无中墙连拱隧道后行洞施工工法及爆破振速预测研究

李 波 赵 亮 姜成业

(云南交投集团公路建设有限公司1) 昆明 650100)(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室2) 武汉 430071)

0 引 言

基于单洞法的无中墙连拱隧道因其结构形式占地面积小、空间利用率高、不再考虑出口路基分幅等优势[2]在越来越多的地区得到应用，但因其后行洞紧邻先行洞的特殊结构形式，会造成先行洞衬砌结构开裂、漏水甚至块体掉落等病害[3]，将严重影响工程进度，甚至威胁隧道运营期安全.

针对已有连拱隧道设计及施工出现的一系列问题，已有学者做出了相应研究.在连拱隧道施工工法研究方面，李玉文等[4]结合施工安全、结构受力等各方面的对比分析结果，提出了不同类型的中墙形式并对其适用条件作出了说明；贾永刚等[5]基于采用两导洞法和三导洞法的连拱隧道施工力学行为对比分析结果，总结了两种工法的关键施工工序及注意事项；丁文其等[6]针对浅埋大跨度隧道运用有限元方法对不同的施工方法进行分析，为施工方案的优化提供了思路；时亚昕等[7]结合三维有限元模型分析结果，通过总结浅埋偏压连拱隧道中墙受力规律提出了合理中墙形式.在隧道施工爆破振动控制技术研究方面，王仁涛等[8]针对浅埋偏压隧道爆破施工对周围建筑物产生振动影响的问题，提出了减小单段最大药量，合理布置炮眼间距的爆破施工方案；王海龙等[9]为了减小隧道施工对既有隧道爆破的振动影响，结合具体工程案例提出了优化三段式爆破施工方案；闫鸿浩等[10]为了减小爆破振速，针对具体工程案例采用了配置减震孔和药孔内外微差起爆的方法，降低了施工爆破的影响.

上述研究大多是针对有中隔墙的结构形式，相比本文所提及的基于单洞法施工的无中墙连拱隧道结构形式施工工法有很大不同.文中以具体工程案例为依托，采用数值计算方法对两种后行洞施工方案进行静力学对比分析，并运用动力学分析方法对爆破施工方案下的爆破振速进行预测.

1 工程概况

某高速公路起于普洱市墨江县，全长约246 km，项目按全封闭、全立交高速公路标准建设，双向四车道，路基宽度25.5 m.该高速公路是西部开放省份打通东南亚大市场的主要交通骨干线之一.

本研究所依托工程为该高速公路建设的重要控制性工程—1号隧道工程.隧道穿越区海拔高程介于1 214.08～1 250.34 m，相对高差36.26 m，属中切割中山地貌区.根据地质调查揭露结果，隧道区内主要地层为第四系坡残积层、白垩系下统曼岗组地层.隧道围岩以碎石土、粉砂岩、石英砂岩为主，呈强～中风化，中厚层状构造，节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎石状体结构，围岩分级为Ⅳ级；岩体富水性较强，隧道开挖时可能存在较大量的滴水、渗水等现象.

2 施工工法的静力学仿真

2.1 计算模型的建立

选取1号隧道IV级围岩处一个断面进行分析研究，埋深31 m.计算边界左右侧分别取6倍洞径岩体，上部取至地面，下部取3倍洞径的岩体[11].几何模型尺寸见图1.

图1 几何模型示意图

根据现场钻孔资料获取的地层信息，将隧道周边岩土体分为3种材料，从上至下依次为：黏土、强风化粉砂岩和中风化玄武岩.网格采用六面体和五面体单元，共划分网格单元28 564个，网格模型见图2.

图2 网格模型示意图

2.2 计算方案及参数选取

基于地层结构模型，采用有限差分法开展不同工法下隧道开挖数值模拟.模拟中围岩考虑为各向同性材料，初始应力仅考虑自重应力，由于埋深相对较浅，不考虑构造应力及温度应力的影响[12].模型左右边界设置为水平约束，底部为竖直约束，顶部为自由面.计算过程中将超前支护措施通过提高洞室周边围岩参数来简化，初衬及二衬结构采用实体单元进行模拟.岩体开挖后应力释放70%，初衬施作后应力全部释放[13].数值计算结构参数见表1.

表1 数值计算物理力学参数表

2.3 不同施工工法的施工模拟步骤

本次模拟考虑后行洞两种不同的施工工法，先行洞模拟采用三台阶法而后行洞分别采用双台阶预留核心土法和CD法.左幅隧道采用三台阶法，施工步骤见图3.

图3 施工步骤示意图

2.4 数值计算成果及分析

图4为不同施工工法的隧道周边岩体位移分布图.由图4可知:两种工法下隧道洞身及围岩的位移分布规律相似，最大沉降均在后行洞洞顶位置；洞底有回弹现象，两种工法下洞底回弹量相差不大；台阶留核心土法施工相比CD法施工产生的洞顶沉降较大,为9 mm.

图4 不同施工工法的隧道周边岩体位移分布图(单位：m)

图5为隧道周边围岩塑性区分布图.由图5可知:先行洞开挖在隧道围岩的腰部及底部产生了部分塑性区；后行洞的开挖加剧了已有围岩的塑性区，并在后行洞的腰部和底部产生了塑性区；后行洞采用台阶留核心土工法施工产生的塑性区体积相比后行洞采用CD工法施工产生的塑性区体积较大.

图5 隧道周边围岩塑性区分布图

图6～7为隧道周围岩体最大和最小主应力分布云图.由图6～7可知:采用台阶留核心土法产生的最大压应力为5.6 MPa，CD法为4.4 MPa，均在拱底交接处；采用台阶留核心土法，先行洞拱底左侧有局部拉应力，最大拉应力约为 0.56 MPa，而采用CD法，先行洞拱底左侧和右侧均有局部拉应力且主要集中在右侧，最大拉应力约为0.78 MPa.

图6 隧道周围岩体最大主应力分布云图(单位：Pa)

图7 隧道周围岩体最小主应力分布云图(单位：Pa)

图8～9为隧道初衬最大和最小主应力分布云图.由图8～9可知:台阶留核心土法和CD法产生的最大压应力分别为7.61 MPa，6.43 MPa，均在拱腰搭接处；最大拉应力分别为3.56 MPa，2.06 MPa，均在先行洞支护结构拱脚处.

图9 隧道初衬最小主应力分布云图(单位：Pa)

3 施工工法的爆破振速预测

3.1 计算方案

数值模拟分为静力分析和动力分析两部分.动力分析时，去除静力分析模型的原有静力边界条件，并且施加吸收边界[14].

3.2 爆破荷载的确定

爆破荷载的波形主要有三角形函数型、指数形函数型和谐波函数型，三角形函数型是最为常用的一种荷载波形.在这种荷载波形中，认为在岩土介质中每一个质点的爆炸压缩波都将呈三角形函数荷载形式，在经过荷载峰值过后，便会急剧衰减，此后便按衰减的波型继续传播，并继续衰减直至减小到零，爆破时程曲线见图10.

图10 三角形爆破荷载加载曲线

由于爆破机理及现场影响因素的复杂性，目前常根据经验公式来计算爆破荷载峰值[15]，经验公式为

式中：pmax为爆破峰值荷载，kPa；Z为比距离；R*为荷载作用面至装药中心的距离，m；Q为装药量，kg.依据施工拟定的爆破方案计算得到爆破峰值为5.12 MPa.而对于广泛运用的三角形荷载模型，爆破荷载的加、卸载时间大多按文献[16]中所述方法计算，其中：

上升时间，

总作用时间，

根据爆破方案，上升时间t1=45 ms，总作用时间t2=553 ms.

3.3 结果分析

在隧道后行洞施工过程中，为保证先行洞结构体的安全，应当将其振动峰值速度降低在《爆破安全规程》规定的安全范围之内.对于交通隧道，规定安全振动速度应小于15 cm/s.因此，在本次计算中先行洞二次衬砌的峰值振动速度是研究的核心.通过模型中爆破荷载对后行洞的施加，可得到先行洞二次衬砌的响应结果，包括初期支护水平和竖直方向的峰值速度，并绘制出先行洞洞壁各个关键点振动速度时程曲线图.监测点分布图及速度曲线图见图11.

图11 监测点示意图

图12～13为台阶留核心土法和CD法爆破监测.

图12 台阶留核心土法爆破监测

图13 CD法爆破监测速度

由图12～13可知：中墙附近的监测点速度较大，远离中墙的监测点速度较小；由于台阶法和CD法施工工法的不同，爆破荷载作用面不一致，因此速度差异较大；在竖直方向，台阶法爆破产生的最大监测速度为5 cm/s，CD法爆破产生的最大监测速度为4 cm/s；在水平方向，台阶法爆破产生的最大监测速度为7 cm/s，CD法爆破产生的最大监测速度14 cm/s.

4 结 论

1)两种工法下隧道拱顶沉降最大处均在后行洞拱顶位置，这与地形偏压造成后行洞承受较大的围岩荷载有关，此外先行洞施工造成右侧围岩松动对此也有影响.

2)数值计算结果显示后行洞采用CD法施工相比采用双台阶预留核心土法施工围岩塑性区体积有所减小，围岩及支护结构最大压应力和最大拉应力也有所减小，说明CD法相比双台阶预留核心土法更利于施工安全.

3)采用施加爆破荷载的方法预测先行洞支护结构监测点爆破振速是可行的，结果表明两种工法下爆破振速均在相关规范规定的范围之内.