主线隧道爆破荷载对隧道锚协同施工影响分析_许建凯.pdf

设计施工水利规划与设计 年第 期：.主线隧道爆破荷载对隧道锚协同施工影响分析许建凯，王 保，刘赐文，杨先奎，龙立敦，李少方，李浩然（.贵州瓮开高速公路发展有限公司，贵州 贵阳；.中铁广州工程局集团有限公司，广东 广州；.中铁开发投资集团有限公司，云南 昆明；.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳）摘要：文章依托四坪隧道与开州湖大桥隧道锚的交叉施工段，为研究隧道施工对隧道锚的影响，建立数值模型，分析了四坪隧道与开州湖大桥隧道锚协同施工爆破振动的影响。分析结果表明：由于两者最近竖向间距仅有.左右，所以在两者的开挖过程中应严格控制两者洞室的最大段药量进而控制爆破振动速度，保证隧道与隧道锚的安全施工。计算结果得出最大振速为.，通过萨道夫斯基公式反算出单段最大装药量不大于.，为实际工程施工提供参考和建议。关键词：隧道锚；爆破振动；数值模拟；协同施工中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：许建凯（年），男，高级工程师。：.隧道爆破施工的振动荷载会对邻近设施或建筑物产生影响。特别地，当隧道爆破施工与邻近工程存在交叉施工时，如若不采取恰当的措施，会对邻近工程的稳定性产生巨大影响，产生一系列安全隐患，对邻近工程施工安全带来极大的威胁。随着我国交通基础建设的发展，公路隧道的数量日益增加，隧道已经成为了一种必不可少基础建设设施。隧道锚作为悬索桥的一个主要结构体系，其主要功能是对悬索进行锚固。由于一些特殊地形限制，会出现桥隧相连接的情况，尤其当遇到在悬索桥与隧道连接的地方，隧道的开挖与开设的隧道锚之间会存在相互影响。锚塞体作为悬索桥的 大部件之一，其安全性十分关键，在某些情况下，由于地形的限制，隧道与隧道锚的间距不满足爆破规范要求时，在隧道开挖的时候，爆破产生的振动会对隧道锚的围岩产生影响，影响隧道锚安全正常地工作。刘新荣，肖宇等开展了隧道锚与下穿隧道间相互影响规律的 室内模型试验研究，得出了锚塞体沉降主要由下穿隧道先行洞开挖导致。于建新等人采用 显式动力数值模拟方法，开展近距离隧道爆破施工的相互影响研究，研究结果表明：药量增大、净距减小、跨度减小均会在一定程度上引起既有隧道内振速的增大。李岩松等在考虑围岩产状影响的条件下利用萨道夫斯基爆破经验公式对老龙山隧道附近既有建筑的爆破影响进行了分析研究，结果表明：爆破振速沿地层产状垂直方向传播时比沿平行方向传播时大，爆破振动点距离建筑物越近这种趋势越明显。大量学者利用有限元法对包括下部公路隧道施工、隧道锚开挖、浇注、预应力施加、挂缆等全部工序进行了模拟，研究其他建筑物对已建成隧道锚或者隧道锚的开挖对既有建筑物的相互影响。通过上述结论得出，目前研究大部分着重于隧道爆破施工对已修建建筑物的影响，但是对于在建工程项目的影响研究仍然缺乏，特别是对于隧道爆破施工与在建工程项目存在交叉施工的情况的研究甚少。为了研究隧道爆破施工产生的振动对于在建的交叉施工项目围岩稳定性的影响，本文依托开州湖大桥隧道锚与四坪隧道工程，建立有限元模型分析在四坪隧道与开州湖大桥隧道锚交叉施工段，四坪隧道协同施工时爆破振动对在建隧道锚的影响。工程概况按设计要求，开州湖特大桥开阳岸隧道锚需在下方四坪隧道二衬施工完成后方可开始施工，年第 期水利规划与设计设计施工然而开州湖特大桥为瓮开高速项目控制性工程，也是整个项目的关键工作，其完成时间制约着全线建成投运的时间。因此，按常规施工顺序，开州湖特大桥最终完工的时间将远远突破项目总工期。为满足项目总工期要求，本方案中采取开州湖特大桥开阳岸隧道锚与四坪隧道同步协同施工的方式进行，即隧道锚隧洞开挖支护工作与四坪隧道进口段（隧道进口至横洞段）同步施工，待隧道锚下方隧道段（）二衬施工完毕且稳定后方进行隧道锚锚塞体砼浇筑施工。隧道锚隧洞开挖支护与处于隧道锚下方的隧道段同步施工过程中，做好超前地质预报，尤其是针对隧道及隧道锚间的岩体进行岩溶、溶蚀裂隙、破碎、节理等不良地质探测，并根据探测结果，研究制定专门爆破方案，认真测算上下作业点间的间距、围岩条件等，采用控制爆破技术，进行试爆，测试震动值，严格爆破震动，减少上下同时施工对彼此的影响。此外，在施工过程中，除进行爆破震动值监测外，同时加强隧道及隧道锚隧洞围岩变形及内力监测，确保围岩应力应变在安全范围内。协同施工示意图如图 所示。.工程地质场区位于扬子准地台黔北台隆贵阳复杂构造变形区。场区岩层单斜，产状稳定。场区地势陡峻，进口端交通条件较差。覆盖层以第四系坡残积层（）黏土、块石土为主；下伏基岩为寒武系中上统娄山关群（）中厚层白云岩夹泥质白云岩；中统高台组（）中厚层白云岩、泥质白云岩；下统清虚洞组（）白云质灰岩、泥质白云岩。岩质较破碎较完整，岩体节理裂隙较发育。地下水不发育，对混凝土结构呈微腐蚀性。岩溶中等发育，进口段发育大型岩堆，危岩较发育。无活动性断裂分布，场区整体稳定性较好。场区属浅切低山溶蚀、侵蚀地貌类型，海拔高程.，相对高差约.，隧道横穿过山体，地势起伏大，地表以植被耕地为主。.水文地质场区属长江流域乌江水系，场区进口东侧 处为洛旺河自北向南流；隧道出口西侧 处发育小型河流，宽.，水深.。场区地下水类型第四系松散裂隙水、基岩中风化裂隙水、岩溶裂隙水。松散裂隙水赋存于第四系松散土层内，水量小；基岩裂隙水赋存于强风化粉砂质泥岩节理裂隙内，水量小。施工技术及施工流程.四坪隧道施工总体方案四坪隧道包含横洞、分离式隧道段、小净距段、极小净距段、超小净距、连拱段及进出口洞口明洞及边仰坡施工。（）横洞开挖采用新奥法施工，、级围岩采用台阶法开挖。（）隧道超小净距级围岩段左右洞均采用三台阶法开挖。（极小净距级围岩隧道左右洞采用上下台阶法开挖。小净距级围岩段左右洞均采用台阶法开挖。（）连拱隧道段采用新奥法原理施工，施工中先开挖贯通中导洞，浇筑中隔墙混凝土，然后开挖主洞，最后进行全断面二衬衬砌的施做。级围岩段采用三台阶预留核心土法或三台阶 临时仰拱法进行开挖，级围岩段采用上下台阶法施工，后行图 协同施工示意图设计施工水利规划与设计 年第 期洞（右洞）上断面开挖须在先行洞（左洞）仰拱施工后再进行，且先行洞（左洞）与后行洞（右洞）上断面开挖距离不小于。（）隧道明洞段采用明挖法施工，在确保洞口边坡稳定的条件下，就地全段面整体模筑钢筋混凝土，暗洞均采用新奥法施工，主要工序采用机械化作业，隧道出渣采用无轨运输方式，二次衬砌浇筑采用模板台车。.隧道锚施工方案隧道锚位于开州湖岸坡上，因岸坡坡度陡峻，施工场地受限较严重，隧洞洞口边仰坡开挖支护完成后，为满足隧道锚开挖支护施工场地要求，同时节省出渣时间，以隧洞明洞与暗洞交界处为起点，先行向下开挖散索鞍支墩基坑，形成长.、宽.的平台，后在该平台上搭设出渣平台支架、规划空压机机房及运渣通道等功能区，以满足施工要求。如图 所示。隧洞开挖根据隧道的长度、地质条件、工期要求等因素，采用人工、机械、光面爆破开挖相结合的方式进行开挖，由于左、右净距较小（进口间距.、洞底最小净距.），左、右洞室错开掘进，隧洞围岩级别为、级，洞室断面较大，爆破作业时相邻隧洞的稳定性有一定的影响。由于隧道锚与四坪隧道同步协同施工，当四坪隧道开挖施工进入到隧道锚影响范围后，需加强超前地质预报及施工监测，尤其是对隧道锚与隧道间的岩体岩溶发育情况等进行有效探测，以确定合适的开挖爆破方法。先开挖的左洞采取台阶开挖的方式，后开挖的右洞采取台阶分部开挖的方式，避免对两隧洞间岩柱的扰动。数值模拟.参数选取.爆破荷载加载波形爆炸产生时，压缩波沿隧道径向且均匀地作用在周围洞壁上，首先对围岩有压实作用，当压缩波达到幅值后将急剧衰减，对于弹塑性的围岩材料，荷载消失后必将引起反向的回弹现象，因此选用具有加载和卸载过程的三角形荷载作为爆破荷载的近似形式，如图 所示。.爆破荷载峰值确定爆破荷载应力峰值按下式确定：.（）（）式中，比例距离，其中，炮眼至荷载作用面的距离，；炮眼填药量，；所以取 .，计算可得到.。本次计算取加载时间为，卸载时间为，为了解爆破应力波在岩体中的传播规律，取计算时间为。.岩体参数确定岩体参数见表。表 岩体参数表岩土名称重度（）弹性模量 泊松比内摩擦角（）内聚力 白云质灰岩.图 洞隧道断面设计图 年第 期水利规划与设计设计施工图 隧道连拱段开挖工序图图 隧道锚施工示意图图 爆破荷载时程曲线图.模型建立模型中所有材料采用实体 单元模拟，对整个模型施加厚度方向的约束，上表面为自由边界，其余表面设置为固定约束，如图 所示，在整个计算模型中，采用六面体单元映射划分。数值计算模型如图 所示。因隧道锚是斜向下打入，故隧道锚洞室下断面距四坪隧道拱顶最近，为了方便分析，提取距离隧道拱顶最近的隧道锚洞室测点的水平向速度、竖向速度与合速度时间历程曲线，测点如图 所示，测点 为单元，测点 为，测点 为。图 模型边界固定约束图图 数值计算模型图图 测点布置图.振动速度特征分析通过数值模拟，分别测出了 个不同位置的测点的振速曲线，如图 可知，测点 号的最大水平振速为.，为 个测点最大水平振速的最小值，最大竖向振速为.，是 个测点竖向振速的最大值。水平振速最大值在测点，振速为.。最大合速度在测点，表 最大振速表单位：节点号水平振速竖向振速合速度.设计施工水利规划与设计 年第 期图 号测点振速时程曲线图 号测点振速时程曲线图 号测点振速时程曲线最大合振速为.。竖直方向上产生最大振速为.，详见表。.单段最大装药量计算根据数值模拟得出的结果，可根据萨道夫斯基经验公式反算出在隧道开挖时单段最大装药量。根据岩石性质、爆破方式，爆破地震动速度，一般认为，爆破质点峰值振动速度随距离的衰减满足萨道夫斯基计算公式：（）式中，振动速度，；起爆过程中最大单响的炸药量，；测点与爆源之间的距离，即爆心距，；、与岩土介质有关的参数；与装药结构方式有关的参数，集中药包取，年第 期水利规划与设计设计施工柱装药包取。由 爆破安全规程。可知，在我国的工程中推荐使用修正后的萨道夫斯基经验公式，为能反映爆破振动的衰减规律，定义、为衰减参数。即 （）式中，规定了不同岩性下的 和 值，见表：根据现场地质取 ，.；单段最大装药量；模拟中取竖向最小距离 .；设计爆破振速，要求控制在 以内，为保守起见计算取 ，经计算单段最大装药量：.。表 不同岩性下的 和 值岩性坚硬岩石.中硬岩石.软岩石.根据振速时程曲线图，可以得到距离隧道上台阶中心距离最近的测点 的振动速度最大，竖向速度为.，合速度为.，均小于，因此，应将该点作为安全振动速度控制点，可通过上述萨道夫斯基计算公式，代入振速数据，反算得出在该处爆破开挖时的最大段药量不大于.。结论（）测点 的振动速度最大，产生的竖向最大振速为.，满足将隧道衬砌结构振动速度控制在 以内的要求。（）由于两者最近竖向间距仅有.左右，所以在两者的开挖过程中应严格控制两者洞室的最大段药量进而控制爆破振动速度，保证隧道与隧道锚的安全施工。（）通过建立隧道与隧道锚交叉段的数值计算模型，计算得到四坪隧道爆破开挖的单段最大装药量控制在.以内，可有效的控制围岩扰动。参考文献 戴自然，廖万辉，周旭，等 特大悬索桥现场隧道锚塞体自平衡法的承载特性研究 公路，（）：刘新荣，肖宇，韩亚峰，等 隧道锚与下穿隧道相互影响的模型试验研究 岩土工程学报，（）：于建新，刘焕春，魏海霞，等 近邻隧道爆破施工相互动力影响研究 现代隧道技术，（）：李岩松，罗利，杨根明，等 隧道开挖爆破对临近既有建筑安全影响分析 工程爆破，（）：舒磊，仇文革，龚伦 下穿隧道爆破施工对既有隧道的振动影响及对策研究 铁道标准设计，（）：，邵东辉，费鸿禄，杨朝阳，等 新建隧道爆破对既有隧道影响的数值模拟分析 工程爆破，（）：，卢裕杰，谢勇涛，丁祥 新建上跨隧道爆破施工对既有隧道影响的数值模拟及工程对策 中国铁道科学，（）：龚智辉，胡畏，吴祖松，等 爆破荷载作用下双洞大跨公路隧道之间的相互影响研究 公路工程，（）：朱玉，卫军，李昊，等 大跨径悬索桥隧道锚变位分析 岩石力学与工程学报，（）：杨建华，黄启欢，姚池，等 空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究 岩