新建隧道爆破施工对邻近既有隧道的影响研究

雷恩宇

中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司，四川成都 610500

随着我国交通事业的发展，由于受地形限制、选线条件等原因越来越多的隧道修建在既有隧道旁；城市轨道交通的发展也使得地铁建设在各大城市里如火如荼。钻爆法因其灵活、高效的特点目前以及未来很长一段时间是我国一种常用的隧道开挖方法[1]。钻爆法通过群孔逐段起爆破碎抛掷岩石进行开挖掘进。然而在隧道的修建过程中，爆破引起的振动对相邻隧道的影响也越来越引起人们的重视。邻近隧道爆破施工爆破振动会造成既有隧道衬砌开裂、剥落甚至塌落等危及行车安全的现象。因此，在爆破施工前有必要对爆破振动的影响进行研究评估。

关于新建隧道爆破施工对邻近既有隧道的影响，国内外众多专家学者已经对此深有研究，并取得了一定的成果。日本学者Nagano通过对隧道施工现场爆破施工的测试实验建立了一套评价隧道施工爆破振动等级的标准[2]。Nakano等人通过对隧道爆破施工中测试振动数据的记录和衬砌裂缝的统计分析，得出了有关于隧道爆破振动等级和衬砌裂缝形成关系的研究结果[3]。

刘慧对马蹄形隧道在侧爆作用下的动态响应进行了研究分析，提出了隧道迎爆一侧的动应力集中因子近似确定方法，为隧道的安全爆破施工对邻近隧道的安全提供了参考[4]。王明年等人在现场测试和数值分析的两种方法对比的基础上得出了一些有意义的结论[5]。毕继红等人就不同的围岩级别和隧道间距的情况下对既有隧道的振动影响进行了分析，得出了隧道间距小于一倍的洞径时，隧道的振速峰值会超过允许值，且围岩的振速与距爆源的距离之间的关系是非线性的[6]。冯仲仁等人通过对小净距隧道爆破的研究，得出近距离爆破对邻近隧道迎爆侧边墙至拱顶处影响最大，拱顶周边的围岩成为破坏发生区[7]。傅洪贤等人通过现场测试，研究了既有隧道掌子面后方隧道拱顶、掌子面正上方和侧面围岩的爆破振动规律[8]。王春梅通过对小间距隧道爆破施工现场检测结果进行统计和回归分析，确定了爆心距以及分段装药量对于爆破振速传播规律的影响[9]。路亮等人以纵波为研究对象，采用波函数法推导出了无限弹性介质中符合衬砌结构隧道在爆破地震波的作用下动力响应的解析解，得出了隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力影响较大[10]。夏一鸣等人通过对既有隧道开展爆破振动监测，得出了既有隧道迎爆侧衬砌结构断面振动最大，爆破振动的频率比既有隧道衬砌结构的固有频率高很对，不会因爆破产生共振破坏的结论，并提出了单段最大起爆装药量以控制爆破振动的影响[11]。

本文以沪昆客专大茶山隧道的施工为背景，采用岩土有限元软件Midas/GTSNX，模拟了邻近隧道的爆破施工对既有隧道的影响。讨论了不同隧道间距的工况下，邻近隧道爆破施工对既有隧道衬砌振速、位移、应力的影响，得出了邻近隧道爆破施工的过程中既有隧道衬砌振速峰值、位移最大值、最小主应力的发生区域，确定了不同隧道间距对既有隧道的影响，并提出了减震防护的施工方法。对实际工程施工建设有一定的指导意义。

1 爆破震动控制方法及标准

衡量爆破振动的物理量有位移、速度、加速度等物理指标。在隧道爆破施工中，引起的某个物理指标达到某个程度时对既有结构物造成何种程度的影响，国内外学者专家对此有不同的判定。

日本在间距2.5～3.2m交叉隧道（荻津隧道） 的爆破开挖过程中，爆破振动速度控制标准为：V≤60cm/s正常施工；60cm/s≤V≤90cm/s一级警戒，加强振动监测；90cm/s≤V≤120cm/s二级警戒，更改爆破设计，加固岩柱部分；当V≥120cm/s时三级警戒，停止工作并做其他量测，改变施工方法加固衬砌。我国水电部门在考虑地下洞室的爆破振动安全时，一般考虑按下列标准考虑：与岩体结合为一体的钢筋混凝土衬砌隧洞振速V≤50～100cm/s；基岩或地下岩壁（中等岩石） ，振速V≤25～50cm/s；无衬砌的地下洞室和离壁式衬套结构，振速V≤10cm/s。我国《爆破安全规程》（GB 6722—2014） 规定按照式（1）推算爆破振动速度，具体如下：

式中：v—保护对象所在地质点振速（cm/s） ；Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量（kg） ；R—爆破振动点与被保护建筑物的最小距离（m） ；K，a分别为与爆破点和保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定。《爆破安全规程》 （GB 6722—2014） 中规定各类型隧道的安全振速标准如表1所示。

本文采用《爆破安全规程》 （GB 6722—2011） 建议的临界振动速度做为评判隧道破坏的标准即邻近隧道爆破施工引起的既有隧道在不同的振动频率下既有隧道的破坏的临界振动速度在10～20cm/s。

表1 爆破振动安全允许标准

2 工程概况与计算模型

2.1 工程概况

新建铁路沪昆客运专线贵州段CKGZTJ-11标段位于贵州省关岭—普安县区间，项目管段内主要以长大隧道施工为主。其中，大茶山Ⅰ级风险隧道出口设计为辅助平行导坑，隧道的设计采用分离式小间距隧道，出口和进口测设线间距分别为18.33、10.38m。隧道区属于低中山地貌，海拔高程870～1120m。隧址岩层单斜构造，岩层产状215～245°＜45～70°。进出洞口节理较发育。岩体主要为下元古界石槽沟组石英片岩夹变粒岩。

大茶山隧道某IV级围岩段的开挖分上下两个台阶分别爆破施工，选用2#岩石乳化炸药。隧道一次爆破开挖进尺为2m，隧道炮眼布设图如图1所示，本文用数值模拟爆破荷载验证上台阶爆破工况。上台阶具体爆破参数见表2，炸药参数见表3所示。

图1 大茶山隧道炮孔布置图

表2 上台阶具体爆破参数

表3 炸药参数

2.2 计算模型

采用岩土有限元软件Midas/GTSNX模拟大茶山隧道的爆破荷载振动。模型尺寸大小为 （120×60×82）m3（长×宽×高） ，隧道采用单心圆仰拱截面，洞径D=12m。隧道埋深为3倍洞径，左右边界距隧道距离为4倍洞径，以减少边界效应的影响，如图2所示。

图2 数值计算模型

以粘性阻尼边界定义边界条件模拟地形概貌，避免爆破振动产生的应力波在边界上反射影响结果的准确性。岩体围岩参数取值见表4。

为了分析不同隧道间距下邻近隧道爆破施工对既有隧道的影响，本文模拟了五种隧道间距的情况，两隧道间距分别为4、8、12、16、20m。当隧道间距大于20m时，由于爆破振动对既有隧道影响甚微，故不再进行研究分析。

表4 岩体参数表

2.3 爆破荷载施加

按照凝聚炸药爆轰波Chapman-Jouguet理论[12]，计算出各个段位的爆破荷载峰值，以一条简化的三角形曲线模拟爆破荷载的升压和卸荷作用，并施加在隧道的开挖轮廓面上，以模拟爆破荷载的动力作用。各个段位的爆破荷载峰值如表5所示，荷载的施加位置见图3所示。

表5 各个段位的爆破荷载峰值

图3 爆破荷载施加位置

3 计算结果分析

3.1 隧道间距分析

3.1.1 振速分析

通过建立隧道间距分别为4、8、12、16、20m的隧道爆破振动模型，分析了因此爆破开挖2m的工况下不同隧道间距邻近隧道爆破施工对既有隧道的影响规律。以及通过对各工况既有隧道不同截面提取节点对比分析，得出了对既有隧道衬砌的影响差异。不同隧道间距振速峰值见表6、图4所示。既有隧道衬砌振速分析结果总结如下：

（1） 与爆破面距离最近的既有隧道迎爆侧最先受到影响，振速最大。最大振速出现在迎爆侧拱腰部位。

（2） 隧道间距小于12m时，既有隧道衬砌振速受距离影响较为明显；隧道间距大于12m时，振速峰值变化不明显，隧道间距不再是影响既有隧道衬砌的主要因素。

（3） 隧道爆破施工时，隧道间距小于12m的情况下既有隧道衬砌振速峰值大于规范规定的安全允许标准，建议减小爆破面或掘进尺寸，或者更换较为稳妥的施工方法。

表6 各工况振速峰值

图4 各隧道间距振速峰值

3.1.2 位移分析

不同隧道间距位移变形最大值见表7，对比见图5。结论总结分析如下：

（1） 既有隧道靠近爆破面的迎爆侧是变形较大的区域，在工程施工中应该加强监测。

（2） 两隧道间距小于16m时，既有隧道衬砌位移变形受距离影响明显；当隧道间距大于16m时，既有隧道衬砌位移变形随隧道间距变化趋于平稳，隧道间距不是影响既有隧道衬砌变形的主要因素。

（3） 在衬砌位移变形的分量中，水平位移值较大，起主导地位。

表7 各隧道间距最大位移

图5 各隧道间距最大位移变形

3.1.3 衬砌应力分析

不同隧道间距下邻近隧道衬砌最大主应力和最小主应力见表8，对比见图6。结论总结分析如下：

（1） 既有隧道衬砌受邻近隧道爆破施工影响最大主应力发生在靠近爆破面的迎爆侧拱腰位置。

（2） 既有隧道衬砌受邻近隧道爆破施工影响最小主应力发生在靠近爆破面的拱顶位置，由于衬砌的构成一般为素混凝土材料，因此在施工时应格外注意加强对这些部位的监测。

（3） 既有隧道衬砌的最大主应力和最小主应力在数值上随隧道间距的增大而减小，隧道间距大于18m时，应力大小趋于平稳，隧道间距不再是影响应力大小的主要因素。

表8 各隧道间距最大、最小主应力

图6 各隧道间距应力

4 结语

通过上述计算分析总结出以下结论：

（1） 在新建隧道的爆破施工中，邻近既有隧道迎爆侧衬砌的拱腰部位是振速峰值、最大位移变形、最大主应力的发生部位。

（2） 既有隧道衬砌拱顶部位是最小主应力出现的区域，由于混凝土材料抗拉强度较小，因此是裂缝容易发展的区域，应加强监测。

（3） 隧道爆破施工一次爆破开挖2m时，隧道间距小于12m的情况下既有隧道衬砌振速峰值大于规范规定的安全允许标准，建议减小爆破面或掘进尺寸，或者更换较为稳妥的施工方法。

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