1、小间距隧道钻爆施工开挖工序研究 吴进科 孔恒 傅洪贤 刘琨 刘同良 刘羽 北京市市政一建设工程有限责任公司 北京市政建设集团有限责任公司 北京交通大学土木建筑工程学院 北京市市政二建设工程有限责任公司 摘 要： 采用钻爆法修建小间距隧道时, 后行隧道爆破施工将对先行隧道结构产生振动, 影响先行隧道的安全性。以北京怀柔区头道穴小间距隧道为工程背景, 采用ANSYS 软件建立二维数值计算模型, 并结合现场监测数据完善计算模型, 研究了 4 种不同施工工序时后行隧道对先行隧道结构产生的振动影响, 得出先行隧道迎爆侧边墙受到的振动最大, 拱脚处和轮廓线不连续处出现应力集中;因此规定施工中最大段药量不能
2、超过 32kg, 且先行隧道的下台阶开挖掌子面不宜超越后行隧道上台阶掌子面。若有进度要求, 先行隧道宜先开挖左下台阶, 以达到保护先行隧道安全的目的。关键词： 小间距隧道; 爆破施工; 动力响应; 开挖工序; 作者简介：吴进科 (1976-) , 男, 硕士, 高级工程师, 从事隧道及地下工程的施工及研究。E-mail:作者简介：傅洪贤 (1966-) , 男, 博士, 教授, 从事隧道及地下工程的教学及研究。E-mail:收稿日期：2017-07-04基金：国家自然科学基金资助项目 (51278042) The research of the process of drilling and
3、blasting of small spacing tunnelWU Jin-ke KONG Heng FU Hong-xian LIU Kun LIU Tong-liang LIU Yu Beijing No.1 Municipal Construction Engineering Co., Ltd.; Beijing Municipal ConstructionCo., Ltd.; School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University; Beijing No.2 Municipal Construction Engineering
4、 Co., Ltd.; Abstract： When small spacing tunnel is built using drilling and blasting, blasting vibration from next built tunnel affects the safety of first built tunnel.Based on Toudaoxue small spacing tunnel in Huairou district of Beijing, the finite element model of actual engineering is modeled b
5、y ANSYS software.The finite element model is updated by the monitoring data.According to the finite element model, blasting vibration of first built tunnel is analyzed when four different excavation procedures.It is concluded that the vibration of the side wall of the first built tunnel is the large
6、st, the stress concentration occurs at the foot of the tunnel and the discontinuity of the contour line.It is advised that the maximum charge per delay is less than 32 kg and the face of lower bench of preceding tunnel should not be beyond the tunnel face of backward tunnel.The part of the lower lef
7、t bench can be excavated in order to reduce the time limit for the tunnel.Keyword： small spacing tunnel; blasting excavation; dynamic response; the process of excavation; Received： 2017-07-04由于受地形或选线限制, 隧道建设中出现了许多小间距隧道。小间距隧道的爆破施工必然造成中间岩墙和既有隧道结构的振动和损伤。损伤后的中间岩墙和既有隧道结构力学性能劣化、强度降低、完整性变差。当中间岩墙和既有隧道结构的损伤达
8、到一定程度后, 爆破施工极易诱发既有或先行隧道结构开裂或衬砌掉块。目前, 由于小间距隧道日益增多, 而对爆破近区的振动规律却刚刚开始关注, 爆破近区的振动规律尚未确定1-4, 由爆破施工对中间岩墙、既有或先行隧道结构的破坏机理还不清楚5-8。在爆破近区损伤破坏机制方面, 卢文波等8研究发现爆破近区和远区的破坏机制和类型不同, 爆破振动破坏判据存在巨大差异。在实际工程中, 通常是爆破技术人员或专家根据隧道实际情况来确定。爆破安全规程 (GB 6722-2014) 规定9爆破对交通隧道振动控制标准为 1020cm/s。在招宝山小净距隧道钻爆施工中, 后建隧道对先建隧道的初期支护爆破振动速度安全允许
9、标准为15cm/s10;深圳梧桐山新建隧道对既有隧道的爆破振动速度安全允许标准在III 级围岩为 4cm/s, 在 II 级围岩中为 6cm/s11;大连椒金山新建隧道对两侧既有隧道的振动速度安全允许标准均 10cm/s12;襄渝电气化铁路新大成二线隧道对既有隧道的爆破振动速度安全允许标准为 3cm/s13;李宁等在锦屏一级水电站洞群工程的爆破施工中, 规定爆破振动速度安全允许标准为 10cm/s 和15cm/s14。由于爆破施工对小间距隧道爆破损伤破坏机理不清楚和爆破振动控制标准不统一。小间距隧道爆破施工中主要依靠施工经验来确保隧道的安全, 如朱正国等15对地铁小间距隧道的降振技术的研究;姚
10、勇等16提出过对先行隧道加固措施和降振技术, 以确保先行隧道的安全。本文介绍了以头道穴小间距隧道为工程背景, 采用现场振动测试、数值计算等方法, 研究优化小间距隧道开挖工序, 给出最佳开挖方法。1 工程背景与爆破振动监测1.1 工程背景头道穴小间距隧道工程为 111 国道改建工程一部分 (见图 1) , 位于北京市怀柔区。隧道埋深 35140m, 大部分属于深埋隧道, 两隧道之间的净间距为20.523.5m。围岩为白垩纪花岗岩, 风化程度为微风化到中风化, 围岩级别为级, 支护结构采用复合式衬砌。图 1 头道穴小间距隧道 Fig.1 Toudaoxue small spacing tunnel
11、 下载原图隧道采用传统的台阶法施工, 下台阶分左右两台阶分部开挖。先行隧道上台阶施工 30 m 后, 后行隧道上台阶开始施工。爆破采用 2 号岩石乳化炸药, 炮孔布置如图 2 所示, 爆破设计参数如表 1 所示。图 2 IV 级围岩炮孔布置 Fig.2 Layout ofblasthole in grade IV surrounding rock 下载原图注:1、3、5、7、9、13 为雷管段别单位:cm表 1 IV 级围岩爆破设计参数 Table 1 The table of blast parameters 下载原表 1.2 爆破振动监测根据工程经验, 小间距隧道中间岩墙迎爆侧边墙受到的爆
12、破振动最大, 需重点保护17。现场爆破振动监测点布置在先行隧道迎爆侧边墙上, 3 个测点距离后行隧道掌子面的水平距离分别为-2、2m (见图 3图 4) 。爆破振动监测采用UBOX-5016 爆破振动智能监测仪, 将竖直方向传感器垂直固定在边墙上收集爆破振速, 详细记录后行隧道的爆破参数。图 3 测点在隧道横纵断面布置 Fig.3 Layout of measuring points in the cross and long-itudinal section 下载原图图 4 实拍测点相对于边墙位置 Fig.4 Location of measuring point relative to t
13、he side w-all 下载原图2 数值计算2.1 数值计算方案小间距隧道爆破开挖时, 先行隧道和后行隧道的上台阶掌子面错开一定距离, 以减小它们之间的相互影响。没有考虑先行隧道下台阶掌子面与后行隧道上台阶掌子面的关系。对小间距隧道开挖工序提出了 4 种假设, 在后行隧道掌子面平行位置处, 分别为先行隧道下台阶不挖、下台阶全挖、左下台阶开挖和右下台阶开挖, 建立各个工序的有限元模型, 并通过监测数据对模型进行修正。2.2 有限元模型的建立采用 ANSYS 软件建立头道穴隧道实际工程的二维数值计算模型。对围岩性质进行如下假定:围岩力学性质连续且各向同性、围岩屈服准则符合 Druck-Prag
14、er屈服准则的弹性模型式、初期支护与围岩紧密相连且共同变形。该小间距隧道中间间距变化较小且隧道长度较长, 可将两隧道看做平行隧道, 隧道间距取 22 m。为了减小边界效应的影响, 取沿隧道洞径方向的 34 倍跨度为有限元模型的计算范围。当隧道跨度取 11 m 时, 模型长度方向取 144 m, 高度方向取 82.2m, 埋深 35 m。边界条件为左右两侧固定, 水平方向位移为 0;底部边界固定, 水平和竖直方向位移都为 0;上部地表采用自由边界并对荷载忽略不计。根据围岩和衬砌的力学性质特点, 采用 plane42 单元模拟围岩, beam3单元模拟支护结构 (见图 5) 。图 5 上台阶有限元
15、模型 Fig.5 Finite element model of upper bench 下载原图2.3 围岩及支护参数的选取该工程围岩主要为级围岩, 依照 JTG D70-2004公路隧道设计规范18中围岩及支护设计指标, 结合工程地质勘察资料和现场实验数据, 列出了围岩和支护结构可能的取值 (见表 2) 。表 2 材料力学参数 Table 2 Mechanical parameters of materials 下载原表 材料阻尼系数选取 Rayleigh 阻尼19, 包括 阻尼系数和 阻尼系数。其计算公式为式中:C、M、K分别为阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵;w 1为基频 (最小固有频率)
16、 。通过对不同工序下的有限元模型进行模态分析, 得到各工序下模型的基频, 并取 =0.0120分别带入式 (2) 式 (3) 得到模型的 Rayleigh 阻尼系数 (见表 3) 。表 3 Rayleigh 阻尼系数计算 Table 3 Calculation of rayleigh damping coefficient 下载原表 2.4 有限元模型的修正爆破荷载的模型有很多, 本文主要研究隧道的动力响应问题, 选用了三角形压力荷载模型21:假定爆破荷载均匀作用在隧道开挖边界上;爆破荷载的施加和卸载过程可简化为具有线性上升和线性下降段的三角形荷载;加载时间取为10ms, 卸载时间取为 90m
17、s, 为得到爆破应力波在岩石中的传播规律, 取计算时间为 0.5s;采用 Newmark 隐式积分法, 最小时间步长 t=0.1ms。爆炸荷载时程如图 6 所示。三角荷载的冲击荷载 pmax (kPa) 按下式进行计算22:图 6 爆炸荷载时程 Fig.6 Time history curve of blasting load 下载原图式中:z 为比例距离;R 为炮孔距荷载作用面的距离, m;Q 为炮孔装药量, kg。根据工程现场的施工情况, 选取 10 个循环的爆破参数, 得到掏槽孔装药量, 即爆破的最大段药量 Q, 并将最大段药量的爆破作用等效于掏槽孔中心, 掏槽区域近似为 4m4m 的正
18、方形, 取掏槽孔中心距加载面的距离为 2m, 即 R=2m, 由此计算出 pmax值 (见表 4) 。表 4 爆破冲击荷载计算 Table 4 Calculation of blasting load 下载原表 由于围岩和衬砌按照第 3 条假定进行计算, 而实际的围岩情况又复杂多变, 因此在用 ANSYS 模拟的过程中, 需要对有限元模型进行适当的修正。有限元模型的修正方法主要有, 在合理范围内修改材料参数、修改边界条件、优化网格等。对于本文中的模型, 因为材料参数的取值是一个范围, 所以主要应用合理修改材料参数的办法来修正模型。在不同材料参数的模型下, 加载上述 3 组不同药量下的冲击荷载,
19、 计算得到监测位置处的水平振动速度, 与实际监测振速进行对比验证, 找出最合适的模型参数。经过一系列验算后, 得到最符合实际情况的材料参数 (见表 5) , 并将修正模型在测点处计算的水平振速与监测数据进行对比, 计算出计算值与监测值的误差 (见表 6) 表 5 修正后的材料参数 Table 5 Updated parameters of materials 下载原表 表 6 误差计算 Table 6 Table of error calculation 下载原表 2.5 不同工序下的数值模拟结果分析修正后的有限元模型计算误差满足计算要求 (相对误差20%) , 采用此模型模拟了 4 种工序下
20、先行隧道的爆破振动响应, 得到的先行隧道横断面质点峰值振速如图 7 所示。图 7 不同工序下先行隧道横断面测点峰值振速 (Q=32kg) Fig.7 Peak vibration velocity diagram of cross-section of preceding tunnel in different processes of excavation 下载原图图 7 不同工序下先行隧道横断面测点峰值振速 (Q=32kg) Fig.7 Peak vibration velocity diagram of cross-section of preceding tunnel in diffe
21、rent processes of excavation 下载原图注:18 为测点号;振速单位:cm/s由图 7 可以看出, 先行隧道迎爆侧边墙处峰值振速大于洞内其他位置峰值振速, 且最大测点振速均出现在迎爆侧边墙中点附近。这是因为后行隧道爆破施工产生的应力波经过围岩首先传播到先行隧道的迎爆侧, 随后应力波逐渐衰减, 隧道周围振动速度随爆心距的增大而逐渐减小;由于后行隧道是上台阶爆破, 迎爆侧边墙中点附近距离爆心最近, 因此最大振速出现在此处。为了比较不同工序下各测点的振速, 绘出测点振速对比曲线如图 8 所示。图 8 测点振速对比 Fig 8 Comparison of vibration
22、velocity of measuring points 下载原图由图 8 可以看出, 1、3 曲线各个测点的峰值振动速度要远小于 2、4 曲线, 1 曲线最大测点振速小于 3 曲线。这表明最大段药量一定的情况下, 若先行隧道不开挖下台阶, 其最大振速要小于其他 3 种工序情况下的最大振速, 即说明先行隧道下台阶施工掌子面不宜超过后行隧道掌子面。在实际施工中, 如果工期紧任务重, 不得已要超挖先行隧道下台阶时, 宜先开挖其左下台阶, 以达到减振作用。为了分析隧道在爆破作用下围岩和支护结构的应力分布, 用 ANSYS 导出隧道周边围岩的第一主应力云图 (见图 9) 。图 9 各工序下的第一主应力
23、云图 Fig.9 1st principal stress cloud picture in different processes of excavation 下载原图由图 9 可知, 在隧道拱脚处和隧道轮廓不连续处出现较大应力, 说明在此位置易出现围岩失稳和支护结构破坏, 应该对此处重点监测并加强支护;下台阶不开挖和左下台阶开挖情况下, 最大应力分别为 0.11 MPa 和 0.08 MPa, 远小于另两种情况下的最大应力 0.33 MPa 和 0.25 MPa, 这也证明了上述两种工序不仅能够减小爆破振动, 而且还能降低围岩和支护结构的最大应力。3 结论1) 用监测数据修正的有限元模型,
24、 可以较准确地预测先行隧道的质点峰值振速和应力分布, 为实际的爆破施工安全提供可靠的保证。2) 在爆破施工过程中, 小间距隧道的拱脚处和隧道轮廓不连续处易出现应力集中, 应重点保护。3) 先行隧道迎爆侧边墙的峰值振速大于洞内其他位置, 所以此处是爆破振动监测的重点。另外, 隧道质点最大振动速度出现在上台阶迎爆侧边墙的中点处, 因此应该调整监测点位置, 适当上移。4) 在不同工序的比较中发现:最大段药量一定的情况下, 先行隧道下台阶施工掌子面不宜超过后行隧道上台阶掌子面。在实际施工中, 不得已要超过后行隧道上台阶掌子面时, 宜先开挖左下台阶, 既能减小振动又能降低围岩和支护结构的最大应力。5)
25、在头道穴小间距隧道工程的施工过程中, 设计单位规定爆破振动速度不应超过 15cm/s, 通过不同工序下数值模拟结果和现场监测数据可知, 若最大段药量采用 32kg, 后 3 种工序爆破振动速度大于 15cm/s, 因此规定施工中最大段药量不允许超过 32kg, 且先行隧道下台阶开挖不应超过后行隧道掌子面, 有效地控制了爆破振速。参考文献1YANG G L, ROCQUE P, BAWDEN W F, et al.Measurement and analjsis of near-field blast vibration and damageJ.Geotechnical and Geologic
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