公路隧道爆破施工對鄰近營運高速公路隧道及橋梁安全的影響

黃健輝

(廣州市交通工程質量監督站,廣州 511431)

0 引言

隨著高速公路建設快速發展，城市化不斷推進，為節約土地資源，許多地區的高速公路變得越來越密集，在新建高速公路隧道時經常存在上跨、下穿、平行或臨近既有高速公路的情況[1-5]。隧道施工通常采用爆破開挖的方式，爆破會產生振動、飛石和沖擊波等危害作用，這無疑對既有高速公路運營安全形成很大的安全隱患[6-9]。因此，在施工過程中采取有效措施，以確保既有高速公路運營安全，尤為重要。

本文以某高速公路石牯嶺2號隧道工程實例為背景，分析爆破產生的振動、飛石和沖擊波對既有高速公路運營安全的影響，并提出切實可行的防控措施。

1 工程概況

某高速公路石牯嶺2號隧道工程為雙向四車道小凈距分離式隧道，左線隧道全長637m，右線隧道全長657m。進口端洞門采用端墻式，出口端洞門采用明洞式。隧道進口較遠位置里程樁號K37+400處發現有一條F4斷裂，斷裂呈西北走向，屬壓扭性斷層，走向NW307°，傾向南西，傾角52°。構造巖以硅化巖為主，其次是破碎硅化巖和硅化角礫巖，構造運動強度整體較弱，構造穩定性相對較好，圍巖級別主要為Ш、Ⅳ級。石牯嶺2號隧道右線隧道進洞口與原鳳凰山隧道右幅洞口之間的水平凈距為40m，與黃陂村特大橋邊線之間的凈距為39m，位置平面如圖1所示。

圖1 隧道位置平面

2 爆破設計

2.1 控制振動速度的選取

根據本工程所處的地理位置，需對不同距離內的結構物進行驗算，以確定同段起爆最大裝藥量。按《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[10]規定，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物所能承受的最大允許安全振動速度為2～3cm/s，工業和商用建筑物所能承受的最大允許安全振動速度為2.5～5.0cm/s。為了確保爆破振動不影響結構安全，結合施工經驗，擬選取略低于一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物所能承受的最大允許安全振動速度進行控制，故本工程選取控制振動速度為1.8cm/s進行安全校核(表1)。

表1 爆破振動速度校核(Vmax=1.8cm/s)

根據《爆破安全規程》(GB 6277-2014),Qmax=R3(V/K)3/α，式中：Q—最大一段的裝藥量(kg);R—距爆源中心的距離(m)；K—與介質特性、爆破方式及其它因素有關的系數,取150；V—爆破地震安全速度，1.8cm/s；α—地震衰減指數,取1.5。

2.2 爆破方案設計

爆破方案設計時需根據現場實際情況確定爆破規模，選定合適的參數。爆破的效果和質量很大程度上取決于鉆眼爆破參數的選擇，主要有：炸藥單耗、炮眼深度、炮眼直徑、裝藥直徑、炮眼數目等。合理地選擇爆破參數，不僅要考慮掘進的條件(巖石地質和斷面條件等)，而且還要考慮這些參數的相互關系及對爆破效果和質量的影響(如炮眼利用率、巖石破碎塊度等)。臨近既有高速公路附近的隧道爆破采用上下臺階法開挖，每循環進尺為1.5m，掘進炮孔深度宜增加0.1～0.2m。掏槽孔布置與炮孔布置如圖2～圖3所示，爆破參數見表2。

圖2 上下臺階法掏槽孔布置

圖3 上下臺階法炮孔布置

表2 上下臺階法爆破參數

3 爆破振動的影響分析

3.1 振動范圍的確定

通過MIDAS/GTS軟件將隧道和圍巖體系按三維有限元分析，采用空間六面體單元來劃分模型單元。根據爆破設計方案，隧道采用上下臺階法開挖，掌子面距離既有鳳凰山隧道最短距離為100m，如圖4所示，在此開挖面的上臺階鉆孔施爆，爆破單位藥量約為1.12kg/m3，炮眼孔徑40～42mm，總藥量267kg。模型中采用單位藥量2kg/m3進行爆破模擬，考慮到施工過程中的空間效應以及樁基尺寸，取長245m、寬430m、總厚度239m的土體作為分析范圍，如圖5所示。計算模型中土體采用實體單元，土體本構關系采用Mohr-Coulomb屈服準則，土層、隧道襯砌、橋梁承臺、橋墩均采用實體單元，橋面采用板單元，樁基采用梁單元模擬。邊界條件除頂面取為自由邊界外，其它面均取為粘性界面。

圖4 爆破位置

圖5 分析范圍

3.2 爆破振動對既有隧道的影響

隧道襯砌和圍巖的安全與否不僅取決于隧道結構的抗振能力，而且與沖擊波強度有關。通過建立三維地層—結構模型，模擬新建隧道爆破施工對既有隧道的影響并進行分析。

3.2.1 位移

爆破對隧道襯砌產生的位移影響如圖6所示。

圖6 爆破對隧道襯砌產生的位移影響(單位：mm)

模擬結果顯示，爆破使得隧道襯砌產生最大的位移為0.004 5mm，位移的變化幅度不影響結構的安全。

3.2.2 振動

爆破對隧道襯砌產生的振動速度如圖7所示。

圖7 爆破對隧道襯砌產生的振動速度(單位：cm/s)

爆破導致隧道產生振動，對隧道襯砌產生的振動速度為0.132cm/s，振動速度小于1.8cm/s。經分析，該隧道進行爆破施工時，隧道爆破施工不影響既有隧道的結構安全。

3.3 爆破振動對既有橋梁的影響

通過建立三維地層—結構模型，模擬新建隧道爆破施工對既有高架橋梁的影響并進行分析。

3.3.1 位移

爆破對橋梁產生的位移影響如圖8所示。

圖8 爆破對橋梁產生的位移影響(單位：mm)

模擬結果顯示，爆破使得高速公路橋梁產生最大位移為0.005 59mm，位移的變化幅度不影響結構的安全。

3.3.2 振動

爆破對橋梁產生的振動速度如圖9所示。

圖9 爆破對橋梁產生的振動速度(單位：cm/s)

爆破導致橋梁產生振動，對橋梁產生的振動速度為0.163cm/s，振動速度小于1.8cm/s。經分析，該隧道進行爆破施工作業時，不影響既有高速公路橋梁的結構安全，施工后能保證臨近既有橋梁正常使用。

4 爆破飛石和沖擊波的影響分析

4.1 飛石和沖擊波的防護

在隧道洞口前設置洞口爆破防護臺車[11-13]。臺車橡膠防護毯與主梁配合斜撐，可對洞門進行全覆蓋。橡膠防護毯作為防護排柵能有效抗擊洞內爆破產生的飛石和沖擊波，防護毯磨損后可及時更換，放炮時可移到洞口，不放炮時可在洞口附近存放，靈活移動，操作方便,如圖10所示。

圖10 洞口爆破防護臺車

4.2 飛石和沖擊波安全驗算

4.2.1 飛石對防護臺車的沖擊

式中：Q—裝藥量(kg)；W—最小抵抗線(m)。根據爆破設計方案，裝藥量取86.4kg，最小抵抗線取1.5m。則：

根據動能公式：mv=Fs；飛石重量m取10kg，速度v取173.7m/s；反彈時間s取0.1s?？紤]最不利荷載，飛石以同樣的速度反彈，則：

鋼板的抗沖擊力：

P=fSt

式中：P—沖孔沖裁力(N)；S—落料周長(mm)；t—材料的厚度(mm)；f—材料抗拉強度(N/mm2)。飛石與鋼板接觸面周長S取50mm×50mm，沖擊力P取34.74kN，鋼板厚度t取8mm，則：

經驗算，可知防護臺車滿足抗飛石沖擊的要求。

4.2.2 爆破產生的空氣沖擊波超壓值

根據《爆破安全規程》(GB6722-2014)規定，爆破時空氣沖擊波超壓值按如下經驗公式計算：

式中：ΔP—空氣沖擊波超壓值，取105Pa；Q—一次爆破梯恩梯炸藥當量，秒延時爆破為最大一段藥量，毫秒延時爆破為總藥量(kg)；R—爆源至保護對象的距離(m)。

根據設計圖紙中圍巖分級長度，主要考慮Ш級圍巖爆破時對洞口前既有高速公路的防護，Ш級圍巖爆破時距離洞口最近約100m。Ш級圍巖采用上下臺階法爆破開挖，一次爆破總的裝藥量為267kg。爆破時的沖擊波：

防護臺車主要為防止飛石、沖擊波對人員及既有高速公路的影響，臺車桿件結構發生變形不影響使用，故只對臺車的整體傾覆進行驗算。計算模型如圖11所示。

圖11 臺車抗傾覆計算模型

根據計算模型，斜撐受力：

F×450×sin45°+G×500/2=P×361

式中：G—防護臺車自重，結構自重為19.7t；P—空氣沖擊波作用合力,P=9.2×102.5=943kN；F—斜撐受力。

代入后計算得到斜撐受力F=1 054kN，斜撐由兩根I18工字鋼受力，則單根工字鋼受力：F1=1 054/2=527kN。

故斜撐受力穩定性計算：

式中：φ—壓桿穩定系數，取0.95；A—I18工字鋼截面面積，取3 060mm2。故：

經驗算，可知防護臺車滿足抗沖擊波沖擊的要求。

5 工程應用效果

5.1 隧道爆破

為檢驗石牯嶺2號隧道爆破施工對既有鳳凰山隧道及橋梁的影響，在既有鳳凰山隧道洞口及橋梁墩底處距施工區域較近的位置安裝網絡測振儀,對爆破振動進行自動化監測，并對隧道外觀進行檢測。爆破時的監測結果顯示：鳳凰山隧道出口右洞右邊墻底部最大振動速度為0.189cm/s，如圖12所示；黃陂村特大橋右幅1號墩底部最大振動速度為0.210/s，如圖13所示。

圖12 鳳凰山隧道出洞口最大波速時域

圖13 黃陂村特大橋右幅1號墩底部最大波速時域

工程實踐表明，實測最大振動速度與模型計算的振動速度基本一致。同時，對隧道外觀進行檢測后，未見隧道內存在明顯的襯砌、防火涂料、瓷磚、燈具等脫落現象(圖14)。

圖14 出洞口襯砌及瓷磚未見脫落

5.2 飛石防護

在石牯嶺2號隧道爆破施工時，采用隧道爆破洞口防護臺車，臺車寬5.0m，內外設置兩道鋼板，靠近隧道洞口內側的鋼板厚度為8mm，外側鋼板采用5mm，內側鋼板掛設橡膠防護毯，防護毯與兩側鋼板截面積為102.5m2，可對洞門進行全覆蓋。隧道爆破后經現場勘查，在爆區外未發現任何飛石，臺車穩定，無位移，內外側鋼板及支撐梁均無變形、橡膠防護毯完好無損，防護效果良好(圖15)。

圖15 爆破飛石防護

6 結語

(1)結合工程實際，將既有高速公路附近的隧道爆破振動速度取值為1.8cm/s，并以此為基礎，確定不同距離的同段起爆最大裝藥量，從而有效指導爆破方案設計。

(2)為減少爆破振動的影響，爆破方案設計采取了短進尺、增加雷管段數、減少單段最大裝藥量等措施。經采用有限元分析及結合現場觀測，爆破振動未對既有高速公路的隧道及橋梁結構安全造成影響。

(3)隧道爆破時，在隧道洞口前設置爆破防護臺車，可有效阻止飛石和沖擊波對人員及臨近結構的影響。結合現場使用情況的觀測，防護效果良好，產生的飛石及沖擊波未對既有高速公路運營安全造成影響。