下穿隧道爆破施工对既有隧道的振动影响及对策研究

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

舒 磊1,2,仇文革1,龚 伦1

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,土木工程学院,成都 610031; 2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

依托云南省盐津县白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道的工程实际,采用LS-DYNA显式动力数值模拟及现场爆破振动监测,对既有隧道受下穿新建隧道爆破施工产生的振动影响和对策进行研究。结果表明:全断面起爆中,D(D为下穿新建隧道洞径,下同)＜2.5D0(D0为基准洞径)时,既有隧道的振动速度、振动加速度均随D的增大而增加,且基本呈线性关系;2.5D0≤D＜3.5D0时,振动速度及加速度均急剧增大;D≥3.5D0时,振动速度、加速度随D的增加而减小。随两隧道间距的增加,既有隧道考察点的振动速度和加速度均减小;在距离相等时,掌子面未到达前的振动响应大于掌子面离开后的响应;相同爆破参数时,距离越远,受到的振动越小;同时起爆药量越大,受到的振动越大。随围岩的变差,既有隧道处的振动速度增大,振动加速度变化较小。

根据不同影响因素与振动速度关系的规律,推导了包含隧道开挖洞径、进尺长度、上下交叉隧道净距、单位药量等参数的隧道开挖爆破振动速度计算公式,并由现场爆破振动监测验证了数值模拟的正确性。同时,针对不同影响因素,提出分部开挖、分段起爆、干扰减振等减小爆破振动影响的对策措施及选择原则,并指出爆破试验及爆破振动监测在近接隧道工程中的重要性和可操作性。

下穿隧道;爆破;既有隧道;振动影响;对策

在采用钻爆法施工的近接隧道工程中,要求在新建隧道邻近既有隧道施工时,除了要保证新建隧道的工程质量和进度外,还必须减少或消除对既有隧道的影响、确保施工区周围的人员和既有隧道的安全。目前对靠近既有建筑物和小净距隧道等近接工程的爆破振动问题已有研究[1-7],对于上下交叉近接隧道的动力影响研究相对较少。结合云南省盐津县白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道工程,采用数值模拟和现场测试对上下交叉近接隧道在爆破荷载作用下的振动影响进行研究。

1 问题提出

1.1 工程概况

引水隧洞与铁路线路平面夹角为82°,从铁路隧道下方穿过,两隧道净距为13.06 m。铁路隧道建筑限界断面尺寸:净高6.55m、净宽4.9m,衬砌C20混凝土厚度40 cm,铺底厚度20 cm;引水隧洞穿越灰岩、泥灰岩、砂岩等地层,圆形断面尺寸:内径7.0 m、外径8.1 m,衬砌C20混凝土厚度55 cm。

1.2 提出问题

引水隧洞与铁路隧道净距小于2D(D为引水隧洞开挖洞径),故此工程属近接隧道工程。引水隧洞的爆破施工对铁路主干线上处于运营中隧道的动力影响及对策是亟需解决的问题。

2 数值模拟分析

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 计算模型(图1)

模型简化:为了便于研究,在建模时将同时起爆的药量简化到同一个炮孔中,炮孔直径根据实际药量进行反算。

模型范围:前、后边界均离开既有隧道42.00 m,上边界距既有隧道拱顶33.60 m,左、右边界均离开下穿隧道34.00m,下边界离开下穿隧道38.00m。

边界条件:六个边界均采用无反射边界。

模拟单元:围岩、炸药、空气及衬砌均采用显式分析的SOLID164单元模拟,整个模型共划分单元131 136个,节点138 572个。炸药、空气、围岩以及衬砌混凝土之间均采用共用结点的ALE算法。为简化,假定药卷的堵塞材料参数与周围被爆介质材料相同,见图1。计算中采用cm-g-μs单位制。

图1 有限元模型

2.1.2 材料参数选取

根据工程设计资料及相关文献,将围岩、混凝土、炸药、空气等材料参数分别选取如下。

(1)围岩

围岩介质采用塑性随动模型[8],参数见表1。

表1 围岩基本力学特性参数

(2)初期支护及二次衬砌混凝土

混凝土采用JHC材料模型[9],参数见表2。

表2 混凝土损伤本构参数

(3)炸药

工程案例中采用的炸药是RJ2号岩石高威力乳化炸药,该炸药材料模型参数见表3。

表3 炸药参数

(4)空气

空气采用空物质材料模型,参数如下:

在所涉及到的7个参数中,除密度取为0.001 2 g/cm3外,其余参数全部取缺省值,状态方程采用线性多项式。

2.1.3 计算工况

计算中,基准工况的围岩选取为Ⅲ级,将两隧道都取为圆形断面,既有隧道和新建隧道洞径均取为D0(8m),两上下交叉隧道净距取为H(H=D=8 m),起爆方式为全断面起爆,进尺取4m。

计算工况按新建隧道洞径、两隧道净距、开挖进尺、起爆方式及围岩级别等共划分31个,见表4。

表4 爆破振动影响研究工况划分_

2.1.4 考察节点、单元的选取

既有隧道受下穿新建隧道爆破产生的最大影响发生在两隧道交叉断面[11],故对既有隧道交叉断面拱顶、拱脚及仰拱等处节点和单元进行考察。

2.2 计算结果分析

2.2.1 新建隧道洞径

工况1～工况10是依据新建隧道洞径划分,考察点最大振动速度、加速度与新建隧道洞径关系见图2。

图2 考察参数与新建隧道洞径关系曲线

由图2分析知:仰拱处最大振动速度、加速度均大于其他两个考察点,最小响应发生在拱顶。

下穿新建隧道洞径小于2.5D0(D0为基准洞径,取8m)时,振动速度、加速度均随下穿新建隧道洞径的增大而增加,且基本呈线性关系;新建隧道洞径在(2.5～3.5)D0范围内,振动速度及加速度均急剧增大;超过3.5D0后,振动速度和加速度有减小趋势。

通过线性插值得4 cm/s(控制标准)时新建隧道洞径为0.27D0,即在Ⅲ级围岩中,当新建隧道洞径小于0.27D0时采用进尺4m、全断面爆破法施工时,不会对既有隧道产生振动影响。

2.2.2 两隧道净距

工况1、工况11～工况23是按两隧道净距划分,考察点最大振动速度、加速度与两隧道净距关系见图3。

图3 考察参数与两隧道净距关系曲线

随着两隧道间距的增加,振动速度和加速度均减小;仰拱处的振动影响最大,拱顶处最小。

线性插值得4 cm/s(设计提出的控制标准)时两隧道净距为5.65D0,即在Ⅲ级围岩中,两隧道净距大于5.65D0时采用进尺4 m、全断面爆破法施工时,不会对既有隧道产生振动影响。

2.2.3 开挖进尺及起爆方式

工况1、工况24～工况26是按开挖进尺长度和起爆方式划分,仰拱处振动速度、加速度与下穿新建隧道掌子面距离关系见图4。

随进尺长度的减小以及相同进尺时全断面起爆改为分段起爆,振动速度和加速度均减小,这是由于同时起爆药量减小的原因;仰拱处受爆破振动产生的振动速度、加速度最大,拱顶处最小;同时起爆药量相等时,离考察点越远,考察点受到的振动速度和加速度越小,这均是考察点与振源距离改变的原因;掌子面未到达前受到的振动响应大于掌子面离开相同距离处的振动,这是因为开挖前后传播振动波的介质发生了改变。

图4 仰拱考察参数与下穿隧道掌子面关系曲线

2.2.4 围岩级别

按围岩级别划分了工况27～工况31。最大振动速度、加速度与围岩级别关系见图5。

图5 振动速度、振动加速度与围岩级别关系曲线

分析可知,仰拱处振动速度、加速度均大于其他2个考察点,拱顶处响应最小。振动速度随围岩级别的变差而增大,与前几个围岩级别变化相比,Ⅵ级变化较小,使Ⅴ级处曲线出现反弯点;振动加速度从Ⅰ级到Ⅲ级的变化较小,Ⅴ级增大,到Ⅵ级又减小。

当新建隧道洞径和两隧道净距均为D0、采用进尺为4 m的全断面爆破开挖时,各级围岩情况下爆破均会对既有隧道产生振动影响。

3 爆破振动影响及对策研究

3.1 爆破振动影响

在此对距离、同时起爆药量以及围岩级别的影响因素[12]进行分析。

3.1.1 距离的影响

两隧道净距的改变,实际上是改变考察点与爆源间的距离(R)。仰拱考察点的爆破振动速度与距离关系及其拟合曲线见图6,拟合关系式为

3.1.2 同时起爆药量的影响

改变新建隧道开挖进尺及起爆方式的实质是改变同时起爆药量(Q)。仰拱处振动速度与同时起爆药量关系及其拟合曲线见图7,拟合关系式为

图6 爆破振动速度与距离关系

图7 爆破振动速度与单段起爆药量关系

3.1.3 围岩级别的影响

仰拱处振动速度与围岩级别(Ⅰ～Ⅳ级)关系及其拟合曲线见图8,拟合关系式为

式中,N为正整数且N∈[1,6]。

图8 爆破振动速度与围岩级别关系

3.1.4 隧道开挖爆破振动速度公式推导

(1)公式推导

公式(1)中R取12 m和公式(2)中Q取321.70 kg时均为基准工况,两者计算的振动速度应相等,取两者计算结果的平均值28.85 cm/s,得距离(R)和同时起爆药量(Q)的振动速度修正系数分别为

则由R和Q的修正系数确定隧道工程爆破振动速度计算公式为

式中,α为考虑围岩级别影响的修正系数。

Ⅲ级围岩时α为3.042,再结合式(3)得围岩级别影响系数的公式如下

式中,N为正整数且N∈[1,6]。

根据隧道开挖断面面积、单位药量以及进尺长度计算药量。假定隧道开挖直径为D,进尺长度为L,隧道间净距为H,单位药量为q,则新建下穿隧道在既有隧道正下方爆破时有

将R、Q代入式(4)得

在工程应用中,根据实际工程情况的相关参数即可计算新建下穿隧道爆破开挖对既有隧道影响的最大振动速度,判断爆破参数是否合理;同时,可根据确定的振动速度控制标准确定进尺长度以及无影响时两隧道的净距。

①进尺长度

当确定振动速度控制标准([v])后,将式(6)进行转换,即可得计算进尺长度的公式

②两隧道净距

当确定振动速度控制标准([v])以及爆破进尺后,将式(6)进行转换,即可得无影响时两隧道净距的计算公式

(2)数值模拟与公式计算结果验证

将上节各计算工况参数代入式(6)的计算结果与相应工况的数值模拟结果进行对比,详见表5。

数值模拟结果与公式计算结果的比值绝大部分在90%～120%,说明两结果具有可比性。在实际运用中,可采用公式(6)对相似工程进行爆破振动速度的计算。

由工况7～工况11的对比结果知,当两隧道净距与新建隧道洞径比小于1/3时,两者的计算结果相差大,此时不宜采用公式预测爆破振动速度。

案例中监测振动速度与计算结果相比,两者差别很小,证明了推导公式的可适用性。

3.2 对策措施

综上所述,既有隧道受爆破振动随新建下穿隧道洞径的减小、新建隧道开挖进尺的减小、起爆方式的改变(全断面改为分段起爆)以及两隧道净距的增大而减小,针对以上因素提出对策措施。

3.2.1 减振技术

(1)在可能的情况下,尽量增加两上下交叉隧道的净距;

(2)合理减小新建隧道的开挖进尺;

(3)合理减小单次起爆药量即采取分部开挖、分段爆破(炮孔内微差爆破、炮孔间微差爆破);注:D0为8m;案例(24/04/2006)中模拟结果为监测值。

表5 数值模拟结果与公式计算结果对照

(4)采用干扰减振[2,13]爆破技术;

(5)采用中孔(增加数量、加大直径)直眼掏槽、切槽,小断面TBM开挖导洞等掏槽技术;

(6)开挖防振沟、周边减振孔、预切槽等减振爆破技术;

(7)非爆破开挖(静力破碎、TBM等)方法。

3.2.2 对策选择原则及爆破试验

(1)对策选择原则

优先选择减小开挖进尺、分段爆破等常规技术,不满足要求时,再采用干扰减小爆破、开挖防震沟、周边减振孔及预切槽等特殊减振爆破技术。

(2)爆破试验

在未进入影响前的施工段落中,对初步选择的爆破参数进行试验,根据爆破振动监测结果对爆破参数进行调整。

3.2.3 爆破振动监测

(1)监测项目①振动速度量测:水平、竖直方向振动速度。

②振动加速度量测:水平、竖直方向振动加速度。

(2)断面及测点布置

在既有隧道受爆破振动影响最大的交叉断面进行监测,对于下穿隧道情况,测点布置在既有隧道靠近开挖爆破侧的墙脚处。

4 结论

(1)全断面起爆,D＜2.5D0时,既有隧道的振动速度、振动加速度均随D的增大而增加,且基本呈线性关系;2.5D0≤D＜3.5D0时,振动速度及加速度均急剧增大;D≥3.5D0时,振动速度、加速度随D的增加而减小。

(2)随两隧道间距的增加,振动速度和加速度均减小;在距离相等时,掌子面未到达前的振动响应大于掌子面离开后的响应;相同爆破参数时,距离越远,受到的振动越小。同时起爆药量越小,受到的振动越小。随围岩级别变差,振动速度增大,振动加速度变化较小。

(3)推导了包含隧道开挖洞径、进尺长度、上下交叉隧道净距、单位药量等参数的隧道开挖爆破振动速度计算公式,并由现场爆破振动监测验证了数值模拟的正确性及推导公式的可适用性。

(4)提出了分部开挖、分段起爆、干扰减振等减小爆破振动影响的对策措施及选择原则,并指出了爆破试验及爆破振动监测的重要性和可操作性。

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Vibration Influence on Existing Tunnel Caused by Blasting Construction of Diversion Tunnel Passing under It and Countermeasures

SHU Lei1,2, QIUWen-ge1, GONG Lun1
(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education;School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Based on the practical situation of diversion tunnel for BaiShuiJiang third class power station in Yanjin county of Yunnan province,which passes under the existing Shoubayan tunnel on Neijang-Kunming Railway,by usingmethods of LS-DYNA explicit dynamic numerical simulation and in-situ blast vibration monitoring,the vibration influence on existing tunnel by blasting construction ofdiversion tunnel passing under it in short distance and countermeasures were studied.The result shows:For full-face excavation and D＜2.5D0(D,diameter of newly-built tunnel passing under existing tunnel;D0,reference diameter),vibration velocity and acceleration of existing tunnel induced by blasting construction of newly-built tunnel passing under it increases as D increases and nearly in linear relationship;For 2.5D0≤D＜3.5D0vibration velocity and acceleration increases rapidly;For D≥3.5D0,vibration velocity and acceleration does not increase but decrease as D increases.Vibration velocity and acceleration decrease as the distance of the two tunnel increases;For same distance,vibration influence before excavation face reaches existing tunnel is bigger than vibration influence after excavation face passes under existing tunnel;For same blasting parameters,vibration influence decreases as distance increases; Vibration influence increases as explosive dose increases;Vibration velocity increases and acceleration _____decreases as surrounding rock becomesworse.Furthermore,according to different relation between influence parameter and vibration velocity, formula to calculate blasting vibration velocity was derived,considering parameters of excavation diameter,footage,clear distance of two tunnels,explosive dose.And then onsite blasting vibration monitoring validated the numerical simulation.Countermeasures to reduce blasting vibration influence (stepped excavation,subsection detonation,interfere damping)were given.For tunnel adjacent to existing one,the importance andmaneuverability of blasting testand onsitemonitoring were emphasized.

tunnel passing under existing structure;blasting;existing tunnel;vibration influence;countermeasures

U455

A

1004-2954(2013)07-0070-05

2012-12-08;

2013-01-16

国家自然科学基金资助项目(51178399);中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)。

舒 磊(1976—),男,高级工程师,博士研究生,E-mail: shusanshi@163.com。