新建隧道下穿昆河铁路爆破施工安全性分析

宋博涵 崔光耀 谢 优 余君宇 葛 婧

(北方工业大学，北京 100144)

0 引言

随着经济建设的发展、交通基础设施的不断完善，全国铁路线路运营里程已达到13.9万km以上[1]。因铁路线路如织网般附着于大地，同时多受山地复杂条件的困扰，新建隧道下穿既有铁路的情况时有发生。在新建隧道爆破开挖过程中，保证下穿既有铁路安全运营是问题的关键。因此，对新建隧道下穿既有铁路展开相关研究具有一定意义。

1 研究综述

目前，国内专家学者对新建隧道下穿铁路进行了相关研究。唐志辉[2]依托南宁地铁4号线，提出基于强度折减系数法对下穿铁路隧道进行加固优化设计，并根据实际现场数据进行验证，结果表明：该优化设计方案能有效地控制铁路线路的沉降；沈亚成[3]依托南京地铁4号线下穿既有铁路路基工程提出了对新建隧道在开挖前采用管棚、小导管以及锚杆等措施对围岩进行超前加固，能够减小下穿铁路路基及铁道的沉降；谢浩[4]依托沪通铁路安亭下行疏解线下穿运营京沪高铁工程，利用有限差分软件对浅层加固、CFG桩加固、钻孔桩+筏板加固等加固措施进行数值模拟分析，根据计算结果以及对周围环境影响综合考虑，钻孔桩+筏板加固方案更适合该工程；彭彤[5]依托福州地铁1号线下穿福州车站工程，采用数值模拟分析的方法并参考大量实际工程量测数据，对黏性土层以及砂卵石土层的路基提出沉降变形标准。矿山法作为传统的施工方法多用于山岭隧道开挖。在施工过程中，既不影响周围土层环境的破坏又不耽误施工进程，所以合理的爆破施工控制技术是该工法研究的关键[6-8]。邓祥辉等[9]依托实际工程监测数据对卢文波等[10]提出的多孔起爆时质点峰值振速的公式进行修正，并验证修正公式的合理性；为确保既有构筑物的沉降在安全范围内，赵宝珠[11]对浅埋大断面钻爆法施工提出了先局部加固、再减振、最后再加固的施作措施，并结合现场沉降数据验证了该措施的安全性；爆破开挖的过程中地表会产生振动效应，陈士海等[12]利用保角映射将隧道开挖过程中地表振动规律转化成半空间内球形药包引发的地表振动效应，提出了爆破开挖时可参考的地表振动计算公式。

2 工程概况

综上所述，开展新建隧道对下穿既有铁路安全影响的相关研究极为重要。本文对庄寨水库至碧色寨引水连通工程中，新建隧道下穿昆河铁路工程3处爆破开挖施工段进行数值模拟分析，根据计算结果，验证其安全性并提出施工建议。

2.1 地质条件

该工程区位于云南高原南缘山区，地处“康滇缅歹字型构造”中段东支与云南“山”字型构造前沿弧顶缘的衔接带上，为中等—浅切割中山山地高原地貌。测区内主要由岩溶化山地地貌、岩溶断陷盆地地貌和构造剥蚀山地地貌3种类型组成。

2.2 新建隧洞与既有铁路相对位置关系

该工程共有3处位置下穿既有昆河铁路，对应隧洞里程数分别为K0+109.7(昆河铁路K311+230)围岩等级Ⅴ级、K2+290.1(昆河铁路K308+120)围岩等级Ⅴ级、K4+036.2(昆河铁路K305+360)围岩等级Ⅳ级，新建隧洞下穿既有铁路竖向间距分别为15.68 m，76.37 m，24.82 m，穿越角度分别为67°，47°和83°。新建隧洞与既有铁路位置关系如图1所示。

(a)K0+109.7处下穿位置图(b)K2+290.1处下穿位置图(c)K4+036.2处下穿位置图

3 研究情况

3.1 计算模型

根据埋深条件与隧道铁路的相对位置，分别建立K0+109.7段、K2+290.1段及K4+036.2段数值模型，依据圣维南原理，建模时为了避免边界效应，整个模型宽度取≥5倍隧道洞径，沿隧洞纵向30 m范围建立三维模型。计算模型的边界条件为四周以及下边界全约束，上边界无约束。各工段计算模型如图2～图4所示。

(a)隧道下穿铁路模型图(b)铁路隧道相对位置

(a)隧道下穿铁路模型图(b)铁路隧道相对位置

3.2 计算参数

根据实际地勘资料，模型的计算参数如表1所示。

表1 计算模型参数

3.3 计算工况

根据新奥法施工所强调的“超前探测，超前支护，短进尺、控爆破、少扰动，早封闭、强支护、勤量测”的工艺要旨，隧洞开挖循环进尺按2.0 m计算。首先计算初始地应力，保留计算所得的应力状态，同时将位移归0，以此作为隧洞施工前的初始状态。此后，在模型纵向方向30 m范围内，每2 m进行1次爆破，直至隧道贯通，共计15次爆破循环。模拟爆破施工图如图5所示。

图5 模拟爆破施工图

由图5可见，第8次爆破循环时，隧洞开挖至铁路线正下方，此时为施工阶段最不利工况。以最不利工况和其前后2次循环以及施工完成为例进行重点分析，其工况序号及对应阶段如表2所示。

3.4 动力参数

采用常规动力加载方式，将3个方向(X，Y，Z)的振动波同时施加至掌子面，以达到爆破开挖的效果，单次爆破的持续时间为2 s。以Z向为例，处理后的振动波加速度时程曲线如图6所示。

图6 爆破波Z方向加速度时程曲线

4 铁路线变形计算结果分析

分别提取模拟爆破过程中施工最不利工况(即工况8)K0+109.7，K2+290.1及K4+036.2段铁路线变形云图，如图7～图9所示。

(a)X向铁路变形云图(b)Y向铁路变形云图(c)Z向铁路变形云图

(a)X向铁路变形云图(b)Y向铁路变形云图(c)Z向铁路变形云图

(a)X向铁路变形云图(b)Y向铁路变形云图(c)Z向铁路变形云图

由位移云图提取铁路结构的沉降及水平位移数值，其中，水平位移由式(1)计算：

(1)

式(1)中，c为既有铁路水平位移，mm；a为既有铁路X向位移，mm；b为既有铁路Y向位移，mm。

由图6～图8可知，K0+109.7段在本次爆破施工完成后，铁路竖直方向的最大位移41.2 mm；提取铁路各点X、Y方向位移值，并根据几何关系计算可得，铁路水平方向的最大位移为9.7 mm。K2+290.1段在本次爆破施工完成后，铁路竖直方向的最大位移3.04 mm；提取铁路各点X,Y方向位移值，并根据几何关系计算可得，铁路水平方向的最大位移为1.38 mm。K4+036.2段在本次爆破施工完成后，铁路竖直方向的最大位移35.6 mm；提取铁路各点X,Y方向位移值，并根据几何关系计算可得，铁路水平方向的最大位移为6.2 mm。根据《铁路技术管理规程》及铁路管理部门颁布的控制标准，并参考国内类似工程经验，考虑到施工等综合原因，确定铁路线路变形控制指标为铁路轨道水平、沉降均不能超过4 mm。由此可见，在K0+109.7段及K4+036.2段施工完成后，变形铁路轨道沉降变形及水平变形均大于4 mm，即此时爆破过程对既有铁路安全已造成影响，不符合规范及铁路管理部门颁布的控制标准。为了更好地了解K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段在模拟爆破过程中对既有铁路的影响，将爆破开挖过程中既有昆河铁路竖向及水平位移变形汇总于表3，并以K0+109.7段为例，制作爆破开挖趋势图，如图10所示。

由表3可知，在爆破开挖的全过程中，随着爆破循环开挖的持续进行，至铁路垂直中心时，铁路竖向位移及横向位移均呈递增趋势,后随着爆破的结束变形量相应地减小。K0+109.7段以及K4+036.2段在爆破施工过程中，每一次爆破都对周围土体及既有铁路有较大的影响，变形均大于控制标准4 mm，不符合规范要求，不建议直接爆破施工。K2+290.1段在爆破开挖的全过程中，既有铁路变形较小，在控制标准4 mm以内，未对既有铁路造成安全性影响。

5 结论

本文依托庄寨水库至碧色寨引水连通工程对新建隧道下穿既有昆河铁路K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段进行爆破施工数值模拟分析，根据相关规范要求，参考既有铁路的变形结果，对该项目进行安全影响分析，结论如下：

(1)隧洞里程K0+109.7(与昆河铁路相交K311+230)与K4+036.2(与昆河铁路相交K305+360)处，新建隧洞与既有铁路竖向间距分别为15.68 m、24.82m，此处隧洞埋深较浅，围岩应采取一定的加固措施，施工断面应采取非爆破开挖，减小掌子面开挖对围岩的扰动、减小塑性松动圈，支护及时跟进，保证围岩稳定，从而保证铁路安全运行。

(2)隧洞里程K2+290.1(与昆河铁路相交K308+120)处，新建隧洞与既有铁路竖向间距为76.37 m，此处隧洞埋深稍深，围岩应采取一定的加固措施，施工断面应采取控制爆破，保障开挖部位围岩稳定，遵循“短进尺、控爆破、少扰动，早封闭、强支护”的开挖原则，确保隧洞施工对上部铁路运营不造成不利影响。