特大水工隧洞下穿交通隧洞质点振速控制研究

高岩堂，李有才，李少辉，李通拉嘎

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122）

0 引言

二十世纪九十年代以来,随着国家经济的持续高速发展,交通与其他基础设施建设也得到蓬勃发展,平行、交叉隧道工程增多。当两条隧道距离比较小时,开挖爆破产生振动的影响和新奥法支护必然引起围岩应力重分布,新建交通隧道在施工时有可能导致既有隧道围岩与衬砌结构产生变形甚至损坏[1-3]。可见,控制隧道爆破引起的振动对保证顺利施工和既有隧道的安全而言十分必要。

随着社会及城市的发展,尤其在东南沿海地区经济发达,为了满足生产生活需要,水利工程逐渐增多。在平面和立体布置上,新建水工隧洞与已有的轨道交通、公路、铁路、矿山等隧洞近距离并行或立体上交叉等问题不可避免,两者之间的矛盾也日益凸显[4]。

华东院承建的阮家洋溪分洪隧洞（下穿应急段）穿越三条交通隧洞,本文对施工过程中如何有效控制质点振速开展研究。

1 工程背景

1.1 工程概述

临海市阮家洋溪分洪工程（下穿段）项目,主要包括下穿应急段分洪隧洞和其施工支洞,见图1。下穿段分洪隧洞过流断面为城门洞型,开挖最大断面尺寸为16.4 m×16.4 m（宽×高）,长500 m,为浙江省在建开挖断面最大的水工隧洞；为了施工应急段而设的施工支洞,断面为城门洞型,断面尺寸为6 m×5 m（宽×高）,长度为424 m。

图1 阮家洋溪分洪工程下穿段平面布置图

分洪隧洞段主要为流纹质角砾熔结凝灰岩,青灰色夹肉红色,岩质坚硬致密,抗风化能力强,洞室围岩多为微新岩体,岩体较完整,呈次块状、块状结构为主,局部镶嵌结构或碎裂结构,围岩以Ⅱ~Ⅲ为主,断层破碎带围岩为Ⅳ类。

本隧洞从已运行的台金高速长石隧道和正在建设的金台铁路官园隧道下穿布置,隧洞和长石隧道、官园隧道之间岩体净距分别为24.6 m、30 m,见图2。特大断面下穿隧洞开挖爆破对上述隧道的影响是台金高速管理处、金台铁路公司、水利部门、设计、监理、施工等各方关注重点。

分洪隧洞施工期的开挖爆破控制在要求标准之内,不能影响长石隧道和官园隧道的长期运行。

1.2 质点振速控制难题

施工期对既有隧道位移、爆破振动振速、衬砌开裂等监控指标要求高,需兼顾洞室开挖对已建铁路、公路隧道的影响,尤其是对于爆破振动的监测,要按照要求提前布好监测点,及时整理分析监测数据,为爆破参数的适时调整提供依据。

《爆破安全规程》（GB 6722-2014）[5]及《水电水利工程爆破施工技术规范》（DL/T 5135-2013）[6]对于水工隧洞开挖爆破质点振速的允许值是10 cm/s~15 cm/s,但是台金高速管理处要求长石隧道的最大质点振速不超过6 cm/s、金台铁路公司要求官园隧洞的最大质点振速不超过4 cm/s。

2 质点振速数值模拟

2.1 质点振速计算公式

根据《爆破安全规程》（GB 6722-2014）第13.2.4条款[5],爆破振动安全距离如下式：

反推安全距离内爆破质点振度如下式：

式中：R为爆破振动安全距离,m；V为保护对象所在地安全允许质点振速,cm/s；Q为炸药量,齐发爆破时取总装药量,分段起爆时取最大段装药量,kg；K、a为与爆破点地形、地质等条件有关的地质系数和地震波衰减指数。

长石隧道与分洪隧洞最小垂直距离24.6 m,官园隧洞与分洪隧洞最小垂直距离30 m,R分别取值24.6 m、30 m；根据分洪隧洞爆破采用分段起爆,单响最大药量为20.8 kg,Q取值20.8 kg；对分洪隧洞地形、地质等条件分析,根据《爆破安全规程》（GB 6722-2014）,K 取值200、a取值1.7。

2.2 质点振速数值模拟计算

分洪隧洞与长石隧道,采用MIDAS有限元计算软件进行建模,网格划分采用四面体单元进行自动划分,共有200057个单元,43082 个网格节点,计算模型见图3。根据设计最大单响药量进行爆破质点振度计算,长石隧道内最大质点振速发生在底板部位,最大值为5.93 cm/s。

图3 分洪隧洞和长石隧洞整体计算模型示意图

分洪隧洞与官园隧道,采用MIDAS-GTS有限元计算软件进行建模,网格划分采用四面体单元进行自动划分,共有150308 个单元,40797 个网格节点,计算模型见图4。根据设计最大单响药量进行爆破质点振度计算,官园隧道内最大质点振速发生在底板部位,最大值为3.31 cm/s。

图4 分洪隧洞和官园隧洞整体计算模型示意图

3 爆破设计及优化

3.1 爆破设计

分洪隧洞与长石隧道及金台铁路官园隧道段开挖尺寸为16.4 m×16.4 m,分上、中、下三层钻爆法施工。上层采用中导洞先行、两侧扩挖跟进的光面爆破施工顺序,采用YT-28风动凿岩机钻孔；中、下层开挖采用各分左右半幅落底的施工顺序开挖,见图5。

图5 分洪隧洞应急段开挖步骤图

对长石隧道和官园隧洞振动影响,主要是在上层中导洞的开挖过程中,故分洪隧洞开挖的重难点在上层中导洞的爆破设计。根据以往施工经验及数值模拟计算数据,上层中导洞爆破设计见图6。

图6 上层中导洞爆破设计图

爆破设计主要参数如下：总孔数154 个、最大单响药量24.0 kg（Ms7 段位主爆孔）、总装药量125.7 kg、爆破设计方量129.4 m3、炸药单耗量0.971 kg/m3。

3.2 爆破试验

2019 年1 月20 日,阮家洋溪分洪隧道下游段根据爆破设计进行生产性试验。爆破施工掌子面里程为K1+684.359,与长石隧道最近水平距离为32 m。本阶段爆破振速监测最大点为台向BC3,最大振速值为3.150 cm/s,实测最大振速在安评报告（＜6.0 cm/s）的控制范围之内。

台向BC3 点的最大振速发生在Ms7 段位的炸药爆破时,振动波形图见图7。

图7 台向BC3点的最大振速波形图

3.3 爆破设计优化

鉴于生产性试验的质点振速小于允许质点振速（6 cm/s）,于是对爆破设计进行优化,减少钻孔数量、适量提高单响药量,长石隧道影响段的爆破优化见图8。

图8 上层中导洞爆破优化图

爆破设计进行优化后的主要参数如下：总孔数140个、最大单响药量22.4 kg（Ms3 段位掏槽孔）、总装药量129.0 kg、爆破设计方量129.4 m3、炸药单耗量0.997 kg/m3。

与长石隧道最近水平距离为20 m时,按照优化的参数进行爆破开挖,爆破振速监测最大点仍为台向BC3,最大振速值为4.892 cm/s（发生在Ms3段位掏槽孔的炸药爆破）,振动波形图见图9。

图9 优化后台向BC3点的最大振速波形图

3.4 官园隧道下穿爆破

由于官园隧道最大质点振速允许值为4 cm/s,下穿官园隧道正下方时仍采用原爆破设计,进尺控制在2 m左右。

4 结语

在中导洞开挖过程中,最大质点振速发生在第二序位掏槽孔的爆破过程时,这与已有研究相一致。为了提高爆破效果,可以适当提升中间段位主爆孔的单响药量。

通过对东南沿海地区凝灰岩地质特大断面隧洞钻爆法施工对垂直交叉公路、铁路隧道结构影响研究分析,为东南沿海地区隧洞工程的承接做好相应技术储备,为今后下穿隧洞和隧道工程项目的承接打下基础,进而扩大到全国、走出国门,对华东院的转型发展具有重要意义。