杭温高铁梧坞超大断面隧道上穿高速公路隧道爆破施工影响分区

林豪 郭洪雨 王洪存 孙飞 兰庆男 王泽樑 张志强

1.浙江交投高速公路建设管理有限公司， 浙江 金华 321000； 2.浙江义东高速公路有限公司， 浙江 东阳 322100；3.浙江数智交院科技股份有限公司， 杭州 310030； 4.西南交通大学 土木工程学院， 成都 610031

在现代交通网络建设过程中，公路、铁路隧道的设计越来越趋向于大断面甚至超大断面，同时受土地集约化、地下空间、地形地貌等诸多因素限制，不可避免出现公路、铁路隧道近接交叉爆破施工的情况。新建隧道爆破施工过程中，极易引起邻近既有隧道结构产生裂缝、掉块等病害，而在超大断面隧道相互近接工程中，这种相互影响更加严重。

众多学者对近接交叉隧道施工影响分区问题进行了研究。文献［1］在总结大量国内外近接施工经验的基础上，提出了近接施工影响分区指标、分区方法。文献［2］采用工程类比和数值模拟方法，结合几何近接度、交叉角度等指标划分近接隧道爆破振动施工影响区。文献［3］针对新建铁路隧道下穿既有公路隧道工程，以既有隧道沉降为指标划分了不同围岩级别下近接隧道施工影响区。文献［4］以新建大横琴山1#隧道与新建珠机城际隧道近接交叉隧道工程为依托，拟定先上后下、先下后上两种修建顺序，通过计算得到先下后上顺序较优，并以结构强度、位移为指标划分了后建隧道施工对先建隧道的影响区。文献［5］建立TBM（Tunnel Boring Machine）法新建双线隧道下穿既有隧道三维数值模型，通过分析塑性区分布范围、中间土层应力变化规律，确定新建隧道先行洞、后行洞对既有隧道的影响范围分别为既有隧道等效直径的1.5、1.0 倍。文献［6］结合数值计算结果和现场爆破监测数据，探讨不同净距下新建隧道爆破施工对邻近既有隧道振动的影响。文献［7］通过建立新建隧道下穿既有隧道三维数值模型，研究对既有隧道影响区域划分方法，并给出了近接区域既有隧道结构变形控制措施。文献［8］基于强度折减法分析近接隧道工程中既有隧道的渐进破坏模式，分别采用2.0 和2.4 的安全系数划分不同围岩级别下对既有隧道的影响分区。文献［9］依托福厦客运专线新大帽山1#隧道与既有新刘塘1#隧道近接工程，采用频率和振速双判据，对新建隧道爆破振动下既有隧道影响分区进行了划分。文献［10］提出了近接交叉隧道影响度理论表达式，结合结构位移判别准则对影响分区进行了划分。

本文通过建立新建杭温高速铁路梧坞隧道上跨既有义东高速公路西甑山隧道爆破施工三维数值模型，分析新建隧道不同爆破开挖位置下既有隧道振速分布规律，结合振速分区标准划分新建隧道施工影响区、对既有隧道纵向的影响范围，通过现场监测结果判断既有隧道结构的安全性。

1 工程概况

西甑山隧道设计行车速度100 km/h，隧道总长3.2 km，属特长分离式双洞公路隧道，断面宽14.5 m，断面面积约162 m2。梧坞隧道设计行车速度350 km/h，属单洞双线隧道，两线间距5.0 m，轨面设计标高168.8 m，断面面积约158 m2。西甑山隧道与梧坞隧道交角约87°。西甑山隧道与梧坞隧道位置关系见图1。两隧道交叉段岩性以中风化、微风化凝灰岩为主，围岩等级为Ⅲ、Ⅳ级，完整性较好。

图1 西甑山隧道与梧坞隧道位置关系（单位：m）

2 数值模拟

2.1 模型建立和参数确定

新建梧坞隧道埋深取8 m，其仰拱与既有西甑山隧道拱顶净距取9 m；西甑山隧道两线净距取12.8 m，已施作二次衬砌。梧坞隧道采用三台阶法爆破开挖，循环进尺为2 m，掌子面爆破掏槽孔采用耦合装药方式，装药段长150 cm，堵塞段长50 cm，距炮孔底部20 cm 处放置雷管，起爆药量为29.9 kg。计算模型见图2。

图2 计算模型（单位：m）

考虑到爆破振动效应下应力波的反射作用，模型顶部、新建隧道掌子面和其已开挖部分表面设置为自由边界，其余边界均设置为无反射边界。新建隧道下台阶开挖面与既有隧道距离较近，爆破施工对下方既有隧道扰动较大，因此仅分析新建隧道下台阶爆破施工对既有隧道的影响。计算参数见表1。

表1 计算参数

2.2 测点布置

在既有隧道二次衬砌结构的拱顶、拱肩、拱腰、边墙和仰拱布置测点，监测新建隧道开挖过程中既有隧道二次衬砌各部位的振速。

2.3 爆破振速控制基准的确定

TB 10313—2019《铁路工程爆破振动安全技术规程》规定，双线爆破振速（v）允许值在5 ～ 8 cm/s。本文将近接隧道v控制值设定为7 cm/s，并将爆破影响程度划分为3个等级，见表2。

表2 爆破振动影响等级划分标准

2.4 计算结果分析

2.4.1 新建隧道爆破施工影响分区

新建隧道不同爆破开挖距离下既有隧道二次衬砌结构各部位振速分布见图3。由表2 和图3可知，随着新建隧道不断的爆破开挖，既有隧道不同部位振速基本上先增大后减小。新建隧道爆破开挖对既有隧道左拱肩、拱顶产生强影响，左拱肩振速最大可达5.6 cm/s；对既有隧道左拱腰、右拱肩、左边墙产生弱影响；对既有隧道右边墙、右拱腰、墙脚、仰拱基本无影响。因此，在新建隧道爆破开挖过程中易造成既有隧道拱顶、拱肩损坏，应加强对裂缝的监测。

图3 新建隧道不同爆破开挖距离下既有隧道二次衬砌结构各部位振速分布

新建隧道不同爆破开挖距离下既有隧道二次衬砌结构最大振速分布见图4。其中：D为既有隧道跨度，为17.8 m。

图4 新建隧道不同爆破开挖距离下既有隧道最大振速分布

由表2 和图4 可知：①新建隧道开挖至0.8D～2.0D时对既有隧道左线产生强影响，开挖至0.2D～0.8D、2.0D～ 2.3D时产生弱影响；②新建隧道开挖至2.9D～ 3.9D时对既有隧道右线产生强影响，开挖至1.2D～ 2.9D、3.9D～ 4.2D时产生弱影响；其余范围皆基本无影响。新建隧道穿越既有隧道强影响区时，应时刻关注既有隧道结构的振速，及时反馈既有隧道结构的状态。

2.4.2 既有隧道结构纵向振速分布规律

新建隧道爆破开挖至2.5D时，既有隧道二次衬砌结构各部位振速分布见图5。

图5 新建隧道开挖至2.5D 时既有隧道二次衬砌结构各部位振速分布

由图5 可知：①新建隧道爆破开挖至2.5D时，新建隧道已穿越既有隧道左线，此时左线处于新建隧道背爆侧，衬砌结构各部位振速普遍小于0.8 cm/s，新建隧道爆破施工对既有隧道左线基本无影响。②新建隧道开挖至2.5D时，新建隧道施工未到达既有隧道右线，此时右线处于新建隧道迎爆侧，右线左拱肩振速均大于其他部位。以左拱肩振速为基准进行分析。新建隧道开挖对既有隧道右线纵向-0.3D～ 0.3D范围产生强影响，对-0.6D～ -0.3D、0.3D～ 0.6D范围产生弱影响。因此，对既有隧道纵向-0.3D～ 0.3D范围应加强监测。

3 现场实测

实际工程中，新建隧道初始开挖面与既有隧道左线边线相距5 m。从初始开挖面开始，监测两线45 m范围内振速，判断既有隧道结构的安全性。现场爆破监测点布置在左线右拱肩和右线左拱肩。

既有隧道二次衬砌结构现场实测振速分布见图6。可知：①随着新建隧道不断爆破开挖，既有隧道振速呈振荡式减小。②既有隧道两线45 m 范围大部分测点振速小于2.5 cm/s，极少部分测点振速在2.5～4.2 cm/s。结合日常巡检结果，新建隧道爆破施工过程中既有隧道未产生裂缝、掉块等病害，表明新建隧道爆破施工过程中既有隧道处于安全状态。

图6 既有隧道二次衬砌结构现场实测振速分布

4 结论

1）新建隧道爆破施工过程中对既有隧道左拱肩、拱顶产生强影响，左拱肩最大振速可达5.6 cm/s。施工期间应着重监测既有隧道拱顶、拱肩产生的裂缝，一旦出现立即对新建隧道采取减小装药量、缩减爆破开挖进尺等减振措施，同时对既有隧道采取维修加固措施。

2）新建隧道开挖至0.8D～ 2.0D、2.9D～ 3.9D时，先后对既有隧道左线、右线产生强影响。新建隧道开挖至2.5D时，对既有隧道纵向-0.3D～ 0.3D范围产生强影响。这些区间均应加强监测。

3）既有隧道两线45 m 范围二次衬砌结构测点振速大多数小于2.5 cm/s，极少部分在2.5～ 4.2 cm/s，表明新建隧道爆破施工对既有隧道影响较小。