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城市浅埋小净距隧道爆破施工优化与分析

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张涛

[导读] 摘要：小凈距隧道是在特定地形条件下修建隧道的理想选择之一，其优点明显，在隧道建设中发挥了积极作用。

        核工业井巷建设集团有限公司浙江湖州 313000
        摘要：小凈距隧道是在特定地形条件下修建隧道的理想选择之一，其优点明显，在隧道建设中发挥了积极作用。目前我国小净距隧道施工大多采用的是钻爆法施工，当间距过小时，爆破开挖会对先建隧道造成一定的扰动，影响已建隧道结构的安全。因此，小净距隧道后建隧道对先建隧道之间相互影响问题的研究就显得尤为重要。鉴于数值模拟分析独特的优势，国内外学者采用数值模拟和现场监控量测等手段对小净距隧道合理净距、隧道爆破振动响应分析、施工方法优化、安全爆破控制方法等进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，但目前总体还缺乏较为系统的结构设计和施工等经验。
        关键词：城市浅埋；小净距；隧道爆破；施工优化
        1工程概况
        福州轨道交通2号线工程洋里站南端矿山法段两隧道全长均约72m，两隧道净距仅1.6~3.5m，属超小净距隧道，其中左洞为先行洞，右洞为后行洞，且两隧道的断面尺寸一致，断面最宽处距离均为7.2m，隧道净空高度为8.4m。两隧道爆破施工时相互影响程度较高。隧道覆土厚度约9.0~11.2m，相对较浅，属于浅埋。围岩级别为Ⅵ~Ⅴ，施工难度极大。如何选取合理的步距和开挖进尺，既能控制地面振速和隧道稳定性，又能保证工期是施工单位急需解决的难题。图1为洋里站隧道进口。
        2数值模拟
        2.1模型尺寸及参数
        根据福州地铁2号线洋里站南端矿山法段的实际情况建立三维模型。考虑到隧道对围岩扰动的影响范围为35倍的隧道洞径，因此取模型的x，y，z方向的尺寸分别为48，72和30m，其中y方向上部中风化岩厚度为8m，下部微风化岩厚度为22m，模拟开挖方式为上下台阶开挖。左右洞隧道的尺寸相同，隧道断面最宽距离均为7.2m，高度为8.4m，其中上台阶高度为4.4m，下台阶高度为4m，两隧道之间的净距为1.6m。且4个侧面和底部均设置为无反射的黏性边界。图1为数值网格模型。

图1数值网格模型
表1岩层参数

        根据施工现场提供的地勘报告可知，洋里站所处地层为复合地层，其上部地层为厚度8m的中风化岩，下部地层为厚度22m的微风化岩。具体岩层参数取值见表1。
        2.2爆破方案及荷载
        在现场进行监测试验时，由于隧道净距较小，同时断面较小，因此现场初步方案一致采用上下台阶爆破开挖方式。此次现场爆破测试具体情况为：左右洞掌子面错开距离为10m，上台阶爆破进尺为4m，上台阶长度为12m，分为7段，且上下台阶隔天起爆，其中每段爆孔个数以及爆孔装药量见表2。图2为现场上台阶炮孔布置图。
        表2上台阶爆破参数

图2上台阶炮孔布置图
在隧道掘进爆破过程中，一般是分布在一定空间内的多孔装药起爆，围岩内壁任意一处由爆破产生的应力是多个应力波叠加的结果，目前还没有一种理论方法能较为准确地计算多孔装药起爆在围岩内壁产生的应力。由于掏槽孔距离隧道轮廓面较远，对围岩的扰动较小，因此，本文主要考虑周边眼所产生的爆破荷载，即对应于上台阶中的15段，并认为爆破荷载均匀的作用在开挖面轮廓线各单元节点上，作用方向为洞周法线方向。周边眼装药量是根据周边眼炮孔的数目，炮孔的深度，装药的耦合度来确定的，本文中近似认为炮孔深度代表开挖进尺。由于现场多采用不耦合装药，在不耦合装药情况下，爆孔岩石壁受到爆破荷载时程函数为：

式中：ρ0为炸药密度；D为炸药炮轰速度；lc为炮孔长度；lb为装药长度；dc为炮孔直径；db为装药直径；为阻尼系数；t为作用时间；n为爆轰产物撞击内壁时的压力增大倍数，取值多为8~11，这里取10。周边眼的具体装药结构如图3所示，其中lb=lb1+lb2+lb3+lb4+lb5+lb6+lb7。本文中，当作用时间t=tr=6ms时，爆破荷载达到峰值P0，爆破荷载时程曲线如图4所示。

图3周边眼装药结构示意图

        图4爆破荷载时程曲线
        2.3结果对比分析
        将数值计算与现场实测结果进行对比分析，得到小净距隧道后行洞右侧拱腰水平位移峰值、中隔岩有效应力峰值、地表振速峰值、双洞贯通时长具体数值见表3。其中，D表示左右洞掌子面错开距离，d表示隧道爆破开挖进尺，L表示上台阶长度，Dx表示后行洞右侧拱腰水平位移峰值，σ表示中隔岩有效应力峰值，v表示地表3号测点处的振速峰值，2(//)TLdSd表示两隧道贯通总时长，S表示隧道全长，本文中取S=72m，鉴于篇幅限制，仅呈现3号测点振速曲线。图5为现场实测振速曲线。图6为模拟振速曲线。
        表3现场采取方案计算结果

图5现场实测振速曲线

        图6模拟振速曲线
        通过观察表3和图5和6可发现，数值模拟振速曲线频率低于实测振速曲线，主要源于模拟将爆破荷载简化了，但两者大体的趋势和峰值相差较小，说明数值计算用于分析小净距隧道爆破施工是具有可行性的。
        3正交试验设计
        3.1确定试验因素与评价指标
        由隧道贯通总时长的计算公式T=2(L/d+S/d)易知左右洞的开挖进尺和上台阶长度会对工期产生影响，另开挖进尺和左右洞的掌子面的错开距离会对地表振速、隧道内壁收敛变形以及中隔岩柱的应力产生影响。综合以上因素，将Dx，σ，v和T作为正交试验的评价指标。
        3.2正交试验设计过程
        正交试验是以正交表为依据对试验进行整体设计、统计分析，从而可以实现进行少数试验便能找到最佳方案的一种方法。本文中将D，d和L作为正交试验的因素，设计了如表4所示的三因素四水平的正交试验。一般上下台阶法施工中，只有当上台阶长度大于1~1.5倍洞宽，即上台阶长度至少为7.6m时，上下断面基本上可以采用平行作业。以Dx，σ，v和T作为正交试验的评价指标作为小净距隧道爆破施工优化设计评价指标，具体正交试验设计见表4。表5为不同工况数值计算结果。
        表4正交试验设计

表5数值计算结果

        结束语：
        1)运用正交试验和灰色关联度分析，并结合组合赋权方法，综合考虑主观和客观因素，实现进行较少试验次数便能获得最佳试验参数的目的，说明了正交试验−灰色关联度分析法具有较强的工程使用价值，值得推广。
        2)通过正交试验和灰色关联度分析，确定小净距隧道爆破施工最优方案为左右洞错开距离为20m，爆破开挖进尺为3m，上台阶长度为10m。
        3)小净距隧道爆破施工优化后，后行洞右侧拱腰处水平位移峰值降低了11.4%，中隔岩有效应力峰值降低了33.7%，地表振速峰值降低了12.84%。隧道爆破施工的安全性达到了大幅的提升，施工优化效果明显。
        参考文献：
        [1]凌同华,曹峰,张胜,等.分岔隧道过渡段的爆破振动特性研究[J].振动与冲击,2018,37(2):43−50.
        [2]苏芳芮. 城市小净距公路隧道开挖方法的力学行为研究[D].重庆:重庆交通大学,2014.