何俊 王安民 錢(qián)伊默 彭維圓 王少飛

高速公路建設(shè)過(guò)程中，受地形限制，薄壁連拱隧道被多次采用。薄壁連拱隧道中隔墻厚度較?。ǔＰ∮?.0 m），后行洞施工爆破振動(dòng)對(duì)先行洞襯砌影響較大，后行洞采用合適的爆破開(kāi)挖工法盡量降低其對(duì)先行洞的影響，對(duì)先行洞結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。結(jié)合“石格拉2號(hào)隧道”薄壁連拱段實(shí)例，對(duì)后行洞采用“三臺(tái)階法開(kāi)挖”和采用“三臺(tái)階分區(qū)分塊法開(kāi)挖”2種工況進(jìn)行爆破振動(dòng)分析，分別研究了上、中、下各臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)爆破對(duì)先行洞初支及二襯振動(dòng)速度的影響。

連拱隧道； 分區(qū)分塊法； 三臺(tái)階法； 爆破影響； 先后行洞； 有限元法

U455.6 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金項(xiàng)目］云南省交通運(yùn)輸廳科技創(chuàng)新及示范項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：云交科教便［2019］36號(hào)），公路隧道創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)：云南省科技和人才平臺(tái)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2017HC025）

［作者簡(jiǎn)介］何俊（1989—），男，碩士，工程師，注冊(cè)土木工程師（巖土），主要從事隧道設(shè)計(jì)及研究工作。

1 薄壁連拱隧道施工

云南省位于我國(guó)西南邊陲，山地高原地形占全省總面積的88.64%。伴隨著全省經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)里程也屢創(chuàng)新高，受地形限制，薄壁連拱隧道在數(shù)條高速公路中被多次采用。薄壁連拱隧道中隔墻厚度較?。ǔＰ∮?.0 m），后行洞施工爆破振動(dòng)對(duì)先行洞襯砌影響較大，后行洞采用合適的開(kāi)挖工法盡量降低其對(duì)先行洞的影響，對(duì)先行洞結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，因此薄壁連拱隧道后行洞開(kāi)挖工法的選擇及優(yōu)化就變成急需解決的眾多薄壁連拱隧道施工問(wèn)題之一［1-2］。

本文主要結(jié)合“石格拉2號(hào)隧道”薄壁連拱段實(shí)例進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。該隧道為設(shè)計(jì)速度為80 km/h的雙向四車(chē)道高速公路隧道，整體采用“分離式—小徑距—連拱”的形式，右幅起點(diǎn)里程K109+495，全長(zhǎng)4 905 m；左幅起點(diǎn)里程ZK109+575，全長(zhǎng)4 832 m，最大埋深約665 m；其中出口段采用薄壁連拱，設(shè)計(jì)標(biāo)高間距為3.0 m，測(cè)設(shè)線間距為1.0 m。隧道區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系殘坡積（Q4el+dl）層、二迭系上統(tǒng)玄武巖組（P2β）玄武巖，其中玄武巖為硬質(zhì)巖。

本文通過(guò)有限元分軟件MIDAS GTS NX分別對(duì)：后行洞采用“三臺(tái)階法開(kāi)挖”和采用“三臺(tái)階分區(qū)分塊法開(kāi)挖”2種工況進(jìn)行爆破振動(dòng)分析；研究了上、中、下各臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)爆破對(duì)先行洞初支及二襯振動(dòng)速度的影響，并采用理論計(jì)算分析對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，由此對(duì)比2種工法的優(yōu)劣及適應(yīng)性，以期更好地指導(dǎo)薄壁連拱隧道設(shè)計(jì)和施工。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

本文采用“石格拉2號(hào)隧道”出口薄壁連拱隧道段SB5a型襯砌（先行洞：27.0 cm厚C25噴混+60.0 cm厚C30鋼混；后行洞：27.0 cm厚C25噴混+50.0 cm厚C30鋼混；中隔墻：85.0 cm+55.0 cm厚C30鋼混）［3-4］作為計(jì)算模型，襯砌斷面如圖1所示，襯砌開(kāi)挖高度為1 029.0 cm，開(kāi)挖寬度為1 237.0 cm+1 197.0 cm=2 434.0 cm。

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行計(jì)算分析。工況1計(jì)算模型如圖2所示。

工況2計(jì)算模型如圖3所示。

本文模擬工況均按先行洞開(kāi)挖、初支和二襯都完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行后行洞爆破開(kāi)挖。模型圍巖均按Ⅴ級(jí)強(qiáng)風(fēng)化玄武巖考慮［5-6］。

2.2 爆破荷載

本文爆破荷載采用MIDAS GTS NX爆破荷載生成器生成，爆破循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m［7］ ，單位炸藥用量為2.14 kg/m3，爆破荷載時(shí)程曲線如圖4所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文選取各階段結(jié)構(gòu)的最大水平速度作為后行洞爆破開(kāi)挖對(duì)先行洞的影響的對(duì)比分析指標(biāo)。

通過(guò)MIDAS GTS NX計(jì)算，得到2種工況下上、中、下臺(tái)階爆破開(kāi)挖時(shí)，先行洞初支及二襯的最大水平速度分別如圖5～圖10所示， 最大水平速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1～表3所示。

因?yàn)楸”谶B拱隧道中墻處初支為一臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，后行洞二襯澆筑前需要將其拆除，且后行洞爆破開(kāi)挖對(duì)先行洞初支影響最大部位均位于中墻處，其整體對(duì)先行洞結(jié)構(gòu)安全影響較小，故本文選擇對(duì)先行洞二次襯砌進(jìn)行理論對(duì)比計(jì)算分析。

經(jīng)查閱相關(guān)資料、文獻(xiàn)，本文選擇與結(jié)合工程具有一定相似性，由西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舒磊博士、仇文革教授等結(jié)合云南省鹽津縣白水江三級(jí)電站引水隧洞下穿內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道工程總結(jié)推導(dǎo)的開(kāi)挖爆破振動(dòng)計(jì)算公式［8-10］作為理論計(jì)算依據(jù)，具體如式（1）、式（2）所示。

v=aQ0.9843R1.383（1）

a=0.9695N+0.1334（2）

式中：v為爆破振動(dòng)速度（cm/s） ；a為考慮圍巖級(jí)別影響的修正系數(shù) ；Q為起爆藥量（kg） ；R為質(zhì)點(diǎn)與爆源間的距離（m）；N為圍巖級(jí)別，取1～6的整數(shù)。

“三臺(tái)階分區(qū)分塊法”和“三臺(tái)階法”理論對(duì)比計(jì)算分析參數(shù)取值如表4所示。

備注：Q1～Q3分別為上、中、下臺(tái)階的起爆藥量；R1～R3分別為上、中、下臺(tái)階的各起爆區(qū)形心到2.1～2.3節(jié)計(jì)算分析的先行洞二襯水平速度最大點(diǎn)的距離；v為各開(kāi)挖階段對(duì)應(yīng)的先行洞二襯最大爆破振動(dòng)速。

根據(jù)式（1）、式（2），后行洞上臺(tái)階采用“三臺(tái)階分區(qū)分塊法”爆破開(kāi)挖時(shí)，相對(duì)于“三臺(tái)階法”，先行洞二襯最大爆破振動(dòng)速度變化幅度P1如式（3）所示 。

P1=v11-v12v12×100%=0.480.98430.671.383-1=-15.51%（3）

同理可求出P2、P3，其結(jié)果如表5所示。

由表5可知，數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)本文的計(jì)算分析結(jié)果，后行洞由“三臺(tái)階法”優(yōu)化為“三臺(tái)階分區(qū)分塊法”爆破開(kāi)挖時(shí)，上、中、下臺(tái)階各階段先行洞初支及二襯的最大水平速度的變化幅度、二襯最大水平速度出現(xiàn)部位匯總?cè)绫?所示，先行洞初支和二襯最大水平速度比率如表7所示。

由本文的計(jì)算分析及匯總表6～表7得出的結(jié)論及建議：

（1）薄壁連拱隧道后行洞施工采用“三臺(tái)階分區(qū)分塊法”相對(duì)于傳統(tǒng)“三臺(tái)階法”，其爆破振動(dòng)對(duì)先行洞初支及二襯的水平振動(dòng)速度的影響均能顯著降低，降低幅度約為13%～32%，建議后行洞施工過(guò)程中優(yōu)先選用“三臺(tái)階分區(qū)分塊法”。

（2）后行洞爆破施工對(duì)先行洞二襯振動(dòng)影響主要集中在中墻拱肩部位，建議設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)先行洞中墻拱肩部位進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，施工過(guò)程中嚴(yán)格控制中墻拱肩施工質(zhì)量。

（3）后行洞爆破施工對(duì)先行洞初支振動(dòng)影響顯著大于對(duì)二襯振動(dòng)影響，上、中、下臺(tái)階對(duì)應(yīng)的倍數(shù)分別約為1.69、3.17、9.96，上臺(tái)階最小，中臺(tái)階次之，下臺(tái)階最大，建議在先行洞中墻初支與二襯接觸部位設(shè)置減震隔離層，以減小先行洞初支振動(dòng)向二襯的傳遞。

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