0 引言

　　工程建设过程中，由于受到地理位置或地形的限制，经常会出现新建隧道与既有隧道相邻的情况。新建隧道在施工过程中，爆破引起的爆炸波可能会引起邻近隧道衬砌结构的损伤，继而影响隧道的安全稳定。如何在施工过程中采取合理措施，减少对邻近既有隧道的影响，保证隧道的整体稳定性具有重要的工程意义。

　　国内外学者在这方面进行了大量研究。Singh^[1]分析了新建隧道爆破对邻近既有巷道的影响问题。Stephen等^[2]通过分析认为爆破振动对隧道的危害不仅与振动强度有关，还与频率密切相关，结合振动频率的振动安全判据成为目前安全评价体系的主体。潘晓马^[3]通过有限元数值分析得出采用矿山法施工时，开挖爆破产生的冲击波会对既有隧道衬砌造成一定影响，当与相邻隧道间距小于1倍隧道宽度时，迎爆侧边墙会出现较大拉应力。钟建辉^[4]采用有限元软件对不同案例进行了数值模拟，主要包括不同隧道间距、围岩类型，既有隧道不同形状等情况，通过分析得到相应结论。文曦^[5]以宁波某隧道为研究背景，应用有限元软件对新建右线隧道对既有左线隧道的动态响应进行了分析，并选取左线4个不同里程的断面研究振速的规律，研究了不同断面振速极值的位置，不同方向振速峰值出现的时间特征及隧道衬砌的变形图。崔可佳^[6]以大渡口双山隧道为监测对象，对地表振动以及不同条件下既有隧道受迫振动进行了系统深入的研究，并基于监测结果，对爆破地震波的传播规律进行了分析。何洪甫^[7]以南山隧道为工程背景，通过采集监测数据，分析了隧道爆破对既有隧道的影响，然后采用有限元软件对隧道爆破效果进行了模拟，得到既有隧道结构的振动特性。谭忠盛等^[8]结合株六铁路复线关寨隧道，在分析隧道爆破施工对既有隧道影响因素的基础上，采用有限元分析方法，得到了各振动参数时间历程，并对采用数值法模拟爆破振动的合理性进行了分析。彭道富等^[9]结合秦岭隧道，根据实测资料，运用回归方法，对近距离爆破对隧道周边振动场分布影响进行分析，得出最大振动速度出现在隧道迎爆侧的墙壁和仰拱，墙脚点振动速度较小，背爆侧振动速度相对较小的结论。吴浩艺等^[10]运用有限元软件对近距离爆破情况下既有隧道周边围岩进行了数值模拟，分析了隧道周边围岩介质质点振动的分布规律，并借助大量测试数据分析对数值模拟分析结构进行了验证。另外，还在现场振动测试数据分析的基础上，论证了爆破条件、地质条件对振动衰减的影响。

　　本文以康坂隧道项目为依托，根据隧道爆破位置岩体的力学特性制订相应爆破方案，采用数值分析方法对爆破振动效应进行模拟，以验证方案的合理性，最后在此基础上制订相应的监测方案，通过监测结果来验证爆破方案和数值模拟结果的合理性，同时为本项目的后续施工提供依据。

　　1 工程概况

　　康坂隧道位于福州市马尾区亭江镇东盛村，为国道104连江—晋安段改线工程项目的控制工程，为分离式隧道，左线全长355m，最大埋深约94m，右线全长365m，最大埋深约为89m，隧道上穿杭深高铁温福段东盛隧道，相互间夹角为45°，两座隧道间交叉情况如图1所示。

　　两线之间交叉点处里程左线为ZK17+033，右线为YK17+017，左线隧道之间垂直净距约29m，右线隧道之间垂直净距约27m。

　　隧道内轮廓净空采用曲墙三心圆，净空宽度14.5m，净空高度7.5m。采用复合式衬砌结构，初期支护采用喷射混凝土+系统锚杆+钢筋网+型钢支撑的综合防护系统，厚13cm，二次衬砌厚40cm，所用材料为C25防水混凝土(见图2)。

　　隧道位于当地侵蚀基准面之上，加上山体坡度较陡，隧址区未见明显的地表水发育。隧道经过段主要地质类型为坡积土，厚1～2m，其下为中～微风化花岗岩，节理较发育，与东盛隧道相交处前后30m为Ⅱ级围岩，岩质较硬，岩体较完整。交叉段围岩的主要物理力学性质如表1所示。

　　

　　图1 康坂隧道与既有杭深高铁东盛隧道关系  

　　 

　　

　　图2 新建隧道轮廓(单位:cm)  

　　 

　　  

　　表1 围岩主要物理力学性质  

　　 

　　 

　　

　　表1 围岩主要物理力学性质

　　2 爆破方案及合理性验证

　　2.1 爆破方案

　　2.1.1 炮孔布置

　　依据设计采用全段面爆破，每循环进尺2.0m，炮孔直径为42mm，孔间距为0.5～0.8m，炸药单耗量为0.91kg/m³，钻孔具体布置如图3所示。孔网参数与装药量如表2所示。

　　2.1.2 掏槽方式

　　掏槽孔位于断面中下位置，采用水平楔形掏槽。掏槽孔应超深0.2～0.3m。周边孔(包括底的孔口位置距断面轮廓边线0.05～0.10m，其孔底落在轮廓边线外0.05～0.10m处。

　　

　　图3 全断面法炮孔布置  

　　 

　　  

　　表2 孔网参数与装药量 

　　 

　　 

　　

　　表2 孔网参数与装药量

　　2.1.3 装药结构

　　周边孔间隔装药，将药卷按设计间隔捆绑在竹片(条)上并全长贯穿导爆索，孔底略增加药量，采用正向起爆。其余炮孔均采用连续不耦合装药，必要时可采用耦合装药，采用反向起爆，并采用孔外延期，如图4所示。

　　2.1.4 爆破网路

　　选用2号岩石乳化炸药，毫秒延期导爆管雷管(用于孔内)，导爆管瞬发雷管(用于孔外网路连接)。药包加工时，导爆管雷管预先留有足够的长度。作业断面采用多组簇联连接，采用瞬发雷管(反向安装)作为引爆雷管，用胶布包扎在离一簇导爆管自由端内>15cm处，按各类炮孔的段别装填好后以10发/组簇并联连接，如图5所示。

　　2.2 合理性验证

　　为分析爆破方案的合理性，选取相交截面YK17+017处作为研究对象，采用有限元软件分析该断面进行爆破时对下方隧道造成的影响。通过输入时程加速度曲线，将爆破产生的荷载以时间函数均布在作用面上，然后进行运算，得到不同时间节点的应力、应变等变量值。具体分析流程为:建立有限元模型→输入时程曲线→输入爆破参数→定义边界条件和阻尼→施加爆破荷载→运行模型→结果分析。

　　

　　图5 爆破网路连接示意  

　　 

　　采用数值方法对爆破过程进行模拟时，需对爆破荷载进行等效处理，在此采用的等效方法是首先根据炸药性能参数确定作用在炮孔壁上的爆轰压力峰值及时程曲线，然后对时程曲线进行等效计算。

　　2.2.1 爆破荷载峰值

　　爆破荷载峰值是指爆炸发生时作用在孔壁上的压力峰值，在考虑不耦合装药的情况下，岩石中的爆轰压力为^[11]:

　　

　　 

　　式中:K为装药径向不耦合系数;d_b和d_c分别为炮孔直径和药包直径(mm);l_e为装药轴向系数;n为碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取10;γ为炸药膨胀绝热指数，一般取3;P_D为炸药的初始爆轰压力(MPa)，根据式(2)计算:

　　

　　 

　　式中:ρ₀为炸药密度(kg/m³);D为炸药爆速(m/s)^[12]。相关参数取值如表3所示。

　　

　　图4 光面爆破装药示意  

　　 

　　  

　　表3 爆破参数 

　　 

　　 

　　

　　表3 爆破参数

　　依据爆轰压力，可得到爆破荷载压力曲线三角形脉冲荷载^[13]:

　　

　　 

　　式中:d为粉碎区半径与药包半径之比，一般取2～3。

　　爆破模拟过程中，一般采用等效荷载施加方法，这样可减少炮孔周围繁复的网格划分工作，同时也可减少划分后的单元数目。等效荷载的计算公式为^[14]:

　　

　　 

　　式中:a为炮孔间距，取掏槽孔的间距0.5m。

　　计算得到的爆轰压力、脉冲荷载及等效荷载如表4所示。

　　  

　　表4 爆破荷载计算结果 

　　 

　　 

　　

　　表4 爆破荷载计算结果

　　假定爆破过程中产生的压力均匀分布在洞室壁上，作用方向垂直于边界面;爆破荷载为三角形荷载，包括线性上升段和线性下降段。爆破压力的持续时间一般为数百微秒至几毫秒，取压力上升段为0.5ms，持续时间取6倍上升时间，即3ms^[15]。

　　模拟围岩在爆破作用下的动力响应特征时，须综合考虑计算量和计算尺寸对结果的影响。选取右线与高铁隧道交叉点处的断面进行数值模拟，隧道宽度×高度为14.08m×10.35m，计算区域隧道左、右两侧取隧道跨度的5倍，上、下两侧取隧道高度的4倍，即70.4m×41.4m。

　　2.2.2 模型建立

　　取结构的前两阶模态进行分析，瑞利阻尼参数的取值α=0.04，β=0.003^[14]，模型底面和侧面设置为黏弹性边界，表面及荷载施加边界设置为自由边界，共计4 195个结点，2 820个单元。

　　2.2.3 模拟结果

　　在每循环进尺2m情况下，下方隧道断面洞顶、边墙、洞底位置处的最大振动速度分别为2.94,2.62,0.36cm/s。

　　可以看出，新建隧道开挖爆破对下方既有隧道影响最大的作用点位于洞顶处，其次是边墙，对洞底的影响最小。按GB 6722—2014《爆破安全规程》^[16]，交通隧道的安全允许最大振速为10～20cm/s，基于高铁在交通系统中的重要性以及可能造成的严重后果，在此采用最低值10cm/s作为安全控制值。这3个位置的最大振动速度均小于安全控制值，说明爆破方案合理。

　　3 监测方案

　　3.1 监测范围

　　采用萨道夫斯基公式:

　　

　　 

　　式中:V为质点振动速度(cm/s);K为介质系数;Q为最大单段装药量(kg);R为振动目标到振源的距离(m)，取隧道断面底边中心处作为振源;α为衰减指数。

　　通过对拱顶爆破振动衰减数据进行回归分析，得到式(5)中的系数K和α，拱顶的振动速度衰减规律如式(6)所示:

　　

　　 

　　监测范围如图6所示，B点为上、下隧道交叉点里程，D点为下方隧道。为了计算方便，左、右侧设定相同的监测范围。

　　

　　图6 监测范围  

　　 

　　为了确定监测范围，假定在B处爆破时，引起A点隧道的最大振动速度为安全控制值10cm/s的0.5倍，即5cm/s。Q取14.4kg，代入式(6)，得到:

　　

　　 

　　A点距D点的距离为:

　　

　　 

　　监测过程中，为了安全起见，将监测范围设定为交叉点左、右两侧20m。

　　3.2 监测设备及测点布置

　　爆破监测仪器由L20智能记录型爆破测振仪及配套三分量速度传感器、无线网络、远程控制计算机及客户端软件组成。测试精度为5%，读数精度为0.1%，存储容量为8GB，满足实际监测过程的需要。根据规范及设计要求，杭深铁路东盛隧道监测点布置原则为:交叉处每隔10m布置1个监测断面，监测点布置在边墙中点，如图7所示。

　　

　　图7 监测设备及监测点  

　　 

　　4 监测结果

　　爆破作业监测时间为2018年3—5月，共进行了54次爆破作业。交叉点处振动波形图如图8所示。

　　

　　图8 爆破振动波形示意  

　　 

　　爆破振动波形图反映了爆破振动速度随时间的变化情况，由图8可看出，存在比较明显的分段情况，振动峰值逐渐衰减，没有出现明显的振动峰值叠加现象。在ZK17+033里程处爆破时，监测点处不同方向最大振动速度值:V_x为1.380cm/s,V_y为1.945cm/s,V_z为1.383cm/s。在YK17+017处爆破时，监测点处不同方向最大振动速度值:V_x为1.226cm/s,V_y为1.755cm/s,V_z为1.175cm/s。从监测到的数据统计得出，x方向和z方向的振动峰值普遍小于y方向的振动峰值，水平方向的振动峰值小于垂直方向的振动峰值。同时，依据规范规定，振动峰值均位于安全控制值之内，隧道衬砌混凝土表面未见裂缝及掉块等现象，说明上方爆破没有对隧道的结构造成损伤。

　　5 结语

　　1)上方隧道爆破作业对下方既有隧道的影响最大作用点位于洞顶处，为2.94cm/s;其次是边墙，为2.62cm/s;对洞底的影响则最小，只有0.36cm/s。洞顶振动峰值和边墙振动峰值之间的差异较小，两者之间的差异为0.32cm/s，监测过程中，应重点加强对洞顶和边墙的监测。

　　2)爆破监测过程中可通过萨道夫斯基公式合理设定监测范围，监测范围的设定应以隧道安全和方便施工为原则，不宜过长，也不能过短。

　　3)监测数据表明，对于上下交叉的隧道，水平方向的振动峰值相对来说要小于垂直方向的振动峰值。