主线隧道爆破荷载对隧道锚协同施工影响分析

许建凯，王 保，刘赐文，杨先奎，龙立敦，李少方，李浩然

(1.贵州瓮开高速公路发展有限公司，贵州 贵阳 550306；2.中铁广州工程局集团有限公司，广东 广州 511466;3.中铁开发投资集团有限公司，云南 昆明 650501;4.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

隧道爆破施工的振动荷载会对邻近设施或建筑物产生影响。特别地，当隧道爆破施工与邻近工程存在交叉施工时，如若不采取恰当的措施，会对邻近工程的稳定性产生巨大影响，产生一系列安全隐患，对邻近工程施工安全带来极大的威胁。随着我国交通基础建设的发展，公路隧道的数量日益增加，隧道已经成为了一种必不可少基础建设设施。隧道锚作为悬索桥的一个主要结构体系，其主要功能是对悬索进行锚固。由于一些特殊地形限制，会出现桥隧相连接的情况，尤其当遇到在悬索桥与隧道连接的地方，隧道的开挖与开设的隧道锚之间会存在相互影响。锚塞体作为悬索桥的4大部件之一，其安全性十分关键[1]，在某些情况下，由于地形的限制，隧道与隧道锚的间距不满足爆破规范要求时，在隧道开挖的时候，爆破产生的振动会对隧道锚的围岩产生影响，影响隧道锚安全正常地工作。

刘新荣，肖宇[2]等开展了隧道锚与下穿隧道间相互影响规律的1∶100室内模型试验研究，得出了锚塞体沉降主要由下穿隧道先行洞开挖导致。于建新[3]等人采用LS-DYNA显式动力数值模拟方法，开展近距离隧道爆破施工的相互影响研究，研究结果表明：药量增大、净距减小、跨度减小均会在一定程度上引起既有隧道内振速的增大。李岩松[4]等在考虑围岩产状影响的条件下利用萨道夫斯基爆破经验公式对老龙山隧道附近既有建筑的爆破影响进行了分析研究，结果表明：爆破振速沿地层产状垂直方向传播时比沿平行方向传播时大，爆破振动点距离建筑物越近这种趋势越明显。大量学者利用有限元法对包括下部公路隧道施工、隧道锚开挖、浇注、预应力施加、挂缆等全部工序进行了模拟，研究其他建筑物对已建成隧道锚或者隧道锚的开挖对既有建筑物的相互影响[5- 8]。

通过上述结论得出，目前研究大部分着重于隧道爆破施工对已修建建筑物的影响，但是对于在建工程项目的影响研究仍然缺乏，特别是对于隧道爆破施工与在建工程项目存在交叉施工的情况的研究甚少。为了研究隧道爆破施工产生的振动对于在建的交叉施工项目围岩稳定性的影响，本文依托开州湖大桥隧道锚与四坪隧道工程，建立有限元模型分析在四坪隧道与开州湖大桥隧道锚交叉施工段，四坪隧道协同施工时爆破振动对在建隧道锚的影响。

1 工程概况

按设计要求，开州湖特大桥开阳岸隧道锚需在下方四坪隧道二衬施工完成后方可开始施工，然而开州湖特大桥为瓮开高速项目控制性工程，也是整个项目的关键工作，其完成时间制约着全线建成投运的时间。因此，按常规施工顺序，开州湖特大桥最终完工的时间将远远突破项目总工期。为满足项目总工期要求，本方案中采取开州湖特大桥开阳岸隧道锚与四坪隧道同步协同施工的方式进行，即隧道锚隧洞开挖支护工作与四坪隧道进口段(隧道进口至横洞段)同步施工，待隧道锚下方隧道段(K36+755～K36+827)二衬施工完毕且稳定后方进行隧道锚锚塞体砼浇筑施工。

隧道锚隧洞开挖支护与处于隧道锚下方的隧道段同步施工过程中，做好超前地质预报，尤其是针对隧道及隧道锚间的岩体进行岩溶、溶蚀裂隙、破碎、节理等不良地质探测，并根据探测结果，研究制定专门爆破方案，认真测算上下作业点间的间距、围岩条件等，采用控制爆破技术，进行试爆，测试震动值，严格爆破震动，减少上下同时施工对彼此的影响。此外，在施工过程中，除进行爆破震动值监测外，同时加强隧道及隧道锚隧洞围岩变形及内力监测，确保围岩应力应变在安全范围内。协同施工示意图如图1所示。

图1 协同施工示意图

1.1 工程地质

1.2 水文地质

场区属长江流域乌江水系，场区进口东侧530m处为洛旺河自北向南流；隧道出口西侧900m处发育小型河流，宽1.5～3.2m，水深0.5～1.6m。场区地下水类型第四系松散裂隙水、基岩中风化裂隙水、岩溶裂隙水。松散裂隙水赋存于第四系松散土层内，水量小；基岩裂隙水赋存于强风化粉砂质泥岩节理裂隙内，水量小。

2 施工技术及施工流程

2.1 四坪隧道施工总体方案

四坪隧道包含横洞、分离式隧道段、小净距段、极小净距段、超小净距、连拱段及进出口洞口明洞及边仰坡施工。

(1)横洞开挖采用新奥法施工，Ⅴ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖。

(2)隧道超小净距Ⅳ级围岩段左右洞均采用三台阶法开挖。(极小净距Ⅳ级围岩隧道左右洞采用上下台阶法开挖。小净距Ⅳ级围岩段左右洞均采用台阶法开挖。

(3)连拱隧道段采用新奥法原理施工，施工中先开挖贯通中导洞，浇筑中隔墙混凝土，然后开挖主洞，最后进行全断面二衬衬砌的施做。Ⅴ级围岩段采用三台阶预留核心土法或三台阶+临时仰拱法进行开挖，Ⅳ级围岩段采用上下台阶法施工，后行洞(右洞)上断面开挖须在先行洞(左洞)仰拱施工后再进行，且先行洞(左洞)与后行洞(右洞)上断面开挖距离不小于30m。

(4)隧道明洞段采用明挖法施工，在确保洞口边坡稳定的条件下，就地全段面整体模筑钢筋混凝土，暗洞均采用新奥法施工，主要工序采用机械化作业，隧道出渣采用无轨运输方式，二次衬砌浇筑采用模板台车。

2.2 隧道锚施工方案

隧道锚位于开州湖岸坡上，因岸坡坡度陡峻，施工场地受限较严重，隧洞洞口边仰坡开挖支护完成后，为满足隧道锚开挖支护施工场地要求，同时节省出渣时间，以隧洞明洞与暗洞交界处为起点，先行向下开挖散索鞍支墩基坑6m，形成长46.2m、宽17.34m的平台，后在该平台上搭设出渣平台支架、规划空压机机房及运渣通道等功能区，以满足施工要求。如图2—4所示。

图2 洞隧道断面设计图

图3 隧道连拱段开挖工序图

图4 隧道锚施工示意图

隧洞开挖根据隧道的长度、地质条件、工期要求等因素，采用人工、机械、光面爆破开挖相结合的方式进行开挖，由于左、右净距较小(进口间距16.45m、洞底最小净距9.5m)，左、右洞室错开掘进，隧洞围岩级别为Ⅳ、Ⅲ级，洞室断面较大，爆破作业时相邻隧洞的稳定性有一定的影响。由于隧道锚与四坪隧道同步协同施工，当四坪隧道开挖施工进入到隧道锚影响范围后，需加强超前地质预报及施工监测，尤其是对隧道锚与隧道间的岩体岩溶发育情况等进行有效探测，以确定合适的开挖爆破方法。先开挖的左洞采取台阶开挖的方式，后开挖的右洞采取台阶分部开挖的方式，避免对两隧洞间岩柱的扰动。

3 数值模拟

3.1 参数选取

3.1.1爆破荷载加载波形

爆炸产生时，压缩波沿隧道径向且均匀地作用在周围洞壁上，首先对围岩有压实作用，当压缩波达到幅值后将急剧衰减，对于弹塑性的围岩材料，荷载消失后必将引起反向的回弹现象，因此选用具有加载和卸载过程的三角形荷载作为爆破荷载的近似形式，如图5所示。

图5 爆破荷载时程曲线图

3.1.2爆破荷载峰值确定

爆破荷载应力峰值按下式确定：

(1)

本次计算取加载时间为10ms，卸载时间为90ms，为了解爆破应力波在岩体中的传播规律，取计算时间为500ms。

3.1.3岩体参数确定

岩体参数见表1。

表1 岩体参数表

3.2 模型建立

模型中所有材料采用实体SOLID164单元模拟，对整个模型施加厚度方向的约束，上表面为自由边界，其余表面设置为固定约束，如图6所示，在整个计算模型中，采用六面体单元映射划分。数值计算模型如图7所示。

图6 模型边界固定约束图

图7 数值计算模型图

因隧道锚是斜向下打入，故隧道锚洞室下断面距四坪隧道拱顶最近，为了方便分析，提取距离隧道拱顶最近的隧道锚洞室测点的水平向速度、竖向速度与合速度时间历程曲线，测点如图8所示，测点A为单元1044，测点B为1039，测点C为1050。

图8 测点布置图

3.3 振动速度特征分析

通过数值模拟，分别测出了3个不同位置的测点的振速曲线，如图9—11可知，测点1044号的最大水平振速为0.25cm/s，为3个测点最大水平振速的最小值，最大竖向振速为4.69cm/s，是3个测点竖向振速的最大值。水平振速最大值在测点1050，振速为0.80cm/s。最大合速度在测点1044，最大合振速为4.70cm/s。竖直方向上产生最大振速为4.69cm/s，详见表2。

图9 1044号测点振速时程曲线

图10 1039号测点振速时程曲线

图11 1050号测点振速时程曲线

表2 最大振速表 单位：cm/s

3.4 单段最大装药量计算

根据数值模拟得出的结果，可根据萨道夫斯基经验公式反算出在隧道开挖时单段最大装药量。

根据岩石性质、爆破方式，爆破地震动速度，一般认为，爆破质点峰值振动速度随距离的衰减满足萨道夫斯基计算公式[9- 10]：

(2)

式中，V—振动速度，cm/s;Q—起爆过程中最大单响的炸药量，kg;R—测点与爆源之间的距离，即爆心距，m;K、α—与岩土介质有关的参数;β—与装药结构方式有关的参数，集中药包取1/3，柱装药包取1/2。

由GB 6722—2014《爆破安全规程》[11]。可知，在我国的工程中推荐使用修正后的萨道夫斯基经验公式，为能反映爆破振动的衰减规律，定义K、α为衰减参数。即

(3)

式中，GB 6722—2014[11]规定了不同岩性下的K和α值，见表3：根据现场地质取K=250，α=1.6；Q—单段最大装药量；模拟中取竖向最小距离R=12.3m；V—设计爆破振速，要求控制在10cm/s以内，为保守起见计算取V=5cm/s，经计算单段最大装药量：Q=1.21kg。

表3 不同岩性下的K和α值

根据振速时程曲线图，可以得到距离隧道上台阶中心距离最近的测点1044的振动速度最大，竖向速度为4.69m/s，合速度为4.70cm/s，均小于5cm/s，因此，应将该点作为安全振动速度控制点，可通过上述萨道夫斯基计算公式，代入振速数据，反算得出在该处爆破开挖时的最大段药量不大于1.21kg。

4 结论

(1)测点1044的振动速度最大，产生的竖向最大振速为4.69cm/s，满足将隧道衬砌结构振动速度控制在5cm/s以内的要求。

(2)由于两者最近竖向间距仅有12.3m左右，所以在两者的开挖过程中应严格控制两者洞室的最大段药量进而控制爆破振动速度，保证隧道与隧道锚的安全施工。

(3)通过建立隧道与隧道锚交叉段的数值计算模型，计算得到四坪隧道爆破开挖的单段最大装药量控制在1.21kg以内，可有效的控制围岩扰动。