新建隧道爆破施工对既有隧道衬砌强度的影响研究

胡 辉 陈 爽 郭啟翔 江亲财

（1.核工业华东建设工程集团有限公司,江西 南昌 330009；2.华东交通大学,江西 南昌 330013）

0 引言

随着我国隧道工程的发展，改扩建项目逐渐增多，越来越多的隧道工程中出现新建隧道与既有隧道距离较近的情况。新建隧道爆破施工会对邻近既有隧道衬砌的稳定性和安全性造成不良影响。

国内外学者对新建隧道爆破施工对邻近既有隧道的影响已有深入的研究，并总结出了一些成果。杨明宇等[1]研究了邻近隧道爆破开挖对既有隧道影响及控制技术。谢全民[2]等人通过吸引子、Lyapunov 指数、关联维数等核心参量计算，分析隧道爆破振动响应信号混沌特征。刘冬等[3]基于原有隧道改扩建拱顶塌腔段扩建开挖，系统研究了多临空面条件下岩体爆破振动规律。罗志翔[4]等人根据施工现场爆破监测数据和数值模拟结果对新建隧道爆破施工时临近及相交隧道的稳定性和安全性进行研究，探讨隧道间距对邻近及相交隧道衬砌结构振动的影响。张浩等[5]以康坂隧道工程为依托，基于该隧道与下方杭深高铁温福段东盛隧道的位置关系，分析爆破振动对东盛隧道稳定性的影响。张立人等[6]以翻坝高速公路寨子包隧道爆破施工为依托，进行隧道爆破振动测试分析，获得爆破振动规律经验公式。吴跃光[7]为避免爆破对环境造成影响，采取增加雷管段位、延长爆破时间、减少掏槽眼数量和装药量、减少同段装药量等优化措施，达到降低爆破振动速度的目的。郭伟平[8]基于下营隧道工程现场爆破情况、监测数据与爆破振动速度，研究新建隧道爆破振动对邻近既有隧道的影响。

本文采用有限元软件ANSYS 模拟隧道爆破对邻近既有隧道衬砌强度的影响，讨论了相同隧道间距下，邻近隧道爆破对既有隧道衬砌振速的影响范围，以及振速最大值，提出实际施工中邻近隧道的间距建议，对实际施工有一定的指导意义。

1 有限元数值模型的建立

1.1 模型尺寸的选取

使用ANSYS/LS-DYNA 数值模拟软件建立三维传统爆破模型和聚能爆破模型，两种模型均由岩石、空气和炸药组成，为了简化模型，二次衬砌的材料参数也采用岩石，模型采用solid164 实体单元进行网格划分，岩石使用Lagrange 单元，炸药、空气和混凝土使用ALE 单元，岩石、炸药、空气和混凝土之间定义流固耦合来模拟爆炸过程。模型的上下边界以及左右边界设置透射边界条件。

由圣维南原理可知，当有限元模型边界是洞径3～5倍时边界效应的影响可以忽略不计[9]。模型整体如图1 所示，模型尺寸选择100m×80m×40m。隧道中点间距取21m。根据已有研究，隧道掘进爆破引起的最大质点振动速度只与最大单段药量有关，且主要由掏槽眼爆破引起[10]，本文设计的模型是将所有的炮孔药量等效为一个炮孔，尺寸为70mm，进尺3m，模型中的衬砌只考虑二衬材料，衬砌如图2 所示。Ansys 软件单位制为g、cm、μs。

图1 有限元计算模型

图2 隧道二衬简图

1.2 模型参数的选择

本数值模拟中岩石模型采用在爆炸问题中能反映岩石动态力学特性的HJC 本模型，关键字对应在LSDYNA 中选择MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS，岩石材料的物理力学参数见表1。

表1 岩石材料物理力学参数

炸药模型关键字对应在LS-DYNA 中选择MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，选择状态方程EOS_JWL来模拟爆炸过程。炸药的性能参数主要为：密度ρ=1.52g/cm3，爆速D=0.67cm/μs，爆压为PCJ=9.53GPa。其状态方程参数见表2。

表2 乳化炸药材料参数

1.3 边界条件

用有限元软件模拟炸药在隧道内爆炸时，为了简化计算，缩减计算机所需的算力，一般用有限的区域来描述无限大的地下空间，莱斯莫[11]提出在模型边界上人为地施加阻尼分布力，使得爆炸产生的爆破应力在传到模型边界上被全部吸收而不发生反射，所以在模型边界上施加无反射边界，来模拟无限大的地下空间。

2 不同断面质点振动影响分析

选取既有隧道离掌子面平行位置前后各5个不同距离断面上的不同位置作为分析点，提取既有隧道二次衬砌结构拱顶、左右拱腰、左右拱脚节点振动速度进行对比分析。断面位置如图3所示，各个断面测点位置如图4所示。

图3 断面位置

图4 各个断面测点位置

2.1 拱顶位置的振动响应规律

掌子面前、后拱顶质点振动速度如图5所示，掌子面前后拱顶振速峰值见表3所示。

表3 掌子面前、后拱顶振速峰值

图5 掌子面前、后方拱顶质点振动速度

由图5 和表3 可以得出掌子面前方拱顶振速最大值为3.2cm/s，后方拱顶振速最大值为3.7cm/s，且都随着测点距离爆源距离的增加呈现递减的趋势。

虽然振速都是随着距离增加而减少，但掌子面后方的振速比前方相同距离的振速大且衰减速率也比前方要小。这说明在既有隧道旁边开挖隧道时，由于新建隧道已开挖的空洞，对爆破引起的振动有良好的衰减作用，使得既有隧道受到爆破振动的影响在掌子面后方比前方大。

2.2 拱腰位置的振动响应规律

掌子面前方左、右侧拱腰质点振动速度如图6 所示，后方左、右侧拱腰质点振动速度如图7所示。

图6 前方左、右侧拱腰质点振动速度

图7 后方左、右侧拱腰质点振动速度

由表4 可知，掌子面前方左拱腰振速最大值为8cm/s，右拱腰振速最大值为1.65cm/s；掌子面后方左拱腰振速最大值为8.3cm/s，右拱腰振速最大值为2.24cm/s，且都随着测点距离爆源距离的增加呈现递减的趋势。且最大振速远远大于拱顶的最大振速，因此，相较于拱顶，拱腰受到爆破冲击的影响更大。

虽然振速都是随着距离增加而减少，但同一断面左右两侧的质点振动速度有显著的差距，这不仅仅是由于距离爆振源的距离增加了，还由于既有隧道中存在空洞，较大地削弱了振动波的强度。因此在实际施工中更应该关注靠近新开挖隧道一侧的衬砌强度是否满足要求。

2.3 拱脚位置的振动响应规律

前后左右侧拱脚质点振动速度见图8、图9，左、右侧拱脚振速峰值见表5。

表5 左、右侧拱脚振速峰值

图8 前方左、右侧拱脚质点振动速度

图9 后方左、右侧拱脚质点振动速度

由表5 可知，掌子面前方左、右拱脚振速最大值分别为6.3cm/s 和2.8cm/s；掌子面后方左、右拱脚振速最大值分别为7.5cm/s 和3.25cm/s，且都随着测点距离爆源的距离增加呈现递减的趋势。

对比表3、表4、表5、表6可知拱脚的最大振速大于拱顶，小于拱腰，因此，在处理相关工程案例时要着重校核拱腰的衬砌强度，其次是拱脚，最后是拱顶。

虽然振速都是随着距离增加而减少，但同一断面左右两侧的质点振动速度有显著的差距，这不仅仅是由于距离爆源的距离增加了，还由于既有隧道中存在空洞，较大地削弱了振动波的强度。因此，在实际施工中更应关注靠近新开挖隧道一侧的衬砌强度是否满足要求。

3 结束语

（1）对于运营长时间的邻近隧道，在开挖新隧道之前要查明它的衬砌与结构稳定性以及围岩状态，特别是靠近新开挖隧道的一侧，在进行详细的安全评价之后才能施工。

（2）从振速对比可以看出，既有隧道衬砌从距离爆源最近的1 号测点到5 号测点时，拱腰衰减48.75%，拱顶衰减37.5%，拱脚衰减53.9%。所以拱脚处的影响范围比拱腰要小。

（3）新开挖隧道对临近既有隧道的拱腰影响最大，校核强度时要着重校核靠近新开挖隧道拱腰处的强度。