薄壁连拱隧道后行洞不同爆破开挖工法对先行洞影响对比分析

何俊 王安民 钱伊默 彭维圆 王少飞

高速公路建设过程中，受地形限制，薄壁连拱隧道被多次采用。薄壁连拱隧道中隔墙厚度较小（常小于2.0 m），后行洞施工爆破振动对先行洞衬砌影响较大，后行洞采用合适的爆破开挖工法尽量降低其对先行洞的影响，对先行洞结构安全至关重要。结合“石格拉2号隧道”薄壁连拱段实例，对后行洞采用“三台阶法开挖”和采用“三台阶分区分块法开挖”2种工况进行爆破振动分析，分别研究了上、中、下各台阶开挖时爆破对先行洞初支及二衬振动速度的影响。

连拱隧道； 分区分块法； 三台阶法； 爆破影响； 先后行洞； 有限元法

U455.6 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金项目］云南省交通运输厅科技创新及示范项目（项目编号：云交科教便［2019］36号），公路隧道创新团队：云南省科技和人才平台计划（项目编号：2017HC025）

［作者简介］何俊（1989—），男，硕士，工程师，注册土木工程师（岩土），主要从事隧道设计及研究工作。

1 薄壁连拱隧道施工

云南省位于我国西南边陲，山地高原地形占全省总面积的88.64%。伴随着全省经济迅猛发展，高速公路建设里程也屡创新高，受地形限制，薄壁连拱隧道在数条高速公路中被多次采用。薄壁连拱隧道中隔墙厚度较小（常小于2.0 m），后行洞施工爆破振动对先行洞衬砌影响较大，后行洞采用合适的开挖工法尽量降低其对先行洞的影响，对先行洞结构安全至关重要，因此薄壁连拱隧道后行洞开挖工法的选择及优化就变成急需解决的众多薄壁连拱隧道施工问题之一［1-2］。

本文主要结合“石格拉2号隧道”薄壁连拱段实例进行对比计算分析。该隧道为设计速度为80 km/h的双向四车道高速公路隧道，整体采用“分离式—小径距—连拱”的形式，右幅起点里程K109+495，全长4 905 m；左幅起点里程ZK109+575，全长4 832 m，最大埋深约665 m；其中出口段采用薄壁连拱，设计标高间距为3.0 m，测设线间距为1.0 m。隧道区范围内主要地层为第四系残坡积（Q4el+dl）层、二迭系上统玄武岩组（P2β）玄武岩，其中玄武岩为硬质岩。

本文通过有限元分软件MIDAS GTS NX分別对：后行洞采用“三台阶法开挖”和采用“三台阶分区分块法开挖”2种工况进行爆破振动分析；研究了上、中、下各台阶开挖时爆破对先行洞初支及二衬振动速度的影响，并采用理论计算分析对数值模拟结果进行了验证，由此对比2种工法的优劣及适应性，以期更好地指导薄壁连拱隧道设计和施工。

2 模型建立

2.1 计算模型

本文采用“石格拉2号隧道”出口薄壁连拱隧道段SB5a型衬砌（先行洞：27.0 cm厚C25喷混+60.0 cm厚C30钢混；后行洞：27.0 cm厚C25喷混+50.0 cm厚C30钢混；中隔墙：85.0 cm+55.0 cm厚C30钢混）［3-4］作为计算模型，衬砌断面如图1所示，衬砌开挖高度为1 029.0 cm，开挖宽度为1 237.0 cm+1 197.0 cm=2 434.0 cm。

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS NX进行计算分析。工况1计算模型如图2所示。

工况2计算模型如图3所示。

本文模拟工况均按先行洞开挖、初支和二衬都完成并达到设计强度后，再进行后行洞爆破开挖。模型围岩均按Ⅴ级强风化玄武岩考虑［5-6］。

2.2 爆破荷载

本文爆破荷载采用MIDAS GTS NX爆破荷载生成器生成，爆破循环进尺为1.0 m［7］ ，单位炸药用量为2.14 kg/m3，爆破荷载时程曲线如图4所示。

3 计算结果及分析

本文选取各阶段结构的最大水平速度作为后行洞爆破开挖对先行洞的影响的对比分析指标。

通过MIDAS GTS NX计算，得到2种工况下上、中、下台阶爆破开挖时，先行洞初支及二衬的最大水平速度分别如图5～图10所示， 最大水平速度统计结果如表1～表3所示。

因为薄壁连拱隧道中墙处初支为一临时支撑结构，后行洞二衬浇筑前需要将其拆除，且后行洞爆破开挖对先行洞初支影响最大部位均位于中墙处，其整体对先行洞结构安全影响较小，故本文选择对先行洞二次衬砌进行理论对比计算分析。

经查阅相关资料、文献，本文选择与结合工程具有一定相似性，由西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室舒磊博士、仇文革教授等结合云南省盐津县白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道工程总结推导的开挖爆破振动计算公式［8-10］作为理论计算依据，具体如式（1）、式（2）所示。

v=aQ0.9843R1.383（1）

a=0.9695N+0.1334（2）

式中：v为爆破振动速度（cm/s） ；a为考虑围岩级别影响的修正系数 ；Q为起爆药量（kg） ；R为质点与爆源间的距离（m）；N为围岩级别，取1～6的整数。

“三台阶分区分块法”和“三台阶法”理论对比计算分析参数取值如表4所示。

备注：Q1～Q3分别为上、中、下台阶的起爆药量；R1～R3分别为上、中、下台阶的各起爆区形心到2.1～2.3节计算分析的先行洞二衬水平速度最大点的距离；v为各开挖阶段对应的先行洞二衬最大爆破振动速。

根据式（1）、式（2），后行洞上台阶采用“三台阶分区分块法”爆破开挖时，相对于“三台阶法”，先行洞二衬最大爆破振动速度变化幅度P1如式（3）所示 。

P1=v11-v12v12×100%=0.480.98430.671.383-1=-15.51%（3）

同理可求出P2、P3，其结果如表5所示。

由表5可知，数值模拟与理论计算结果基本吻合。

4 结论及建议

根据本文的计算分析结果，后行洞由“三台阶法”优化为“三台阶分区分块法”爆破开挖时，上、中、下台阶各阶段先行洞初支及二衬的最大水平速度的变化幅度、二衬最大水平速度出现部位汇总如表6所示，先行洞初支和二衬最大水平速度比率如表7所示。

由本文的计算分析及汇总表6～表7得出的结论及建议：

（1）薄壁连拱隧道后行洞施工采用“三台阶分区分块法”相对于传统“三台阶法”，其爆破振动对先行洞初支及二襯的水平振动速度的影响均能显著降低，降低幅度约为13%～32%，建议后行洞施工过程中优先选用“三台阶分区分块法”。

（2）后行洞爆破施工对先行洞二衬振动影响主要集中在中墙拱肩部位，建议设计过程中对先行洞中墙拱肩部位进行局部补强，施工过程中严格控制中墙拱肩施工质量。

（3）后行洞爆破施工对先行洞初支振动影响显著大于对二衬振动影响，上、中、下台阶对应的倍数分别约为1.69、3.17、9.96，上台阶最小，中台阶次之，下台阶最大，建议在先行洞中墙初支与二衬接触部位设置减震隔离层，以减小先行洞初支振动向二衬的传递。

参考文献

［1］ 李志厚，雷华.云南省公路连拱隧道的技术进步［J］.隧道建设，2007（S2）：218-223.

［2］ 李志厚，陈俊武，何佳银.单洞工法复合式中墙连拱隧道工程建设技术［M］.北京：人民交通出版社，2020.

［3］ 中华人民共和国交通运输部. 公路隧道设计规范 第一册 土建工程： JTG 3370.1-2018［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

［4］ 中华人民共和国交通运输部. 公路隧道设计细则：JTG/T D70-2010［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］ 王海涛.MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计［M］.大连：大连理工大学出版社，2013.

［6］ 何俊. 高速铁路隧道洞口缓冲结构抗减震措施研究［D］.成都： 西南交通大学，2016.

［7］ 中华人民共和国交通运输部. 公路隧道施工技术规范： JTG/T 3660-2020［S］.北京：人民交通出版社有限公司，2020.

［8］ 舒磊，仇文革. 下穿隧道爆破施工对既有隧道的振动影响及对策研究［J］. 铁道标准设计，2013（7）.

［9］ 黄华. 下穿隧道爆破施工引起既有山区高速公路路基的动力响应及控制研究［D］.重庆：重庆大学，2014.

［10］ 谢晓峰. 立交下穿隧道爆破施工对既有隧道动力响应研究［D］.长沙：长沙理工大学，2013.