次计算参数参照地勘资料和《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)选取[12]，如表1 所示。

3.3 爆破荷载

由于数值模拟的简化， 将掌子面多个药孔微差爆破产生的爆破荷载以均布压力荷载形式作用在隧道壁上， 方向垂直于洞壁。 爆破荷载采用美国National Highway Institute 里提及的公式， 即每1kg 炸药的爆破压力如下[13]：

表1 岩土层及隧道衬砌计算物理力学参数

式中：Pdet为爆破压力，kPa；Ve为炸药爆速，cm/s；ρ 为炸药比重，g/cm3；PB为孔壁面上压力，kPa；dc为火药直径；dh为孔眼直径。

实际上作用于孔壁上的动压力随时间是变化的，通常取为指数型的时间滞后函数。 根据计算经验和工程实践本报告中采用的时程动压力公式如下：

式中，B 为荷载常量。

根据式(1)～(3)，取炸药爆速为300000cm/s，炸药密度为1g/cm3，当耦合装药时，dc=dh。 本模拟过程假定引水隧洞爆破开挖最大单段装药量为10kg，炸药产生的最大爆炸压力为PB=208.91MPa，加载到峰值压力的升压时间为6ms，爆破荷载时间历程如图4 所示。

图4 爆破荷载时程函数

3.4 计算结果分析

3.4.1 引水隧洞爆破开挖对既有高速公路隧道产生的振动速度影响

为探究引水隧洞在与高速公路隧道左洞交叉点处1m 单循环进尺爆破开挖对高速隧道质点峰值振动速度的影响，选取公路隧道横断面各考察点布置如图5 所示。

由于引水隧洞在与高速公路隧道左洞交叉点处爆破开挖引起左洞的峰值振速明显大于右洞， 提取高速公路隧道左洞交叉点处横断面各考察点的水平和竖向峰值振动速度，如表2 所示。

图5 高速公路隧道横断面各考察点布置图

表2 各考察点计算峰值振动速度(cm/s)

由表2 可得， 既有高速隧道截面竖向振速峰值均大于水平振速峰值， 高速公路隧道左洞交叉点处横断面的竖向峰值振速为0.854cm/s，位于左洞隧道的底板中点位置，并沿拱脚往拱顶位置逐渐衰减，爆破施工对既有高速隧道的影响主要集中于底板位置。

为探究高速公路隧道左洞沿隧道轴线方向的振速响应， 选取沿高速公路隧道左洞轴线方向距离交叉点不同位置处(引水隧洞未开挖侧为正)的底板中点竖向峰值振动速度，如图6 所示。

由图6 可得，高速公路隧道左洞沿隧道轴线方向底板中点竖向振动速度在交叉点处达到最大，为0.854cm/s，并沿与交叉点距离的增大而逐渐衰减。

综合上述结论， 引水隧洞在与高速公路隧道左洞交叉点处1m 进尺开挖爆破施工引起既有高速公路隧道产生的质点峰值振速为0.854cm/s，位于高速公路隧道左洞交叉点处底板中点位置， 峰值振速小于监测振速安全控制标准1cm/s， 新建引水隧洞爆破施工对既有高速公路隧道产生的影响较小。

3.4.2 引水隧洞爆破开挖爆破振动影响范围

图6 公路隧道左洞距交叉点不同位置处底板中点竖向峰值振速图

图7 爆破振动速度等值面图

为了能更直观地观察引水隧洞爆破开挖振动产生的爆破振动影响范围， 提取引水隧洞交叉点处1m 进尺爆破 开 挖 引 起 振 动 速 度 为V=0.1cm/s、0.5cm/s、0.8cm/s、1.0cm/s、3.0cm/s、5.0cm/s 的振速等值面图如图7 所示。由图7 可知，随着质点振动速度的提高，等值面逐渐向引水隧洞交叉开挖点处缩小。其中爆破振速监测控制标准V=1.0cm/s 等值面的影响半径约为29.7m(5.4D)，安全振速控制标准V=3.0cm/s 等值面的影响半径约为16.2m(2.95D)，均小于两隧道之间的最小净距34.45m(6.26D)。

4 结论与建议

4.1 结论

本文结合经验公式法和三维数值模拟计算方法，对平潭及闽江口水资源配置工程闽江竹岐-大樟溪引水隧洞下穿既有福银高速公路竹岐隧道进行爆破施工影响分析，得出了以下结论：

(1)通过三维数值模拟计算方法，得出当爆破最大段装药量为10kg 时，引水隧洞在与高速公路隧道左洞交叉点处1m 进尺开挖爆破施工引起既有高速公路隧道产生的质点峰值振速为0.854cm/s，新建引水隧洞爆破施工对既有高速公路隧道产生的影响较小。

(2)三维数值模拟计算得出的引水隧洞爆破振速监测控制标准V=1cm/s 影响半径约为5.4D (D 为新建隧洞外径)， 安全振速控制标准V=3cm/s 影响半径约为2.95D，均小于两隧道之间的最小净距6.26D(34.45m)。

4.2 建议

考虑到爆破施工过程中的风险因素， 为确保既有高速公路竹岐隧道安全，提出以下建议：

(1)施工单位在正式爆破开挖前，应对引水隧洞与高速公路竹岐隧道交叉段进行爆破专项设计， 然后根据爆破专项方案进行爆破震动现场试验，根据测试结果，对高速公路竹岐隧道安全控制标准、 数值计算分析结果及参数取值的合理性进行验证。同时根据试验成果，优化爆破方案，确保高速公路竹岐隧道结构安全。

(2)爆破开挖过程中，制定完整的监测方案，确定合理的安全控制值、预警值；同时根据监测数据及时调整爆破方案，信息化、动态化施工。

(3)建议制定完善的应急预案，协调好各方面的力量保证引水隧洞爆破开挖时高速公路竹岐隧道的安全。 细化预警值、警戒值，并明确处理方案。