新建隧道爆破施工对临近既有隧道的稳定性影响分析

李 广 伟

(中国铁路设计集团有限公司 总包事业部，天津 300308)

随着我国铁路建设的快速发展，隧道建设也日益增多，新建隧道无法避免地与既有隧道发生近距离交叉和并行的现象[1-3]。本研究基于新建阳明山隧道，该新建隧道邻近既有赣瑞龙铁路阳明山隧道，新建隧道与既有隧道的相对位置如图1所示。

图1 新建阳明山隧道与贛瑞龙铁路阳明山隧道位置

张如[4]和刘明高[5]对隧道爆破振动与断层破碎带的衰减规律进行了研究，提出了保证既有建筑物安全和新建隧道的工程效率，是隧道爆破施工中的主要矛盾之一。梁荣柱等[6]和李磊[7]提出了新建隧道近距离上穿施工会改变地层既有平衡应力场，引起地层应力释放，导致下卧隧道产生纵向隆起变形。白海卫等[8-9]推导出了既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影响而产生的纵向沉降曲线表达式。李凯梁[10]、方辉成[11]、胥俊玮[12]和汪洋等[13]采用三维有限差分法构建了新建隧道正交下穿既有隧道的三维数值模型。黄德中等[14]和张琼方[15]探讨了新建隧道正交下穿施工对地表沉降及既有隧道衬砌结构的影响，得出了地表横向、纵向沉降规律以及既有隧道衬砌结构变形和内力的变化规律，但缺少对并行工况的分析。费鸿禄等[16]和赵丰等[17]对隧道振动响应进行了数值模拟预测，但缺少现场监测佐证模拟结果。柏谦等[18]和卢钦武等[19]依托南岭隧道改扩建工程，将数值结果与监测数据进行对比分析，提出了扩建隧道围岩破坏的滑裂面位置的确定方法，但研究对象较为单一。

在隧道工程中，平行近接、交叉是当下亟待解决的一类问题。鲁啸龙等[20]和张丽娟[21]以既有分离式隧道为研究对象，采用了全过程施工模拟的方式，在静力和动力两方面对既有隧道受到的影响进行了研究。新建复线隧道与既有隧道的净间距一般都较小，近距离爆破会对既有隧道衬砌安全性产生很大的影响，需采用相应的措施来减小爆破振动对既有隧道衬砌的扰动[22-29]，针对新建隧道上跨既有隧道的特殊工况，求得了最大主应力所在的位置和振动波形。邵东辉等[30]和李钰玺[31]将实际监测结果与模拟结果的振动波形进行了对比，并分析振动峰值和频率特征。王睿等[32]、张永杰[33]、石伟民等[34]和袁良远等[35]通过现场监测关键质点的爆破振动速度，研究了爆破振动对临近既有隧道的影响范围，但仅使用现场监测方法进行研究。

由此可见，目前针对此类问题的研究方法主要为数值模拟，且研究对象较为单一，主要为隧道上跨工况。基于ANSYS/LS-DYNA有限元的动力学模型和现场监测的方法，对爆破施工时上跨和并行两种工况下既有隧道的稳定性进行研究。通过萨道夫斯基经验公式精确控制爆炸当量，采用孔内微差法布设起爆点位和光面爆破法，对新建隧道爆破施工对临近既有隧道的稳定性影响进行分析。

1 现场实测

1.1 爆破施工

该工程采用光面爆破法[36]，图2给出了孔内微差起爆点位的网络示意图，该方法不但控制同段起爆的最大药量，还能有效地控制每段雷管的起爆时间，使得爆破产生的振动波不被叠加。

图2 孔内微差起爆点位网络图

炸药消耗量与断面大小、岩石硬度和完整性、孔深以及炸药性能等因素有关[36]。由萨道夫斯基经验公式[37]可得最大装药量所对应的最大安全允许速度：

(1)

式中：R为爆破地点至被保护对象的距离,m；Q为炸药量,kg；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度,cm/s；K、α为与爆破点至被保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，该段为软岩石K取300，α取1.8。

1.2 监测分析

当左、右线新建隧道距离既有隧道大于60 m时采用控制爆破施工，隧道在交叉地段附近采用天窗点控制爆破施工。由图3—图7所示的现场监测结果可知：通过萨道夫斯基经验公式精确控制爆炸当量，采用孔内微差法布设起爆点位后使用光面爆破法起爆，新建隧道的爆破施工对既有隧道稳定性的影响在可控范围内。

图3—图5分别给出了在新建隧道在爆破施工影响下，既有隧道的爆破振速监测结果，依据规范要求[38]可知隧道天窗点内施工振速小于2.0 cm/s，新建隧道天窗外与临近爆破施工时既有隧道的爆破振速小于2.0 cm/s，因此既有隧道的所有监测点位所受到的爆破振速均在《铁路隧道监控量测技术规程》[38](TB 10121—2007)所给定的安全范围之内。

图3 左线爆破振速监测

图4 右线爆破振速监测

图5 右线上跨爆破振速监测

图6给出了新建隧道的临近爆破施工使得既有隧道的结构所产生沉降和收敛的监测结果，依据规范要求[38]可知，隧道边墙位移和沉降需控制在-3 mm～+2 mm范围内，通过监测结果可看出，既有隧道的结构收敛和沉降值为-1.5 mm～1.1 mm均小于规范所给定的安全值。

图6 隧道结构沉降监测

图7给出了新建隧道的爆破施工时既有隧道结构的应力变化的监测结果，应力监测项目主要采用应力增量法进行判定，依据规范要求[38]可知拉应力的增加值小于0.3 MPa，压应力增加值小于1.0 MPa，由监测结果可知既有隧道的进口和上跨表面拉应力的增加值小于0.1 MPa，表面压应力增加值小于0.15 MPa，均在规范所给定的安全范围之内。

2 数值模拟

使用ANSYS/LS-DYNA显式动力学计算分析软件，采取LANGUAGE建立岩体模型，在重力环境下对新建隧道的爆破位置施加爆破荷载。该计算模型主要由围岩、炸药以及衬砌组成，围岩使用的是HJC本构模型，屈服函数为:

(2)

图7 衬砌表面应力监测

爆炸过程的时间非常短，假设其是一个绝热过程，采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程来计算炸药时压力-体积之间关系，Ldgun等[39]给出了在爆炸过程中化学能转化情况的表达式:

(3)

式中：V为相对比容；A、B、R1、R2、ω为材料常数；E0为初始内能密度。

2.1 并行隧道爆破振动数值模拟

图8给出了基于新建阳明山隧道左线与既有阳明山隧道的高程所建立的有限元动力学模型，隧道左线隧道在最近点30 m处与既有隧道并行，模型尺寸为120 m×20 m×39.2 m。

图8 新建阳明山隧道左线计算模型

经计算爆破冲击荷载的峰值为3.2×107Pa，加载时间为0.5 ms，衰减时间为5.0 ms，图9给出了新建隧道冲击荷载分布示意图。

图9 新建隧道洞壁冲击荷载示意图

模型中材料分组包括混凝土及围岩，均采用HJC本构模型，模型参数取值见表1和表2。

表1 岩石HJC材料模型参数表

表2 混凝土HJC材料模型参数表

在计算中考虑重力作用在爆破施工振动响应方面的影响，在0.0 s～0.5 s内不施加冲击荷载，在0.5 s时刻开始施加对新建隧道壁的冲击荷载，山体在0.215 s时刻自身压力达到应力平衡。图10给出了既有隧道平衡后的应力云图，隧道两侧所受到的应力为4.0×105Pa，顶部所受到的应力为-7.7×104Pa，呈现出了应力重分布现象。

图10 新建隧道左线爆破前既有隧道应力云图

施加冲击荷载后，图11给出了爆破后不同时间下既有隧道在新建隧道爆破施工时的振动速度云图。从图中可以看出，既有隧道左侧衬砌所受到的振动速度在0.32 ms～0.33 ms逐渐增大而后在0.33 ms～0.35 ms逐渐减小，既有隧道的右侧衬砌在新建隧道爆破施工过程中的振动速度变化不大。由于既有隧道左侧衬砌距离新建隧道爆破点位更近，因此所受到的爆破施工的影响更大，既而岩体传递过来的振动速度左侧的振动速度相较于右侧衬砌的更大。

对于新建左线与既有隧道并行的计算模型，取既有隧道上单元号为56#、60#两个节点的振动速度曲线进行分析，图12给出了节点所在位置。由图13可知既有隧道混凝土衬砌的最大振动速度为1.38 cm/s，小于公式(1)所得的计算值1.73 cm/s，由图4可知监测值小于0.9 cm/s，因此模拟值相比于计算值更接近于实际监测值。

2.2 上跨段隧道爆破振动数值模拟

图14给出了新建隧道右线上跨既有隧道的计算模型，上跨隧道距既有隧道31.88 m，右线模型尺寸为50.0 m×30.0 m×64.1 m。模型中混凝土及围岩采用HJC本构模型，模型参数取值见表1和表2。

数值模拟在计算环境中考虑了重力作用在爆炸振动响应方面的影响，在计算0.0 s～0.5 s时间内不施加冲击荷载，在0.5 s时刻开始施加新建隧道壁的冲击荷载，经过数值模型计算可知，山体在0.215 s时刻，自身压力已经达到平衡，图15给出了既有隧道平衡后的压力云图，隧道两侧所受到的应力为7.0×105Pa，顶部所受到的应力为-2.0×105Pa，既有隧道出现应力重分布现象。

图11 新建阳明山隧道左线爆破时既有隧道振动速度

图12 56#、60#节点所在位置

图13 56#、60#节点合速度

在施加冲击荷载后，图16给出了爆破后不同时间下既有隧道振动速度云图。从图中可以看出，由于既有隧道上部衬砌结构距离上跨隧道较近，因此在0.310 ms～0.315 ms既有隧道上部衬砌所受到的振动速度较大，振动速度在0.315 ms～0.320 ms扩散到整个隧道，而后在0.320 ms～0.325 ms既有隧道的振动速度逐渐减小。由于既有隧道上部侧衬砌距离新建隧道爆破点位更近，上部的振动速度更大。

图14 新建阳明山隧道右线隧道计算模型

图15 上跨隧道爆破前既有阳明山隧道

图16 新建阳明山隧道右线爆破既有隧道振动速度

对于新建右线与既有隧道上跨的计算模型，取既有隧道上单元号为83468#、83465#两个节点的振动速度曲线进行分析，节点的位置见图17。图18给出了既有隧道混凝土衬砌的振动速度变化过程线，由图得衬砌的最大振动速度为1.20 cm/s，该值大于公式(1)计算所得的1.1 cm/s振动速度，但与现场监测到的振动速度值1.2 cm/s(见图5)基本一致。

图17 83468#、83465#节点所在位置

图18 83468#、83465#节点合速度

3 结 论

针对立体交叉和并行隧道爆破施工对既有隧道的安全性影响的问题，通过精确控制爆炸当量及采用合理的爆破点位布设和起爆方法后对既有隧道的振动速度、位移、应力应变进行了现场监测，并采用ANSYS/LS-DYNA数值方法对新建隧道上跨与并行于既有隧道的两种工况进行了模拟计算分析，并得到以下结论:

(1) 新建隧道爆破施工对邻近既有隧道影响的模拟结果相较于理论计算结果更接近于实际监测值。

(2) 有限元动力学模型，可以较好的模拟出隧道爆破施工时应力应变状态，且具有极高的实用性和准确性。该模型可以对萨道夫斯基经验公式进行合理的修正。

(3) 当两相邻隧道之间没有防护结构时，使用孔内微差起爆法，可以有效地降低爆破施工对既有隧道的不良影响。

(4) 当两个相邻隧道之间在没有防护结构时，使用萨道夫斯基经验公式精确控制爆破当量，可以有效地降低爆破施工对既有隧道的影响。