1.浙江交工金筑交通建设有限公司 浙江杭州 310000；2.天津大学建筑工程学院 天津 300072
摘要：既有毕浦隧道与新建隧道构成小净距隧道模式，通过对既有隧道的Midas-GTS数值模拟和现场监测，分析爆破振速对既有线隧道的影响。结果表明：新建隧道施工时，既有隧道距离爆心最近点振速最大，最大单段药量对应的底板眼爆破段产生的振速小于掏槽眼段，迎爆侧振速高于背爆侧。在确保既有隧道结构安全稳定的前提下，获得更好的爆破效果。
关键词：既有隧道；爆破施工；现场检测；数值模拟；振动速度
Influence of Blasting of New Tunnel on Existing Traffic Tunnel
HONG Xiangshui1，ZONG Hui1，CHEN Jia1，FU Zhanyuan2
（1.Zhejiang Jiaogong Jinzhu Transportation Construction Co.Ltd.，Hangzhou 310000，China；2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract：The existing Bipu tunnel and the new tunnel form a small clear distance tunnel mode.Through the MIDAS-GTS numerical simulation and field monitoring of the existing tunnel，the influence of blasting vibration velocity on the existing tunnel is analyzed.The results show that in the construction of new tunnel，the vibration velocity of the nearest point from the blasting center of the existing tunnel is the largest，the vibration velocity of the bottom hole blasting section corresponding to the maximum single dose is less than that of the cut eye section，and the vibration velocity of the blasting side is higher than that of the blasting side.On the premise of ensuring the safety and stability of the existing tunnel structure，better blasting effect can be obtained.
Key word：existing tunnels；blasting construction；on site inspection；numerical simulation；vibration velocity
引言
临金高速公路临安至建德段是浙皖两省沟通联系的重要通道，对贯彻落实长三角一体化国家战略、带动周边经济发展具有重大意义。毕浦隧道是分水连接线工程的唯一隧道，为一座分离式隧道，建成后将与S208省道既有毕浦隧道一起构成双线交通形态。
目前，研究新建隧道爆破施工对临近既有隧道影响的研究方法主要有理论分析法、现场试验监测和数值模拟。许多专家学者对小净距隧道展开研究并取得一定成果[1-5]。李宁[6]等以龙泉市塔石隧道为研究背景，研究振动速度与药量和爆距的关系。贾亮[7]以太兴线新风平岭隧道工程为背景研究了迎爆侧边墙、拱脚、拱腰等位置随时间的移动强度的变化，并得出拱顶周边的围岩为最不利区域。王肖辉[8]等分析了台阶法隧道掘进爆破时地表监测数据及邻近隧道振动响应数值情况。林立宏[9]对小近距隧道扩挖爆破作用下邻洞振动响应进行研究。郑军锋[10]以福州市连江县为一座一级公路单洞双向行车左洞隧道为背景对控制爆破危害的方法进行了研究。丁海洋[11]等对爆破振动在地层中衰减传播的规律进行了推导，得出测点处水平径向即水平垂直于既有隧道方向峰值振动速度最大，明显大于Y和Z方向。汪波[12]等对既有裂缝病害隧道的动力响应进行分析，得出裂缝的存在与否及裂缝的扩展深度、分布位置等，对新建隧道爆破所引起的既有隧道衬砌振速无明显影响，而对引起的既有隧道衬砌受力影响较大。王斐[13]、吴波[14，15]、于建新[16]、赵秀绍[17]、伍海龙[18]、陈庆章[19]等分别通过有限元软件对隧道进行建模分析研究了给定计算条件下，隧道跨度、围岩类别、爆破方案及隧道净距与相对位置等对近距离隧道爆破振动的影响。本文以新建隧道对毕浦隧道的影响为例，研究分析了新建隧道上台阶爆破对既有隧道围岩振动影响。
1.工程概况
新建毕浦隧道位于毕浦隧道进口位于瑶琳镇永安村油车边，油岭线起点附近，处于省道S208上下行路线之间，洞口北侧为省道S208西行方向毕浦隧道，线间距为17~26m，洞口南侧距离108m为省道S208东行方向，省道S208上下行均为2车道。毕浦隧道是分水连接工程的唯一隧道，建成后将与S208省道一起构成双线交通形态。
毕浦隧道Ⅴ级围岩占比22%，IV级围岩占比为78%，地层以中风化砂岩为主，不同围岩分布段落情况如表1所示。
表1 新建毕浦隧道围岩统计表
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根据规范《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定：炮孔直径小于或等于50mm，深度小于或等于5m的爆破作业称之为浅孔爆破。地下浅孔爆破频率在60Hz～300 Hz之间，根据既有隧道的结构调查情况，且考虑两洞之间地层不均匀性带来的频率变化，综合确定V级、IV级围岩按照12cm/s控制。
由于实际施工方案IV级围岩炸药量远大于Ⅴ级围岩，故取IV级围岩进行研究。
2.数值模拟分析
2.1 数值模型
通过Midas-GTS建立有限元模型，考虑边缘至少为4倍洞径，模型总宽为134m，纵向长度取100m，高度结合实际地形变化取70m，从洞口向洞内埋深逐步增大。其中围岩采用摩尔库伦本构，隧道衬砌结构以及锚杆采用弹性本构模拟，共计约10万个单元。
目前，国内外最常用的预测爆破质点振动速度的公式是萨道夫斯基经验公式，具体形式如公式（1）所示，且已纳入《爆破安全规程》（GB6722-2014）。
（1）
式中：V为保护对象所在地安全允许质点振速，单位为厘米每秒（cm/s）；R为爆破振动安全距离，单位为米（m）；Q为炸药量，单位为千克（kg）；K，a为与爆破点至保护对象之间的地形、地质条件有关的系数和衰变指数，在无试验数据的条件下，可以参考表2选取。
隧道进洞52m后进入IV级围岩，埋深也开始变大。施工方法采用预留下台阶开挖（见图1）。
表2 爆区不同岩性的K、α值
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（a）模型概况
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（b）爆源与既有隧道位置关系
图1 IV级围岩模型概况图
上台阶爆破方案中，最大单段药量为36kg，对应的底板眼爆破段；一级掏槽眼6个，孔深1.7m，总装药量8.4Kg。因此Ⅳ级围岩段落同样分两种情况模拟，分A、B两个子工况，分别为：工况A为按底板眼控制，最大单段药量考虑；工况B为按一级掏槽眼控制，单段总药量考虑。
2.2 模型最大绝对振速分析
1）工况A（按最大单段药量考虑）
既有隧道质点振动速度分布如图2所示，最大单段药量高达36kg。爆破过程中既有隧道X方向最大绝对振速为3.154cm/s，Y方向最大绝对振速为4.438cm/s，Z方向最大绝对振速为1.110cm/s，爆破时，隧道纵向振动效应最为显著，主要是纵向的应力波对既有隧道产生影响。
2）工况B（按一级掏槽眼单段总药量考虑）
工况B为IV级围岩一级掏槽眼6孔，单段总药量8.4kg，既有隧道质点振动速度分布如图3所示，X方向最大绝对振速为5.381cm/s，Y方向最大绝对振速为11.680cm/s，Z方向最大绝对振速为1.783cm/s。Y方向绝对振速最大为11.68cm/s，已接近控制指标12cm/s。因此掏槽孔爆破时，隧道纵向受到的应力波影响最大，横向次之，竖向最小，这与底板眼爆破呈现的振动规律有所差异。
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（a）X方向
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（b）Y方向
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（c）Z方向
图2 既有隧道爆破过程最大绝对振速（工况A）
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（a）X方向
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（b）Y方向
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（c）Z方向
图3 既有隧道爆破过程最大绝对振速（工况B）
2.3 不同位置质点振动速度比较
1）工况A（按最大单段药量考虑）
不同结构单元的振动速度如图4-5所示，距离爆心最近点振速最大。二衬最大振速位置为拱墙位置，为7.987cm/s，另一侧拱墙位置数值为3.648cm/s，同一断面衰减幅度约50%，衰减效应更为明显。
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图4 同一环衬砌不同位置振速分布
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图5 既有隧道二次衬砌振速分布
2）工况B（按一级掏槽眼单段总药量考虑）
不同结构单元的振动速度如图6-7所示，二衬最大振速位置为拱墙位置12.74cm/s，另一侧拱墙位置数值为6.78cm/s，同一断面衰减幅度约50%，衰减效应也很明显，同时不同结构单元之间的振速并未有明显差异。
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图6 同一环衬砌不同位置振速分布
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图7 既有隧道二次衬砌振速分布
3.现场爆破测振检测分析
3.1 爆破测振仪
本文应用JIAOBO L20-N爆破测振仪对现场进行实地测量，L20-N爆破测振仪适用于临近铁路既有线路、桥梁、大坝、古建筑、隧道、高陡边坡等的工程建设项目。测量参数包括速度及加速度，即可测突发事件，也可测连续性事件。共有三个通道，其量程：0.0001-35cm/s（1-500Hz），A/D精度：0.21μm（24Bit），时间精度：0.01ms（100k sps），使用环境：-30~75 ℃，90%RH。
3.2 开挖及爆破方案
隧道开挖爆破采用孔内毫秒导爆管雷管延期，孔外用同段别导爆管雷管簇连采用，俗称“大把抓”法，用导爆管雷管一次击发起爆。起爆方式由掏槽孔最先起爆，辅助孔次之，周边孔应同时起爆，底孔最后起爆。
采用中空直眼螺旋掏槽和复式楔形掏槽，按设计开挖轮廓线布置周边炮眼，间距为40-60cm，辅助眼间距为50-80cm。8-10台YT-28型气腿式凿岩机钻眼平行作业。IV级围岩采用上下台阶法，循环进尺上台阶控制在2m，下台阶控制在2.5m。炮孔布置和引爆网络如下图8-9所示。
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图8 IV级围岩上台阶炮孔布置图
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图9 IV级围岩上台阶网络布置图
3.3 测点布置方案
为保证既有隧道安全，需要对爆破造成的邻近隧道振动情况进行监测。由于现场条件原因，仪器放置隧道拱脚位置进行监测。监测点布置见图10，相邻监测点的距离P=5m，当条侧线放置5台仪器。
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图10 现场监测点布置
3.4 监测结果及分析
现场监测采用L20-N爆破振动智能监测仪，仪器测试频率为3200 sps，测试持续时间0.5s，负延时为0.25s。通过20次测试试验，获得了100组爆破振动测试数据，其中选取3组代表性数据。取具有代表性的邻洞隧道的振动时程典型曲线如图11所示。
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X 方向
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Y 方向
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Z 方向
图11 代表性时程曲线图
监测数据如表3所示。
表3 检测数据表
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从图11可以明显分辨出各延时爆破引起的振动历程及峰值振速。对比水平径向、水平切向和垂直方向三个方向的振动时程特征，峰值振速的最大值均由掏槽眼段引起，与模拟所得结论吻合。由于振速已接近规范要求，为保证爆破施工安全需考虑对施工方案进行优化。
4.爆破方案优化
1）实际施工中，应避免上下台阶同时爆破的情况发生，避免爆破能量叠加造成的振速失控。同时IV级围岩爆破面积过大，若振速不宜控制，建议采用三台阶法进行开挖。
2）针对IV级围岩爆破振速控制问题，宜减小掏槽眼及底板眼单段爆破药量和采用延时爆破2个方面提出优化措施，现场施工可对爆破方案做进一步设计优化。
5.结论
通过Midas-GTS建立有限元模型和现场监测数据对新建隧道上台阶爆破对既有隧道围岩振动影响进行研究，得出以下结论：
1）爆破振动强度随着质点距离爆心的距离增大而减小。背爆侧由于离爆源距离较远，既有隧道空间对震动衰减作用较大，其振动强度小于迎爆侧。
2）此工程引起临近隧道振动最大并不在最大装药量段而在掏槽段，所以在进行隧道爆破振动控制分析时，需考虑距离、炮眼分布、装药量、自由面等因素。
3）当掏槽孔爆破时，两种爆破方案对既有隧道三个方向的最大绝对振速影响不同，通过对比可知，按一级掏槽眼单段总药量考虑的时候隧道受到的最大绝对振速小于按最大单段药量考虑的时候，且在控制指标之内，在现场施工时宜采用一级掏槽眼单段总药量考虑且应该适量减少炸药当量。
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