新建隧道近接既有隧道爆破施工减振措施研究

张志威，梅 顶，吴建鹏

(浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

临金高速公路临安至建德段是浙皖两省沟通联系的重要通道，对贯彻落实长三角一体化国家战略、带动周边经济发展具有重大意义。毕浦隧道是分水连接线工程的唯一隧道，为一座分离式隧道，建成后将与S208省道既有毕浦隧道一起构成双线交通形态。众多专家学者对小净距隧道展开研究并取得一定成果[1-3]。为了有效地控制目标建筑物或保护对象的质点振动速度，不同学者提出了应用于各类工程实际的爆破减振措施[4-6]，采用合理有效的减振措施，是达到顺利施工的关键。本文以毕浦隧道为工程背景，采用Midas-GTS软件进行数值模拟，研究了在施工过程中使用的减振措施减振规律。

1 工程背景

1.1 工程概况

新建毕浦隧道位于毕浦隧道进口位于瑶琳镇永安村油车边，油岭线起点附近，处于省道S208上下行路线之间，洞口北侧为省道S208西行方向毕浦隧道，线间距为17 m～26 m，洞口南侧距离108 m为省道S208东行方向，省道S208上下行均为两车道。毕浦隧道是分水连接工程的唯一隧道，建成后将与S208省道一起构成双线交通形态，如图1所示。

毕浦隧道Ⅴ级围岩占比22%，Ⅳ级围岩占比为78%，地层以中风化砂岩为主，不同围岩分布段落情况如表1所示。

表1 新建毕浦隧道围岩统计表

由于实际施工方案Ⅳ级围岩炸药量远大于Ⅴ级围岩，故取Ⅳ级围岩进行研究。

1.2 爆破设计

隧道开挖爆破采用孔内毫秒导爆管雷管延期，孔外用同段别导爆管雷管簇连采用，俗称“大把抓”法，用导爆管雷管一次击发起爆。起爆方式由掏槽孔最先起爆，辅助孔次之，周边孔应同时起爆，底孔最后起爆。

采用中空直眼螺旋掏槽和复式楔形掏槽，按设计开挖轮廓线布置周边炮眼，间距为40 cm～60 cm，辅助眼间距为50 cm～80 cm。8台～10台YT-28型气腿式凿岩机钻眼平行作业。Ⅳ级围岩采用上下台阶法，循环进尺上台阶控制在2 m，下台阶控制在2.5 m。炮孔布置和引爆网络如图2所示。

2 爆破监测

为保证既有隧道安全，需要对爆破造成的邻近隧道振动情况进行监测。由于现场条件所限，仪器放置隧道拱脚位置进行监测。监测点布置见图3，相邻监测点的距离P=5 m，当条侧线放置5台仪器。

根据不同爆破位置，现场共进行3次爆破振速监测，按照监测方案并结合现场情况以及理论分析，监测数据见表2。由于振速已接近规范要求，为保证爆破施工安全，需设计减隔振措施，保证施工的合理化和安全性。

表2 爆破振动实测振速峰值表

3 数值模拟计算

3.1 模型的建立

通过Midas-GTS建立有限元模型，考虑边缘至少为4倍洞径，模型总宽为134 m，纵向长度取100 m，高度结合实际地形变化取70 m，从洞口向洞内埋深逐步增大。其中围岩采用摩尔库仑本构，隧道衬砌结构以及锚杆采用弹性本构模拟。数值模型如图4所示。

3.2 减振措施和布置方法

3.2.1 控制爆破原理

控制爆破主要选择两种方法：第一种是使用微差爆破的方法进行，采用电子雷管，按照延时的顺序设置孔内电子雷管延期时间，与导爆管雷管起爆顺序相同，用母线对断面雷管进行连接，考虑到电子雷管内部芯片抗物理挤压能力较差，应适当减少段别延秒时间差，采用电子雷管专用起爆器进行引爆。第二种是采用布置减震孔对爆破形成的振动进行减震处理，通过在拱部周边布设减震孔形成减震隔离带和小导坑超前开挖所创造爆破凌空面达到减震之目的，其原理就是利用爆破凌空面和减震隔离带在爆破时对爆破震动能量的大量吸收及消耗，使隔离带后面的区域受到的震动大大减小，从而确保了爆破安全。

3.2.2 施工方法

布眼见图5。在拱部周边共布设三环，孔间距为300 mm×300 mm，梅花形布设，第一环沿开挖轮廓线外侧300 mm布设，第二环沿开挖轮廓线布置，减震孔间隔布设一排φ40 mm周边眼，在开挖轮廓线内侧300 mm布置第三环减震孔，减震孔间布设二圈眼，所有减震孔均不装药。

3.3 围岩及结构物理力学参数选取

根据毕浦隧道工程概况，对材料参数保守取值：围岩的动弹性模量取值为静弹性模量的5倍，衬砌结构动弹性模量较静弹性模量提高25%，动泊松比较静泊松比降低20%，围岩数据选取表如表3所示；混凝土动弹性模量取值为静弹性模量的1.25倍，数据选取表如表4所示。

表3 有限元建模围岩参数选取

表4 有限元支护结构参数选取

3.4 边界条件的选取与计算

时程分析应采用黏性边界模型生成后，Midas-GTS软件系统根据模型尺寸以及物理力学性质自动计算，从而建立边界条件约束，其中X，Y，Z方向的阻尼常数分别为：411.24 kN·s/m，799.32 kN·s/m，411.24 kN·s/m，此外X，Y方向弹簧刚度为0，Z方向的弹簧刚度为2 050 689.42 kN/m。

3.5 爆破冲击荷载的确定

一般耦合装药爆破压力都加载在孔壁的垂直方向上，荷载公式见式(1)，式(2)，1 kg药量爆破荷载时程曲线见图6。

(1)

(2)

其中，Pdet为孔内压力,kbar；PB为孔壁的压力,kbar；Sge为火药的比重；dc为炸药直径,mm；dh为炮眼直径,mm；ve为爆破速度,ft/s。

因作用在孔壁上的动压力随时间而变化，需采用爆破时程压力的计算公式计算(见式(3))。

(3)

其中，B为荷载常量；PD为每1 kg装药量的动压力。

本隧道模拟中火药的比重Sge取值0.8 g/m3；炸药直径dc取值32 mm；炮眼直径dh取值42 mm；ve为爆破速度3 050 m/s，换算成英式单位为10 006.56 ft/s。同时，1 kbar=105kPa。由公式计算可知：此次爆破模拟孔内压力Pdet为20.42 kbar，即2.042×106kPa，孔壁压力PB为9.03 kbar，即9.03×105kPa。本次有限元模拟，选取爆破荷载上升时间12 ms，总时间120 ms。通过对荷载系数B的调整控制爆破荷载上升时间为12 ms，其中1 kg药量爆破荷载时程曲线图见图6，峰值时刻出现在0.012 s，爆破动力荷载最大值为8.23×105kPa。

3.6 计算结果分析

3.6.1 数值模型验证

计算结果见表5。对比现场检测和数值模拟数据，平均误差10%左右，证明此数值模型可以较好地模拟隧道爆炸施工情况。

表5 爆破振动实测与数值模拟振速峰值对比表 cm/s

3.6.2 参数分析

1)微差爆破。

由于现场环境十分复杂，各炮孔之间距监测点的位置存在差异，同时应力波的传播还受到场地环境、爆心距、隧道埋深等多种因素影响，采用全周期Δt=T的微差爆破，数值模拟结果见表6。由微差爆破数值模拟结果可知，平均减振率为22.55%，效果明显，且微差爆破之后的最大峰值满足爆破安全规程要求。

表6 微差爆破数值模拟振速峰值表 cm/s

2)减振孔。

通过数值模拟计算，计算结果见表7。

表7 设置减振孔爆破振动实测振速峰值表 cm/s

由表7可知，当设置单排减振孔时，减振率在20.266%～21.327%，其平均值为20.955%；双排减振孔的减振率为37.616%～44.615%，平均减振率为41.212%; 三排减振孔的减振效果最好，减振率可以达到58.124%～63.898%，平均降振率为61.157%，即三条隔振沟可以降振一半还多。

4 结论

通过对毕浦隧道爆破施工下采集的数据以及数值模拟结果的处理和分析，并结合当地区域地质构造情况，综合整理得到以下结论：1)根据新建毕浦隧道和既有隧道的空间位置关系，基于Midas-GTS软件建立了基于等效荷载理论的三维数值模拟方法，通过计算，发现两者误差较小，说明用Midas-GTS数值模拟软件分析隧道爆破对临近建筑物的影响是可行的。2)由微差爆破数值模拟结果可知，平均减振率为22.55%，效果明显，且微差爆破之后的最大峰值满足《爆破安全规程》要求。3)对爆破振动速度进行分析，设置单排、双排和三排减振孔平均减振率分别为20.955%，41.212%和61.157%。可以看出减振效果与减振孔排数相关性很大，而且距离减振孔更近的测点效果更明显。