新建隧道爆破施工对既有隧道交叉段影响分析

王洪存 王晓卫 张扬波

[摘  要]：正确认识邻近隧道爆破施工下既有隧道交叉段衬砌结构的动力响应特性，对于保证隧道的安全稳定、指导工程安全高效进行有着重要的意义。文章以梧坞高铁隧道与西甑山公路隧道交叉段为工程背景，通过建立近接隧道交叉段爆破振动三维数值模型，分析既有隧道振速、应力分布规律，确定近接隧道施工中应关注的重点部位及范围。研究结果表明：既有隧道拱頂、拱肩爆破振动响应较为敏感，是施工中对其应重点关注，应加强监测，必要时采取相应措施，以保证既有隧道衬砌结构的安全稳定。

[关键词]：上穿隧道; ANSYS/LS-DYNA; 爆破施工; 振动响应

U455.6A

随着我国基础设施的不断发展，新建铁路、公路等交通线路也在日益增多。在修建这些线路时，会不可避免的出现近接交叉隧道、平行小净距隧道等情况，这些隧道由于间距较小而存在近接施工问题，尤其是新建隧道爆破施工下，若设计、施工不当会对既有隧道结构产生不利影响，进而影响其安全性、使用性[1-5]。

目前，国内外众多学者对近接隧道爆破施工展开了一系列研究，并取得了相应成果。吴波等[6]结合现场监测和数值模拟，研究了新建隧道爆破荷载作用下既有隧道振动特性及应力分布特征。叶培旭等[7]以钱仓山隧道为依托，通过现场监测研究近接隧道爆破施工的振动影，得到了交叉距离、岩体完整性是影响既有隧道结构振速主要因素。彭道富等[8]根据现场实测资料，采用统计回归的方法研究不同近接距离爆破对既有隧道振速的影响，得到了最大振动速度与近接爆破距离之间的内在规律。郭东明等[9]采用数值模拟和模型试验的方法研究邻近隧道爆破施工下既有隧道的动态破坏，得到了既有隧道的破坏形态、裂纹出现部位以及最小安全间距。贾磊等[10]通过建立近接隧道爆破施工三维数值模型，研究了不同开挖进尺、埋深、间距下既有隧道衬砌结构的振动响应规律。

本文以梧坞高铁隧道与西甑山公路隧道交叉段为依托，采用LS-DYNA动力有限元程序建立上方新建高铁隧道爆破施工下既有公路隧道数值模型，通过分析既有隧道振速、应力分布规律，确定近接隧道施工中应关注的重点部位及范围，可为今后类似近接隧道工程施工提供一定指导与参考。

1 模型的建立

1.1 工程概况

义东高速（S45）东阳段西甑山隧道为6车道分离式特长隧道，设计行车速度100 km/h，行车道宽度3×3.75 m，单洞建筑界限总宽14.50 m，紧急停车带建筑界限总宽17.50 m，隧道开挖断面约为162 m2。

1.2 计算模型

根据地勘资料和相关设计资料，两隧道交叉段为Ⅲ级围岩，公路隧道两线间距为12.8 m，公路隧道拱顶与高铁隧道仰拱中心净距为8 m。根据现场施工进度，交叉段公路隧道二次衬砌已施作完成，高铁隧道先后上跨公路隧道右线、左线，采用三台阶法爆破开挖，整体模型及装药孔布置如图1、图2所示。模型顶部、隧道掌子面及已开挖隧道表面采用自由边界，其余边界均设置为无反射边界，模型如图2所示。

1.3 计算材料与参数

模型主要空气、岩体、衬砌和炸药等材料组成，其主要物理力学参数如表1所示。

2 数值计算结果分析

2.1 横断面振速响应规律分析

依据中心断面各监测点的综合振速时程曲线确定峰值振速。测点布置如图3所示，振速分布如图4所示。

由图4可知，当新建隧道掌子面位于交叉段中心时，爆破振动对前方既有隧道（左线）的振动影响强结构处于安全状态。于后方隧道（右线），左线衬砌振动响应强度约为右线相对称位置处的2～6倍。右线隧道衬砌监测点振速均小于1.0 cm/s，左线隧道衬砌质点振速整体较大，振速最大值在左拱肩，为5.2 cm/s，且拱顶、拱肩爆破振动响应较为敏感，是施工中对其应重点关注，应加强监测，必要时采取相应措施，以保证既有隧道衬砌结构的安全稳定。

2.2 横断面衬砌应力响应分析

提取中心断面各监测部位的应力时程曲线，对公路隧道左、右线衬砌在横断面上的应力响应特性进行分析，如图5所示。《隧道工程施工要点集》中指出，新建隧道对既有隧道的影响以衬砌应力增加的容许值为判据，其中，拉应力容许值为1.0 MPa，压应力容许值为5.0 MPa。

由图5可知，公路隧道左、右线衬砌结构在爆破荷载作用下均产生一定的附加应力，第一、三主应力的大小及分布较一致。整体上，左线衬砌应力响应大于右线，主要是由于其处于应力波传播的正方向上，强度较大的应力波传播至左线时能量衰减较少所致。右线拉、压应力增量最大值分别为0.044 MPa、0.043 MPa，均位于右拱脚处，最小值位于背爆侧的拱脚、边墙处，主应力最大值出现于衬砌右拱脚处由于半径较小而存在应力集中现象，是工程中需要重点关注的部位。左线拉、压应力增量最大值分别为0.157 MPa、0.188 MPa，均位于右拱肩处，最小值位于仰拱处。左右线衬砌附加应力最大值均远小于应力容许值，结构处于安全状态。

以上结果表明，爆破荷载作用下，既有隧道衬砌结构附加应力的大小及分布主要受爆心距、应力波反射、结构自身状态等因素的控制。爆心距越大，附加应力越小。应力波的反射会削弱入射波的强度，附加应力会有一定降低。衬砌单元在应力波入射方向上有约束时产生的附加应力较无约束时大。

2.3 轴向振速响应规律分析

为了进一步分析衬砌结构受上方爆破荷载作用下沿既有隧道轴向的振速变化规律，提取既有隧道不同断面处不同监测位置的综合振速最大值，如图6、图7所示。

由图6、图7可知：①左右线隧道各监测点质点振速沿轴向均呈现先增大后减小的趋势，在交叉断面出现最大振速值，且振速曲线基本关于中心断面对称，说明沿既有隧道轴向随着距爆源距离的增大，结构受爆破振动影响不断减小，反之距爆源越近，结构振动响应越强烈，质点振速值越大;②左右线隧道不同断面监测点振速均表现为迎爆侧大于背爆侧，此现象主要是因为迎爆侧爆心距较背爆侧小，及左右线已开挖洞室的临空面效应造成应力波无法沿最短路径传播而衰减作用较大造成的。

3 结论

本文以梧坞高铁隧道近距离上跨双线大断面西甑山公路隧道为工程背景，采用ANSYS/LS-DYNA对新建隧道掌子面位置、既有隧道衬砌结构对爆破振动的影响进行系统分析，主要得到结论：

（1）既有隧道右线拉、压应力增量最大值分别为0.044 MPa、0.043 MPa，左线拉、压应力增量最大值分别为0.157 MPa、0.188 MPa，其最大值均远小于应力容许值，结构处于安全状态。

（2）爆破荷载作用下，既有隧道衬砌结构附加应力的大小及分布主要受爆心距、应力波反射、结构自身状态等因素的控制。

（3）在距中心断面前后各10 m区域内，隧道横断面不同位置的振速差异较大，振速大小主要由爆心距和监测点位置决定;10 m外区域不同位置质点振速逐渐趋于一致，振速大小主要由爆心距控制，结构位置的影响较弱。

参考文献

[1] 王秋懿，马国民，李华，等.基于数值仿真计算的近接隧道爆破震动传播规律研究[J].现代隧道技术，2018，55（S2）：450-458.

[2] 刘加尧.临近既有线的新隧道开挖爆破减震技术[J].工程爆破，2000（2）：78-81+77.

[3] 刘加尧.临近既有线的新隧道开挖爆破减震技术[J].工程爆破，2000（2）：78-81+77.

[4] 徐振洋，杨军，陈占扬.临近隧道爆破振动的能量分布特征研究[J].爆破器材，2013，42（3）：5-10.

[5] 曹明星，刘子阳，张东，等.立体交叉隧道爆破振动响应分析[J].工程爆破，2020，26（5）：93-99.

[6] 吴波，兰扬斌，杨建新，等.新建隧道爆破对临近隧道振动特性的影响研究[J].中国安全科學学报，2019，29（11）：89-95.

[7] 叶培旭，杨新安，凌保林，等.近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响[J].岩土力学，2011，32（2）：537-541.

[8] 彭道富，李忠献，杨年华.近距离爆破对既有隧道的振动影响[J].中国铁道科学，2005（4）：73-76.

[9] 郭东明，刘康，张伟，等.不同间距邻近爆破载荷下隧道破坏规律及动态响应研究[J].北京理工大学学报，2018，38（10）：1000-1005.

[10] 贾磊，解咏平，李慎奎.爆破振动对邻近隧道衬砌安全的数值模拟分析[J].振动与冲击，2015，34（11）：173-177+211.