新建引水隧洞下穿既有铁路隧道爆破施工影响研究

刘均红

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

基础设施建设需求的不断增加带来了地下空间利用的飞速发展，铁路、交通及水利工程的大跨越，使得新建隧道临近既有建筑物、小净距平行隧道、上下交叉隧道等形式的地下近接工程越来越多。目前，国内外针对隧道近接施工已有一定的个例研究［1-6］。以左权县西安水电站1号引水隧洞下穿既有阳涉铁路半坡2号隧道工程为背景，结合经验公式法和三维数值模拟计算方法，对引水隧洞下穿既有铁路隧道爆破施工的影响进行研究，以期为类似隧道近接施工在理论和施工方法上提供参考。

1 工程概况

西安水电站位于左权县麻田镇西安村下游1.5 km，是清漳河干流的一个梯级电站，属于山西省“十一五”期间35个应急水源工程配套的水电站工程之一。1号引水隧洞为水电站主要建筑物，工程等级为Ⅴ等，建筑物级别为5级。隧洞全长3 203 m，最大埋深约200 m，为无压洞。

既有阳涉铁路半坡2号隧道位于清漳河左岸山坡，2002年底建成通车，隧道运营里程为 K161+600.21～K162+311.84，全长711.63 m，为单线电气化铁路，洞内采用次重型轨道，碎石道床，铺设钢筋混凝土轨枕，设计行车速度为120 km/h。

1号引水隧洞在里程1+851.21位置交于既有半坡2号隧道K162+155.624处，交角为22.783°，竖向位置关系如图1所示。交叉处围岩级别为Ⅱ级，引水隧洞高3.73 m，洞跨2.96 m，直墙圆拱形衬砌断面，采用C20混凝土厚度为0.3 m;既有铁路隧道断面高8.03 m，洞跨5.40 m，采用直墙无仰拱模筑混凝土衬砌，拱部和边墙采用C15混凝土，底板采用C10混凝土。交叉处既有隧道衬砌结构完好。

图1 1号引水隧洞与既有半坡2号隧道的位置关系(单位:m)

2 经验公式法确定引水隧洞控制爆破范围

通常情况下，对于所研究的引水隧洞爆破施工，掏槽眼爆破振动常常是最大的。掏槽眼爆破采用分段延时技术后多为单孔起爆，故可根据公认的前苏联学者萨道夫斯基经验公式［7］，通过对质点峰值的振动速度控制，得出爆破振动安全距离

式中 R——爆心距测点距离，m;

Q——最大段装药量，kg，齐发爆破取总装药量，微差爆破或秒差爆破取最大装药量;

K——地质系数;

α——爆破地震波衰减系数;

V——测点因爆破引起的振速，cm/s;

m——药量指数。

2.1 振速控制标准

《爆破安全规程》(GB6722—2003)规定，交通隧道振动速度标准为10～20 cm/s。根据国内类似隧道工程近接施工的相关研究［8］，考虑到处于运营中隧道拱部锚固有电气化设施等多种部件，为了确保安全，取既有铁路隧道的振动速度控制标准［V］=5 cm/s，并将既有隧道振速达到1/3［V］的区间作为爆破监测的范围。

2.2 参数选取

根据工程地质条件及《爆破安全规程》(GB6722—2003)，经验公式法参数选取见表1。

2.3 计算结果分析

引水隧洞施工掌子面距离交叉处既有铁路隧道边墙水平距离32 m时，铁路隧道振动速度为1.67 cm/s，达到速度控制标准的1/3，故引水隧洞掌子面在与铁路隧道处前后共64 m，即引水隧洞在1+817～1+885区间施工时，需在铁路隧道上进行爆破振动监测，如图2所示。

表1 经验公式法参数

图2 1号引水隧洞控制爆破范围(单位:m)

3 数值模拟法确定既有铁路隧道受爆破影响范围

3.1 三维有限元模型的建立

根据已有资料，利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元模型。由于隧洞的影响范围一般为3～5倍洞径，因此，在引水隧洞外侧两边各往外取15 m，同时考虑交叉隧道的影响，横向共选取120 m，纵向取80 m;高度下限方向为引水隧洞底面以下20 m，上限方向为山体表面，建立模型如图3所示。

在网格划分中，采用4节点的四面体单元，整个模型共产生单元79 632个，节点50 366个，其中既有隧道单元762个，节点 298个，新建隧洞1 298个，节点411个。

图3 GTS模型

3.2 材料计算参数选取

本次计算参数参照勘察资料和《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)选取，如表2所示。

表2 材料计算参数

3.3 爆破荷载

爆破荷载简化为具有上升段和下降段的三角波形荷载［9-10］，假定爆破荷载作用在隧道开挖边界面上，如图4所示。图中Pmax为爆破荷载的应力峰值，与炸药品种、装药结构和围岩性质等因素有关，由式(2)求解。

图4 数值计算爆破荷载三角波形

式中 Z—比例距离，Z=R/Q1/3;

R、Q——含义同公式(1)。

爆破荷载曲线典型的加载到峰值应力的升压时间为8～12 ms，卸载时间为40～120 ms，本计算取加载时间t1为10 ms，卸载时间(t2-t1)为90 ms。

3.4 计算结果分析

(1)由表3可以看出，引水隧洞在交叉处下穿爆破施工时，垂直振速的最大峰值为3.448 cm/s，位于既有铁路隧道底板位置，并沿墙脚往拱顶位置逐渐衰减，爆破施工对既有铁路隧道的影响主要集中于底板部位;水平振速相对较小，峰值均小于0.5 cm/s，且保持平缓趋势，在既有隧道截面垂直振速峰值均大于水平振速峰值。既有铁路隧道受爆破施工影响的振速未超过安全允许标准。

爆破荷载的应力峰值Pmax(kPa)采用如下经验公式求解

表3 各考察点计算峰值振动速度 cm/s

(2)通过选取既有铁路隧道底板不同断面处的振动时程曲线进行分析，如图5所示。既有铁路隧道底板垂直振速是随着远离交叉处位置逐渐减弱的，在距离掌子面前29 m(K162+126.624)和后26 m(K162+181.624)断面处，垂直振速分别为1.556 cm/s和1.587 cm/s，约为安全允许标准的1/3，随后振动减弱明显。因此，研究引水隧洞在交叉处爆破施工对既有铁路隧道的振动影响时，应在既有铁路隧道K162+126～K162+182区段加强监控量测。

图5 既有铁路隧道不同断面处底板受爆破施工影响的垂直振速

4 施工影响处理措施

4.1 施工影响范围

经验公式法结合数值模拟计算方法得出新建1号引水隧洞的控制爆破范围为1+817～1+885共68 m，既有半坡2号隧道需加强监控量测的区段为K162+126～K162+182，共56 m。

4.2 施工方法

(1)施工单位须按照要求申报及施工，选择在天窗时间内爆破作业，并派专职安全员24 h巡查防护，随时做好应急措施。

(2)引水隧洞在控制爆破区段1+817～1+885范围内施工时，应注意以下几点:

①采用低威力、低爆速炸药或小直径不耦合装药，以减小隧道开挖边界上的荷载作用;

②在选择雷管段数时，加大相邻两段振动的段位差，保证相邻段主振相分开，避免振动叠加，为后排爆破创造更加充分的临空面，减轻爆破夹制作用;

③采用分段按顺序起爆的方式，限制一次起爆的最大装药量值，减小爆破开挖进尺，降低爆破振速，以减轻对既有隧道的振动影响。

4.3 监控量测

临近交叉作业时，既有铁路隧道K162+126～K162+182区段应由第三方专人做好监控量测工作，并及时整理分析监测数据，为爆破参数的适时调整提供依据。监测内容包括:

(1)隧道衬砌结构振速量测;(2)隧道净空位移收敛量测;(3)隧道衬砌开裂及发展情况监测。

5 结论

(1)作为施工影响预测，根据经验公式法和数值模拟计算方法，可以分别得出引水隧洞控制爆破的范围和既有铁路隧道受爆破影响的范围。

(2)引水隧洞施工过程，监测结果显示既有铁路隧道衬砌完好，说明按照5 cm/s作为既有铁路隧道的振动速度控制标准是合理的。

(3)实践证明对于近接既有铁路隧道爆破施工时，采用分段微差爆破方法，可以最大限度地降低爆破振动对既有铁路隧道的影响。

(4)爆破施工期间，通过监控量测动态调整设计参数，是此类地下近接工程成功修建的有力保障。

［1］仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策研究［D］.成都:西南交通大学，2003.

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