新柳林河隧道掘进爆破对既有隧道的影响.pdf

第 32 卷第 1 期 2015 年 3 月爆破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 016 新柳林河隧道掘进爆破对既有隧道的影响孙艳军，赵亚克，张世平（裴沟煤矿，郑州 452370）摘要复线隧道工程中，施工爆破对既有隧道会有较大的影响，对保障既有隧道的安全运营具有重大意义。结合新柳林河隧道临近营业线爆破掘进施工工程，采集了爆破掘进作业中既有隧道迎爆侧和背爆侧的墙中、底板测点振速，且跟据工程地界图建立数值模型，将监测的现场数据和数值模拟数据对比分析。结果表明迎爆侧受爆炸应力波的直接入射破坏，以水平应力为主，径向振速大于其它 2 个方向的振速；迎爆侧边墙偏上为最危险区，起拱处次之，底板相对安全；根据分析结果优化了爆破参数，提高了施工进度，同时也保证既有隧道的安全运营。关键词复线隧道；爆破掘进；振动监测；ANSYS/ LS-DYNA；安全运营中图分类号 O383. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0075 -06 Influence of Excavation Blasting of New Liulin River Tunnel on Existing Tunnel SUN Yan-jun， ZHAO Ya-ke， ZHANG Shi-ping （Peigou Coal Mine，Zhengzhou 452370， China） Abstract Excavating blasting in double-line tunnels influences the structure safety of existing tunnel. Based on the project of excavating blasting in new Linlinhe double-line tunnel， the vibration velocity of measuring points on the mid side wall and floor were monitored in blasting excavation. Simultaneously， the numerical model was established based on the project boundaries， then a comparative analysis between numerical simulation and monitoring dates was carried out. The results show that the explosive stress wave damaged the blasting side directly， and the radial velocity was bigger than the other 2 direction values；the wall on the blasting side was most dangerous， secondly the arch are- a， and the ground was relatively safe. The blasting parameter was optimized based on the results， by which the con- struction progress was improved and the safe operation of the existing tunnel was also obtained. Key words double line tunnel；excavating blast；vibration monitoring；Ansys/ ls-dyna；safe operation 收稿日期 2014 -11 -05 作者简介孙艳军（1986 - ），男，河南省郑州登封市人，助理工程师、硕士，主要从事矿岩爆破研究，（E-mail） 441690141 qq. com。通讯作者张世平（1959 - ），男，副教授，从事岩石爆破理论与爆破新技术研究，（E-mail） 2360925098 qq. com。复线隧道掘进爆破施工过程中，保证既有隧道的安全一直倍受人们的关注。目前，许多学者分别从现场监测和数值模拟的手段研究了新建隧道施工爆破对既有隧道的影响［1-7］。文献［1］对现场监测数据分析表明新建隧道施工爆破对爆心距最小的左边墙影响最大，为保证既有隧道的安全应限制最大单响药量；文献［2］用数值模拟对既有隧道的衬砌应力进行分析揭示爆破振速不能完全代表围岩的受力状况，同时应对围岩的受力进行分析；文献［3］表明迎爆侧首先是纵波到达，因此垂直于壁面的质点振速要远远大于其他 2 个方向上的质点振速；文献［4］对小净距交叉隧道爆破振动响应进行了研究，表明新建隧道在距离交叉点 10 m 以内时采用台阶法爆破施工可保证既有隧道的安全；文献［5］结合株六铁路复线关寨隧道的施工爆破进行实例分析，得到了各振动参数时间历程；文献［6］基于爆破动力分析和加权双剪强度准则 I 提出了邻近爆破安全评估和爆破方案优选方法。尽管如此，对此问题的研究目前仍然处于探索阶段，广大工程技术人员及研究工作者试图从各个方面进行深入研究，以便给出较切合实际且具有指导意义的施工参考依据。因此，利用 ANSYS/ LSDYNA 软件和现场监测的方法分析探讨了新柳林河掘进爆破对已有隧道的影响规律及应力波传播规律的影响，并根据分析结果优化了施工方案，为类似工程提供一定的参考价值。 1 工程概况新柳林河隧道起止里程 DK22 891.00 DK23 048. 00，全长 157. 00 m 的单线隧道，最大埋深约 45. 0 m。全隧道位于直线上，隧道内线路为单线下坡，坡率为 3. 4‰。右侧与既有线太岚线正线相距最近24 m，与既有隧道净距12 m。全隧道分Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅴ三种级别围岩，从小里程至大里程分别为进口 8 mⅤ级围岩，明洞出洞； Ⅲ级围岩 13 m； Ⅱ级围岩 84 m； Ⅲ级围岩15 m； Ⅴ级黄土围岩22 m；出口15 m Ⅴ级围岩，明洞出洞。既有柳林河隧道（ 229. 96 344. 7）全长 114. 74 m，为单线变三线隧道，断面净宽 17. 2 m，隧道衬砌为整体式衬砌结构，除局部存在渗水、裂缝等常见缺陷外，隧道整体结构相对较好。图 1 为两隧道位置关系平面示意图。图 1 两隧道位置关系平面图（单位 m） Fig. 1 Plan of two tunnel position （unit m） 2 施工方案新建隧道掘进时，根据不同围岩级别选择不同开挖方法 Ⅴ级黄土围岩地段采用超前管棚支护，机械开挖； Ⅱ、 Ⅲ围岩地段采用控制爆破上下台阶法开挖。为了确保既有隧道的运营安全及新建隧道的施工安全，施工过程严格按照 “先加固、后开挖、弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、衬砌紧跟” 的原则进行施工。上下台阶步距控制在 5 8 m， Ⅲ级围岩设计上台阶高4. 54 m，下台阶高4. 6 m。根据爆破安全规程（GB67222011）规定交通隧道爆破振动安全允许标准为 10 15 cm/ s，为确保既有隧道运营安全，爆破振速严格控制在 5 cm/ s 范围内，并根据量测及监测数据及时调整爆破参数及爆破进尺，将爆破振动降低到最小。炸药采用低猛度、低爆速炸药，塑料导爆管微差毫秒雷管起爆，采用斜眼楔形掏槽，周边眼采用不耦合空气柱装药结构。坚持以 “弱爆破、短进尺” 保证施工安全， Ⅲ级围岩设计爆破进尺为 1. 2 m。炮眼布置见图 2，爆破参数见表 1。图 2 Ⅲ级围岩上下台阶法控制爆破炮眼布置图（单位 cm） Fig. 2 Hole layout of the grade III rock controlled blasting （unit cm） 3 既有隧道爆破振动监测与分析 3. 1 爆破振动监测在爆破作业中，为了保证既有隧道运营安全的有效措施是采取全程爆破振动监测，分析爆破地震波的传播与衰减规律，从而制定和修改已有方案，适当调整爆破参数及爆破进尺，以保证施工质量、安全与进度。测试仪器选用 UBOX-5016 爆破振动智能检测仪，在既有隧道中，迎爆侧与背爆侧边墙的墙中与墙下每间隔10 m 布置一组测点，并在与新建隧道掌子面同一断面上加设一测点。测点布置见图 3。 67爆破 2015 年 3 月表 1 Ⅲ级围岩爆破参数表 Table 1 Table of blasting parameter of grade III rock 序号炮眼类别炮眼数/ 个雷管段位/ 段装药系数炮眼深度/ m 每孔药卷数卷/ 孔装药量单孔装药量/ （kg孔）合计药量/ kg 1410. 601. 130. 451. 8 2420. 601. 130. 451. 8 3掏槽眼430. 511. 330. 451. 8 4440. 511. 330. 451. 8 515减振空眼 6350. 371. 220. 401. 2 7360. 371. 220. 401. 2 8 辅助眼 470. 371. 220. 401. 6 9380. 371. 220. 401. 2 10390. 371. 220. 401. 2 113100. 371. 220. 401. 2 128110. 181. 210. 201. 6 137120. 181. 210. 201. 4 14周边眼8130. 181. 210. 201. 6 157140. 181. 210. 201. 4 1614减振空眼 17 底板眼 4150. 371. 220. 401. 6 184160. 371. 220. 401. 6 19合计10224 图 3 测点布置图（单位 m） Fig. 3 Arrangements of monitor points （unit m） 3. 2 监测结果分析对新隧道掘进爆破过程中检测的数据进行处理，拟合爆破振动速度衰减公式为 V 260 3 槡Q R 1. 7 ，由此式反算出最大单响药量为 1. 62 kg，为了加快施工进度，可以适当的加大循环进尺和最大单响药量，同时也能保证既有隧道的安全运营，但应严控单响药量使其不大于 1. 62 kg。既有隧道不同位置所测的振速分量（径向、切向、垂向），为了便于描述，规定不同位置的振速分量与边墙上振速分量的方向一致，分别用 Vr、 Vt、 Vv 分别表示径向振速、切向振速和垂向振速。图 4 为典型的迎爆侧墙中测点振速图，该图表示既有隧道边墙墙中测点的 3 个方向振速中隧道径向振速最大，并有多个振速峰值。两隧道之间的岩体可近似简化为上下两端固支，左右两端和前端自由，后端固支且上下端承受压力的中厚板力学模型。由于左右两端自由，受约束作用小，加之体波首先到达该部位，既有隧道迎爆侧受应力波直接入射破坏，以水平应力为主，当应力波到达迎爆侧边墙自由面时发生反射，引起应力波叠加，从而放大振速，造成隧道径向振速大于其它 2 个方向振速。图 4 与新建隧道掌子面同一断面墙中测点振速 Fig. 4 The wall vibration velocity of the same section of the new tunnel face 图 5 为和图 4 同次爆破作业既有隧道与新建隧道掌子面同一断面的底板测点振速。与图 4 相比，底板与墙中振速的变化趋势基本相同，且径向振速 77第 32 卷第 1 期孙艳军，赵亚克，张世平新柳林河隧道掘进爆破对既有隧道的影响最大。既有隧道底板与其边墙相比，受夹制作用大，其振速（峰值为 3. 5 cm/ s）小于墙中振速（峰值 4. 05 cm/ s）。图 5 底板振速 Fig. 5 Vibration velocities of floor 爆炸应力波在向既有隧道背爆侧传播过程中，要经过岩石中的层理、节理或自由面，这些弱面会吸收应力波的能量，使其在传播过程中大大衰减，从而引起既有隧道背爆侧振速小于迎爆侧振速。图 6 所示背爆侧底板最大振速为 2. 8 cm/ s，远小于迎爆侧边墙墙中和底板振速。另外，图 6 表明背爆侧振速中垂直方向振速最大，原因在于背爆侧不像迎爆侧受爆炸应力波的直接入射破坏，而是应力波在向背爆侧传播过程中经过既有隧道而发生绕射，以垂直应力为主。图 6 背爆侧底板振速 Fig. 6 Velocity of back-blast side floor 由以上分析可得到以下 3 个基本特点（1）迎爆侧径向振速最大，而背爆侧垂直方向振速最大；迎爆侧受水平应力作用为主，背爆侧受垂直应力作用为主。（2）迎爆侧振速大于背爆侧振速，背爆侧较迎爆侧安全。（3）迎爆侧边墙墙中振速大于底板振速，底板较墙中安全。 4 数值模拟 4. 1 模型的建立与参数取值 2012 年 11 月 5 日，新建隧道推进到 63 m 处上台阶面，以地界图为基础，建立新建隧道与既有隧道的数值模型，二者之间的位置关系如图 7 所示，该图中①和②分别代表既有隧道和新建隧道（深 63 m）。为了消除边界效应，计算区域的围岩厚度取 3 倍新建隧道的洞径，模型 4 个侧面进行侧向位移约束，底面约束其铅垂位移，上侧面为自由面，其余侧面施加无反射边界条件。为了能够全面反应爆破掘进过程中围岩的动力响应，每隔 3 ms 取一个结果文件。用 ANSYS/ LS-DYNA 进行爆破震动数值模拟通常有 2 类方法［7］（1）使用 LS-DYNA 软件内部自带的炸药关键字MAT HIGH EXPLOSIVE BURN 和状态方程EOS JWL 模拟整个爆轰过程和爆轰产物和周边岩石的相互作用过程；（2）利用载荷等效施加方法，爆破荷载压力曲线可以根据经验取定或根据爆轰波理论公式求得。方法 1 对网格质量有严格的要求，低质量的网格在计算过程中很容易畸变而导致无法继续计算。方法 1 和方法 2 相比二者误差在近区差异较大，但在量级上没有差别，在中远区差别较小，而且随着爆心距的增加，差别越来越小。因此，采用等效载荷加载方法，即爆破等效载荷均匀分布在新建隧道63 m 处待爆破开挖的上台阶掌子面上。爆破荷载采用半经验半理论的三角型载荷，峰值载荷按以下公式计算 Po n ρeD2 2 （γ 1） dc d [] b 2γ lc l b γ 式中 n 为爆轰产物撞击药室壁时，压力的增大倍数，一般取 8 11； ρe为炸药密度， 2 号岩石炸药密度为 1310 kg/ m3； D 炸药爆速为 3200 m/ s； γ 等熵指数，当 ρe≥1. 2 g/ cm 3， γ 3，当 ρ e≤1. 2 g/ cm 3， γ 2. 1； dc和 db分别为装药直径和炮孔直径； lc和 lb分别为装药长度和炮孔长度，lc/ lb取 0. 83；爆破荷载作用时间 700 μs，升压时间 120 μs；孔径 42 mm，药卷直径 35 mm，孔深 1. 2 m，装药长度 1 m，孔间距 40 cm，峰值载荷 Po2875. 17 MPa。隧道围岩力学参数，见表 2。表 2 围岩力学参数 Table 2 Mechanical parameters of rock 岩体级别密度/ （kNm -3）弹性模量/ GPa 泊松比抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 粘聚力/ MPa 摩擦角/ （） Ⅱ级围岩27. 0 40. 00. 2560. 07. 0010. 055 Ⅲ级围岩25. 0 30. 00. 3020. 04. 008. 040 Ⅴ级围岩23. 0 1. 20. 401. 90. 430. 619 87爆破 2015 年 3 月图 7 数值模型和实际模型 Fig. 7 Numerical and real model 4. 2 计算结果分析由以上分析可知，既有隧道迎爆侧较背爆侧危险，迎爆侧为重点研究对象。在迎爆侧选取拱顶、起拱处、墙中和底板位置，研究其速度分布与衰减规律，选取的位置如图 8。图 8 既有隧道考察点位置 Fig. 8 Investigation points 数值分析结果如图 9 所示，（a）到（e）子图表明迎爆侧边墙振速出现多个峰值； 4 个考察点 3 个方向振速中 Vr（隧道径向振速）最大；从底板向上到拱顶处，径向振速先增大后减小，墙中部位最大（4. 6 cm/ s），起拱处次之（4. 4 cm/ s），底板最小（3. 5 cm/ s）。迎爆侧墙中振速大于其它位置，且受拉应力作用，为最危险区。如果拉应力超过衬砌抗拉强度，就会产生裂纹，可能影响既有隧道的安全运营。施工过程中若岩体破碎、节理发育，应对两隧道间岩体采取长 4. 5 m  42 小导管注浆进行超前预加固。起拱处较墙中振速小，但大于底板振速，且受上部岩体的挤压作用，为次之危险区。底板振速较其它位置小，且夹制作用较其它位置大，安全性较其它位置高。图 9 考察点振速 Fig. 9 Vibration velocity of the investigation 97第 32 卷第 1 期孙艳军，赵亚克，张世平新柳林河隧道掘进爆破对既有隧道的影响 5 结论（1）既有隧道迎爆侧受爆炸应力波的直接入射破坏，以水平应力为主，径向振速最大，而应力波经过绕射后到达背爆侧，以垂直应力为主，垂直方向振速最大。（2）迎爆侧从底板向上到拱顶处，径向振速先增大后减小，墙中峰值振速最大，起拱处次之，底板最小。（3）迎爆侧边墙墙中较拱部和底板的夹制作用小，且拉应力较大，为最危险区；起拱处，振速较墙中小、较底板大，且受上部岩体的挤压，为次之危险区；底板较前二者安全。（4）通过对爆破掘进过程中的监测数据进行回归分析，拟合振速衰减公式为 V 260 3 槡Q R 1. 7 ，并以此反算出最大单响药量为 1. 62 kg，依据此可以适当加大循环进尺，提高单响药量，从而加快工程进度，同时也能保证既有隧道的安全运营。参考文献（References）［1］申玉生，高波，王志杰，等. 复线隧道施工爆破对既有隧道结构的影响分析［J］ . 地下空间与工程学报， 2009 （5） 980-984， 1032. ［1］ SHEN Yu-sheng， GAO Bo， WANG Zhi-jie， et al. 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