姚彬 陈长忠
中交隧道工程局有限公司 北京 100102
摘要：本文以衢宁铁路塔石岭隧道为背景，采用数值模拟分析方法计算了不同距离、不同开挖方式和不同进尺情况下，新建塔石岭隧道爆破开挖对既有S328省道坑岭底隧道的影响，为铁路隧道上跨既有公路隧道开挖控制爆破提供参考。
关键词：既有隧道；控制爆破；数值模拟分析；振动速度
1 工程概况
衢宁铁路塔石岭隧道位于浙江省丽水市境内，设计为单线隧道，隧道全长3672.88m，隧道最大埋深235.04m。隧道最大开挖断面宽 8.34m、高9.88m。隧址区为剥蚀丘陵区，表层为粉质黏土，下伏基岩主要为流纹质含角砾玻屑凝灰岩，其下为弱风化层，岩质硬。从整体上看，隧道围岩较好。
2 隧道交叉情况
通过收集S328省道坑岭底隧道设计资料和现场实测，衢宁铁路塔石岭隧道在DK151+185处上跨S328省道坑岭底隧道，线路夹角为62度。
S328省道坑岭底隧道长1323m（其中明洞10m，暗，1313m），净高 5.0 m。坑岭底隧道路面标高约为277.09m，围岩级别为III级，公路结构采用III级围岩衬砌，计算后坑底岭隧道拱顶开挖标高为284.21m，衢宁铁路塔石岭隧道对应里程为DK151+185 处，内轨标高为303.8m，该段设计为Ⅱ级围岩，饱和单轴抗压强度RC=86MPa，岩体较完整，采用Va型（V级围岩支护类型）衬砌结构，开挖底部标高为301.7m，因此，交叉点处两隧道的净距为301.7-284.21=17.49m。相交处地表标高约387m，新建铁路塔石岭隧道标高约298m，埋深约89m。
衢宁铁路塔石岭隧道与S328 省道坑岭底隧道交叉，省道里程为 K119+066，交叉平面见图1。
图1 衢宁铁路塔石岭隧道与S328省道坑岭底隧道交叉平面图
3 计算分析模型
3.1 计算方法
关于邻近爆破对已有构筑物的影响方面，计算方法可大致分为解析法和数值计算两大类。由于数值模拟计算的简便易行，并可较好地反映爆破对构造物造成的影响规律，得到广泛推广。国内爆破工程自七八十年代开始进行数值模拟试验工作以来，运用数值模拟解决工程上的问题，得到了很快的发展。在新建隧道对邻近建构筑物爆破影响方面，采用了数值模拟的方法结合工程实践中的相关参数计算得出爆破产生的影响数据，分析其影响大小和规律。
因此采用MIDAS GTS大型数值模拟软件用等价线性分析法计算衢宁铁路塔石岭隧道爆破对S328省道坑岭底隧道的影响。根据MIDAS GTS软件内部本构模型、单元库、几何建模、网格划、荷载与边界条件设置等功能，可较好地满足本工程的计算模拟分析。
3.2 计算模型
结合衢宁铁路塔石岭隧道与S328省道坑岭底隧道工程实况进行分析，合理选取本构模型、模型尺寸和荷载与边界条件。
3.2.1 本构模型选取
结合工程实际情况，两隧道交叉处围岩较好，选用Hoke-Brown本构模型。
3.2.2 数值模型尺寸
一般而言数值模型边界尺寸应为隧道尺寸的3-5倍。据此，本次数值计算模型尺寸选取为：塔石岭隧道与 S328 省道坑岭底隧道交叉数值计算模型长×宽×高=150m×100m×87m，隧道尺寸按 1：1 选取，见图2。与 S328省道坑岭底隧道交叉为斜交，建模过程中按1：1比例设置，以精细模拟相互影响，见图3。
3.2.3 边界条件
衢宁铁路塔石岭隧道采用钻爆法施工，爆破振动对于固定边界反复反弹，会造成计算结果失真，因此采用粘、弹性边界。
4 开挖距离的影响
新建衢宁铁路塔石岭隧道爆破开挖部位与既有S328省道坑岭底隧道的距离变化，将引起既有隧道不同的动力响应。计算开挖距离的影响，主要目的在于分析明确应该开始控制爆破的距离。本次计算根据相关资料和爆破计算理论，设置距正上方0m、10m、20m、35m和50m五种工况计算分析。每种工况均考虑最不利工况按3m进尺全断面开挖，分别计算了可能导致既有隧道衬砌的位移、振动速度和振动加速度。考虑对称性，在左侧开挖时与右侧开挖影响相近，因此可用右侧计算分析结果控制。
考虑最不利工况：按3m进尺正上方全断面开挖，计算分析新建衢宁铁路塔石岭隧道开挖到既有S328坑岭底隧道正上方时爆破开挖对既有公路隧道的影响。计算模型见图4。
图6 S328坑岭底隧道监测点布置图
（1）既有S328坑岭底隧道衬砌监测点处振动速度时程曲线见图7。
正上方全断面开挖3m进尺时，既有S328坑岭底隧道衬砌振动加速度最大值为5590m/s²。
（3）既有S328坑岭底隧道衬砌监测点处位移量时程曲线见图9。
图11 S328坑岭底隧道正上方台阶法爆破结果云图
（1）正上方台阶法爆破开挖3m进尺，既有S328坑岭底隧道衬砌振动速度最大值为11cm/s，超过了爆破安全规程的允许振动速度，需采取控制爆破措施。既有S328坑岭底隧道衬砌监测点处振动速度时程曲线见图12。
图14 位移量时程曲线
6 不同进尺的影响
不同进尺对应不同单段最大装药量，单段最大装药量影响既有公路隧道结构的振动速度、加速度和位移值。不同进尺将直接影响工期，在确保安全、质量和环保的前提下，应结合实际情况综合考虑，达到加快进度和节约投资的目的。根据实际情况综合考虑，衢宁铁路塔石岭隧道分1m、2m、3m三种进尺进行爆破开挖。
7 结论
本文通过建模计算分析新建衢宁铁路塔石岭隧道的爆破开挖对下方既有S328省道坑岭底隧道的影响，按最不利工况从新建铁路隧道爆破开挖部位与既有隧道正上方的距离、开挖方式和开挖循环进尺三个方面对既有公路隧道的影响，主要计算了新建铁路塔石岭隧道爆破开挖时既有公路隧道衬砌结构的振动速度、振动加速度和位移量。
《爆破安全规程》规定交通隧道的最大允许振动速度<10cm/s。结合实际情况，考虑到多次爆破可能造成累积损伤，S328省道坑岭底隧道控制爆破振动速度值在<5cm/s。综合数值模拟计算分析结果，建议：
（1）当开挖到距离S328 省道坑底岭隧道上方一侧50m时，为保证既有隧道安全，应开始控制爆破。
（2）开挖部位距离既有隧道正上方<10m 时，采用中间预留空孔的楔形掏槽技术。上下台阶法开挖，进尺0.6m，单段药量最大值控制在2.5kg。
（3）开挖部位距离既有隧道正上方10～25m 时，采用中间预留空孔的楔形掏槽技术。上下台阶法开挖，进尺1.2m，单段药量最大值控制在5kg。
（4）开挖部位距离既有隧道正上方25～50m 时，上下台阶法开挖，进尺3m，单段药量最大值控制在12kg；
（5）开挖部位距离既有隧道正上方>50m 时，全断面法开挖，进尺3m，单段药量最大值控制在30kg。
参考文献：
[1]《爆破安全规程》（GB6722-2015）［S］.北京.人民交通出版社，2015.
[2]梁庆国等.《临近隧道爆破施工振动控制技术》［M］.北京.科学出版社，2015.
[3]张超.既有隧道对邻近爆破的振动响应研究.[D].西安.西安建筑科技大学，2012.
[4]赵丰，薛亚东，李硕标等.新建铁路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距离研究.[J].铁道科学与工程学报，2016.
[5]钟建辉.邻近隧道爆破施工对既有隧道影响的数值分析.[D].天津.天津大学硕士论文，2005.
论文作者:姚彬,陈长忠
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/6
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