上穿输水隧洞公路隧道爆破开挖安全控制研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 028 上穿输水隧洞公路隧道爆破开挖安全控制研究* 褚夫蛟 1，2， 刘敦文2， 彭怀德2， 陈 治 2， 张兆令2， 杨 峰 3 （1.山东理工大学资源与环境工程学院， 淄博255049；2.中南大学资源与安全工程学院， 长沙410083； 3.中国非金属材料南京矿山工程有限公司， 南京210016） 摘 要 针对某小净距近接公路隧道上穿既有输水隧洞的空间位置关系， 结合萨道夫斯基公式， 对隧道的 爆破开挖方案进行优化， 并利用Midas GTS数值模拟方法建立计算模型， 分析不同开挖区段三种工况下爆破 振动对输水隧洞结构安全的影响。研究结果表明各工况最大振速是由隧道下台阶爆破导致的，为 4. 33 cm／ s， 小于根据爆破安全规程确定的输水隧洞7 cm／ s的最大振速； 而最大拉应力及最大压应力分别 是0. 75 MPa和1. 51 MPa， 均出现在下台阶爆破施工时， 分别小于C25混凝土的设计强度值。通过现场实测 得到的最大振速为3. 428 cm／ s。由此可知， 根据设计的爆破开挖方案施工不会影响输水隧洞的安全稳定。 关键词 爆破开挖；输水隧洞；小净距近接隧道；爆破设计；振动速度 中图分类号 U455. 6 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0155 －08 Study on Safety Control of Blasting Excavation of High Tunnel Upcrossing Water Conveyance Tunnel CHU Fu-jiao1， 2， LIU Dun-wen2，PENG Huai-de2，CHEN Zhi2，ZHANG Zhao-ling2，YANG Feng3 （1. School of Resources and Environment Engineering，Shandong University of Technology， Zibo 255049，China；2. School of Resources and Safety Engineering，Central South University， Changsha 410083，China；3. China Non-metal Materials Mine Engineering Co Ltd（Nanjing） ，Nanjing 210016，China） Abstract To determine the spatial position relation of a highway tunnel passing up the water conveyance tunnel with small distance，the blasting excavation scheme of highway tunnel was optimized with Sadov＇s vibration ula， and the numerical simulation of Midas GTS was used to establish the calculation model which analyzed the influence of blasting vibration on the safety of water conveyance tunnel structure under different excavation condi- tions. The results showed that the maximum vibration velocity was 4. 33 cm／ s caused by the blasting of the lower step of the tunnel and the value was less than the maximum vibration velocity of 7 cm／ s according to the Safety Regulation for Blasting. The maximum tensile stress and the maximum compressive stress was 0. 75 MPa and 1. 51 MPa，respec- tively，lower than the designed strength value of C25 concrete in the next step blasting construction. The maximum vi- bration velocity was 3. 428 cm／ s by field measurement. It could be seen that the construction of the blasting excava- tion scheme would not influence the safety and stability of the water conveyance tunnel. Key words blasting excavation；water conveyance tunnel；small distance tunnel；blasting design；vibration velocity 收稿日期2017 －08 －19 通讯作者褚夫蛟（1988 －） ， 男， 山东枣庄人， 博士、 讲师， 采矿工程 专业， （E-mail）zzchufj＠ sina. com。 基金项目国家自然科学基金资助项目（51404303） ； 中南大学“创新 驱动计划” 项目资助（2015CX005） 钻爆法是传统的隧道开挖方法， 对地质的适应 性较强且成本低， 是现今隧道开挖最常用的方法。 随着市政、 交通和水利基础设施的大量建设， 新建隧 道临近既有建（构）筑物［ 1］、 平行隧洞［2］、 上下交叉 万方数据 隧洞等诸如此类的近接施工工程越来越多［ 3］。采 用钻爆法施工的新建隧道与既有隧道之间净距较小 时， 爆破振动影响和开挖引起围岩应力重分布会导 致既有隧道围岩与衬砌结构的变形甚至破坏［ 4］。 因此隧道爆破开挖对既有隧道的动态影响一直以来 是施工过程中所关注的重点［ 5］。 近10年来， 相关专家、 学者对交叉隧洞爆破的 动力响应及安全措施进行了广泛研究。赵东平、 王 明年利用FLAC3D建立数值模型研究了掌子面与交 叉点在不同距离情况下的爆破方式， 得到了振动速 度在安全范围内距离交叉点大于10 m采用全断面 爆破施工及在交叉点10 m内采用台阶法爆破施 工［ 6］。王振宇等人采用 ANSYS从静力分析角度研 究了曹娥江输水隧洞下穿小舜江输水隧洞爆破施工 工程在不同工况下围岩应力的变化规律， 并通过实 验以及萨道夫斯基公式回归分析爆破参数K、α值， 优化爆破设计参数［ 7］。杨成全等人通过对晋江隧 洞下穿既有隧洞爆破施工的监测及根据不同空间关 系的爆源对既有隧洞振动响应进行的数值计算得 出 （1）距离爆源30 m范围内， 影响振动的主要因 素爆源与既有隧洞的空间关系和爆心距；大于 30 m， 则爆心距为主要因素。（2）下穿隧洞对临近 隧洞的振动影响， 竖直向的振速具有控制性； 掏槽爆 破阶段振动强度最大［ 3］。于建新等人以新建走马 岗隧道上穿输水隧洞工程为背景， 利用现场测试数 据回归分析计算出走马岗隧道监测区的Sadovsk公 式， 反演得到控制振动的爆破药量和安全距离， 并采 用数值模拟得出新建隧道穿越前， 下方输水隧洞衬 砌最大振速位于掌子面前方， 穿越后位于两隧道最 近距离处［ 8］。 以上研究均在交叉距离在十几米至几十米的情 况下进行的， 并且给出的控制标准有较大差异。而 随着隧道工程的日新月异， 小于十米的小径距隧道 会越来越多。现结合上穿输水隧洞的某公路隧道爆 破开挖工程， 根据交叉隧道空间位置关系及围岩特 点制定爆破开挖方案， 利用Midas GTS方法建立新 建隧道爆破开挖条件下输水隧洞动力响应模型， 分 析在不同开挖区段三种工况下输水隧洞的动力响应 规律， 为保障爆破开挖条件下输水隧洞的安全稳定 运营提供借鉴。 1 工程概况 某公路隧道为双洞单向行车双车道型式， 左线 隧道起讫桩号ZK11 ＋ 310 ZK11 ＋ 485， 长175 m； 右线隧道起讫桩号YK11 ＋ 305 YK11 ＋ 480，长 175 m。隧道衬砌采用三心圆内轮廓断面结构形 式， 隧道洞身尺寸及支护设计如图1所示。建筑限 界最大净高5. 0 m、 最大净宽12. 50 m， 行车道宽度 为3. 75 m 2. 0 m。 图1 公路隧道洞身支护设计剖面图（ 单位cm） Fig. 1 Sectional design of tunnel support for a highway tunnel（unitcm） 651爆 破 2017年12月 万方数据 该公路隧道与一输水隧洞相交， 两者交角约为 74， 隧道与输水隧洞相对位置关系如图2所示。公 路隧道左线与输水隧洞相交处中心点桩号为 ZK11 ＋432. 468， 右线与输水隧洞相交处中心点桩 号为YK11 ＋422. 558。输水隧洞拱顶到公路隧道左 线仰拱底距离为8. 265 m， 到隧道右线仰拱底距离为 8.228 m。输水隧洞正常运营时水压0. 4 MPa， 内径 4 m， 为割线圆断面， 与隧道交叉段采用喷射混凝土结 构断面， 拱高2 m， 隧洞衬砌为喷C25混凝土， 厚12 cm， 同一断面布置7 8根φ 22锚杆， 梅花状布置。 图2 隧道与输水隧洞相对位置关系示意图 Fig. 2 The relative position between tunnel and water conveyance tunnel 2 隧道爆破开挖方案设计 2. 1 开挖区段划分 采用钻爆法进行中硬岩以上围岩上下交叉近接 隧洞施工， 爆破振动影响较大， 可能会出现既有隧洞 衬砌开裂、 剥落［ 9］， 对于输水隧洞则可能发生渗透 失稳和水力劈裂，从而影响既有隧洞的正常运 营［ 7］。结合公路隧道与输水隧洞的空间位置关系， 设计采用以下分段掘进方案洞身开挖ZK11 ＋ 412. 468 ZK11＋ 452. 468、YK11 ＋ 402. 558 YK11 ＋442. 558（ 上穿输水隧洞）段采用机械法与钻 爆法（控制爆破）协同开挖， 其它段落采用钻爆法 （ 控制爆破） 开挖。以右线为例， 开挖区段的划分如 图3所示。 图3 隧道右线开挖分段示意图（ 单位m） Fig. 3 Segment map of the right tunnel excavation（unitm） 2. 2 开挖方法设计 在钻爆法开挖区段采用上下台阶法爆破开挖， 在机-钻协同开挖区段采用爆破开挖导硐， 为机械开 挖提供自由面， 然后采用铣挖机、 劈裂棒等机械破岩 方法进行开挖， 导硐位于上下台阶分界线以上， 距离 仰拱的最小距离为4 m。由于机械开挖的单次破碎 荷载不大， 而且每一次破碎荷载之间相差的时间较 长， 且无荷载叠加， 因此机械开挖振动影响较小。根 据工程经验， 机械开挖影响距离一般在1. 5 4. 0 m 以内， 而本工程隧道开挖距离输水隧洞最小距离为 8. 228 m， 机械开挖振动荷载对输水隧洞影响可忽略 不计。研究仅对爆破振动进行。钻爆法开挖及导硐 开挖炮孔布置如图4、 图5所示。 图4 钻爆法炮孔分布及雷管段别图 Fig. 4 The holes distribution and detonator segments of drilling and blasting 751第34卷 第4期 褚夫蛟， 刘敦文， 彭怀德， 等 上穿输水隧洞公路隧道爆破开挖安全控制研究 万方数据 图5 导硐炮孔布置图（ 单位m） Fig. 5 Hole layout of the guide hole（unitm） 根据施工习惯， 上下台阶法钻爆开挖采用双排 孔楔形掏槽， 崩落眼孔距1 m， 排距0. 85 m， 梅花形 布孔， 每孔装药量为0. 5 kg， 设计每循环进尺1. 2 m。 而钻-机协同开挖段的导硐爆破采用中心空孔螺旋 掏槽， 掏槽眼单孔最大装药0. 6 kg， 崩落眼及周边眼 单孔装药0. 2 kg， 设计导硐每循环进尺为1 m。 根据撒道夫斯基公式［ 10］， 计算得到各部位爆破 导致的输水隧洞最大振速见表1。 V ＝ K 3 √Q J R α （1） 式中V为质点爆破振动速度峰值，cm／ s；Q为 与振速V值相对应的最大一段齐爆药量，kg；R为测 点与爆心的直线距离，m；K、α为与爆破点至保护对 象间的地形、 地质条件有关的系数和衰减指数， 由于 实验室获得隧道围岩的单轴抗压强度在100 MPa以 上， 属于坚硬岩， 因此取极值K ＝150，α ＝1. 3。 表1 各部位起爆最大振速 Table 1 Maximum vibration velocity of detonation in each part 爆破 部位 雷管 段别 一次最大齐爆 药量／ kg 距离输水 隧洞距离／ m 振速／ （cm . s －1） 上台阶MS117. 5023. 825. 82 下台阶MS15. 0021. 685. 52 导硐MS111. 0012. 235. 79 2. 3 爆破振动控制标准 由于输水隧洞的重要性， 同时根据前文所做研 究， 即结构含水会降低岩土体自身强度。根据前人 对近接隧道爆破振动速度控制的研究， 综合考虑本 工程围岩地质条件、 上下交叉隧道最小净距、 爆破开 挖方法、 单响最大装药量及安全保护等级， 因此在隧 道开挖设计时需考虑降低对输水隧洞结构的影响， 避免对其造成破坏。结合爆破安全规程 （GB67222014） 中有关水工隧洞爆破振动安全允 许标准的规定［ 11］， 取标准中的最小值， 确定输水隧 洞的振动速度不得大于7 cm／ s。 3 输水隧洞振动响应数值模型建立 实际施工中， 右洞先行， 右洞与输水隧洞的净距 最小为8. 228 m， 且由于隧道具有对称性。因此， 仅 对右洞距离输水隧洞中心线20 m位置处上、 下台阶 爆破及输水隧洞正上方导硐爆破引起的输水隧洞动 力响应进行研究。根据输水隧洞、 公路隧道的空间 相对位置关系、 各分段爆破开挖方法及其所在区域 地质情况， 对以下三种最危险工况进行计算分析 （1）距上下隧道交叉点20 m处右洞上台阶爆破开 挖， 桩号YK11 ＋ 402. 558； （2）距上下隧道交叉点 20 m处右洞下台阶爆破开挖， 桩号YK11 ＋402. 558； （3）输水隧洞正上方导硐爆破开挖， 桩号YK11 ＋ 422. 558。建立模型尺寸为长124 m 宽100 m 高 80 m， 如图6所示， 所用参数见表2。 图6 隧道数值模型 Fig. 6 Simulation model of the tunnel 表2 围岩及衬砌力学参数 Table 2 Mechanical parameters of surrounding rock and tunnel lining 类型 γ／ （kNm －3） E／ GPa μ C／ MPa Φ／ 强风化凝灰岩20. 01. 60. 370. 1525 中风化凝灰岩26. 52. 40. 340. 3030 输水隧洞衬砌25. 025. 50. 20－－ 目前对隧道爆破振动影响的研究中， 关于爆破 冲击荷载的相关参数尚无较为完善的方法和理论加 以确定。结合前人研究， 采用目前应用较为广泛的 三角形荷载方式来模拟爆破荷载时程曲线［ 12］， 最大 爆压计算公式为 Pmax＝ 139. 97 Z ＋ 844. 81 Z2 ＋ 2154 Z3 － 0. 8034（2） 式中Z为比例距离，Z ＝ Rb／ Q；Rb为爆心至荷 载作用面的距离，m。 851爆 破 2017年12月 万方数据 三角形荷载的时间计算公式为 上升段时间 tr＝ 12r 2－ √ μQ0. 05 K （3） 总作用时间 t84＝ 81 3 r 2－ √ μQ0. 2 K （4） 上述两式中K为岩体的体积压缩模量；μ为岩 体的泊松比；r ＝ r／ rb为对比距离， 其中r为距炮孔中 心的距离，rb为炮孔半径，m。 结合公路隧道爆破方案， 模拟计算爆破开挖段 上、 下台阶最大段装药量爆破时和钻-机协同开挖段 的导硐爆破三种工况下的振动响应， 各工况最大段 装药量爆破荷载参数见表3。 表3 爆破荷载参数 Table 3 Explosion loading parameter 爆破位置 炸药 药量／ kg 最大爆压／ MPa 上升 时间／ s 总时间／ s 上台阶7. 555. 4610. 00520. 0115 下台阶5. 038. 8340. 00510. 0108 导硐1. 0313. 7980. 00150. 0036 4 数值模拟结果分析 4. 1 爆破振动速度分析 整理三种工况爆破下输水隧洞三个方向的最大 振动速度云图，并标记各方向最大振动速度，如 图7 图9所示。 图7 上台阶爆破输水隧洞振动速度云图 Fig. 7 The vibration velocity nephogram of water conveyance tunnel during upper stage blasting 图8 下台阶爆破输水隧洞振动速度云图 Fig. 8 The vibration velocity nephogram of water conveyance tunnel during lower stage blasting 图9 导硐爆破输水隧洞振动速度云图 Fig. 9 The vibration velocity nephogram of water conveyance tunnel during guide hole stage blasting 951第34卷 第4期 褚夫蛟， 刘敦文， 彭怀德， 等 上穿输水隧洞公路隧道爆破开挖安全控制研究 万方数据 从图中可以看出， 各方向的最大振动速度基本 位于输水隧洞的迎爆侧， 即与爆破中心最小距离处。 整理各工况下各方向的最大振动速度数据， 见表4， 表中数据的正负号代表方向。从表中可以看出， 上 台阶和下台阶爆破的最大振速为y方向， 即隧道开 挖方向， 这是由于隧道掌子面距离输水隧洞20 m的 缘故， 从图中也可以看出，y方向最大振动速度的节 点位于输水隧洞靠近掌子面的一侧。导硐爆破时， 最大振动速度为z方向， 即竖向。这是由于设计数 值模拟中导硐位于输水隧洞的正上方， 也是导硐与 输水隧洞的最小距离位置。各工况最大振动速度为 下台阶爆破时y方向的振动速度，4. 33 cm／ s， 小于 根据 爆破安全规程（GB67222014）所确定的输 水隧洞的最大振动速度为7 cm／ s的规定。 从速度 角度分析可知， 输水隧洞是安全的。 表4 最大振动速度（单位cm／ s） Table 4 The maximum vibration velocity（unitcm／ s） 爆破位置x方向y方向z方向 上台阶 1. 072. 24－1. 12 下台阶 2. 404. 33－3. 70 导硐－0. 550. 63－2. 53 4. 2 主应力分析 对于结构稳定性的分析， 分析应力分布情况是 非常重要的。整理各工况下输水隧洞的第一、 第三 主应力， 并标记各应力的最大值， 由于第一主应力主 要分析拉应力， 而第三主应力主要分析压应力， 且拉 应力为正， 压应力为负， 因此从各主应力云图分别提 取相应的应力进行分析。如图10 图12所示。 图10 上台阶爆破输水隧洞主应力云图 Fig. 10 The principal stress nephogram of water conveyance tunnel during upper stage blasting 图11 下台阶爆破输水隧洞主应力云图 Fig. 11 The principal stress nephogram of water conveyance tunnel during lower stage blasting 从图中可以看出， 各工况下输水隧洞最大拉应 力位于迎爆侧方向， 而最大压应力则分布于垂直于 迎爆侧方向， 且各最大应力值均位于输水隧洞内部， 这与输水隧洞衬砌的薄壁圆管结构有关。将各最大 应力整理， 见表5所示。从表中可以看出来， 各工况 下最大拉应力的最大值以及最大压应力的最大值均 为下台阶爆破时的应力， 其次为上台阶爆破， 最小的 为导硐爆破。下台阶爆破时最大拉应力为 0. 75 MPa， 最大压应力为1. 51 MPa。根据标准［ 13］， C25混凝土的抗拉强度设计值为1. 27 MPa， 抗压强 061爆 破 2017年12月 万方数据 度的设计值为11. 9 MPa， 而在动荷载作用下， 结构 的强度必定大于此值。由此可见， 输水隧洞在爆破 冲击的影响下所受的应力小于本身的强度， 隧洞是 安全稳定的。 图12 导硐爆破输水隧洞主应力云图 Fig. 12 The principal stress nephogram of water conveyance tunnel during guide hole blasting 表5 最大应力（单位MPa） Table 5 The maximum stress（unitMPa） 爆破位置拉应力压应力 上台阶0. 460. 63 下台阶0. 751. 51 导硐0. 240. 41 5 现场测试 由于公路隧道施工时引水隧洞一直处于供水 期， 人员无法进入隧道进行实时监控， 没有办法在引 水隧洞内布置爆破振动监测点， 因此， 在隧道掘进爆 破时， 将监测点布设在掌子面前部已开挖段隧道底 板上。其中台阶法开挖时， 由于钻爆法边界距离输 水隧洞水平距离20 m， 因此每次爆破前均在在掌子 面前部20 m处布设爆破震动监测点。而导硐开挖 时， 由于导硐距离输水隧洞的最小距离为12. 228 m， 因此决定每次导硐爆破前在掌子面前部10 m处布 设监测点。所布设监测点距离掌子面均小于实际需 要监测的距离， 用来反应在最不利条件下输水隧洞 的振动情况。由于监测数据较多， 因此， 仅取靠近输 水隧洞的10次爆破的监测值。相关结果见表6。 从表6中可以看出， 各部位爆破所测得的振速 平均值的最大值为导硐爆破时测得的，其值为 2. 63 cm／ s， 这与数值模拟所得结果相差不大。所取 的10次爆破测得的最大值中， 上台阶爆破导致的振 速最大， 为3. 43 cm／ s， 而所取的10次爆破测得的最 小值中， 导硐爆破导致的振速最小， 为1. 63 cm／ s。 各部位爆破的最大最小振速主要与隧道围岩差异、 传感器布置、 孔网偏差等因素有关。综合所测得的 数据可以看出， 所有数据均小于所取的7 cm／ s的安 全值。由此说明， 隧道爆破开挖对输水隧洞的安全 影响较小， 爆破设计安全可行。 表6 爆破振动监测结果（单位cm／ s） Table 6 Monitoring results of blasting vibration（unitcm／ s） 上台阶爆破 下台阶爆破 导硐爆破 RjVjRjVjRjVj 118. 852. 4419. 932. 7210. 502. 68 220. 301. 9120. 661. 778. 863. 14 317. 772. 6918. 313. 009. 072. 47 418. 232. 2918. 872. 4310. 881. 63 520. 181. 8819. 062. 6710. 062. 71 619. 332. 9320. 532. 479. 912. 33 718. 523. 0619. 682. 2810. 132. 55 821. 742. 1718. 083. 2810. 112. 90 919. 363. 4320. 941. 949. 023. 22 1019. 782. 7519. 372. 329. 722. 65 平均值19. 412. 5519. 542. 499. 832. 63 注 表中Rj为监测点到掌子面的最小距离，m；Vj为振 动监测数据，cm／ s。 6 结论 （1） 结合某公路隧道与输水隧洞的位置关系， 制定了隧道分区段开挖的施工方案。为减小对输水 隧洞的爆破扰动， 在距离交叉点20 m范围以外采用 上下台阶法施工， 在与交叉点20 m距离范围内采用 爆破开挖导硐， 结合机械施工的方法。 （2） 对萨道夫斯基公式的K、α参数取极值， 计 算各工况下每段起爆药量导致的输水隧洞的最大振 动速度。根据 爆破安全规程的规定， 选取7 cm／ s 作为输水隧洞爆破振动速度的限值。以此为标准对 爆破设计的振动速度进行校核， 得到了各施工工况 161第34卷 第4期 褚夫蛟， 刘敦文， 彭怀德， 等 上穿输水隧洞公路隧道爆破开挖安全控制研究 万方数据 的输水隧洞最大振动速度均小于标准值。 （3） 对各工况下导致最大振动速度的炸药爆破 进行数值计算。得到了各工况最大振动速度为下台 阶爆破时隧道开挖方向的振动速度，4. 33 cm／ s， 小 于所选取的7 cm／ s的限值。而各工况下的最大主 应力出现在下台阶爆破时，其最大拉应力为 0. 75 MPa， 最大压应力为1. 51 MPa， 分别小于C25 混凝土的抗拉强度设计值1. 27 MPa和抗压强度设 计值11. 9 MPa。由此可知， 在公路隧道的爆破施工 作用下， 输水隧洞是安全稳定的。 （4） 公路隧道爆破施工期间对爆破振动进行监 测， 从监测结果可以看出， 爆破振速数值与数值计算 结果较为接近， 均小于所选的7 cm／ s的限制。由此 确定了所做爆破设计的安全性。 参考文献（References） ［1］ 谢兴博， 王希之， 唐启超.城市复杂环境下浅埋地铁隧 道掘进爆破［J］.爆破，2014，31（3） 91-95. ［1］ XIE Xing-bo，WANG Xi-zhi，KANG Qi-chao. 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