鄰近建筑物的隧道爆破方案優化設計研究

鄭世杰,馮 超,溫 泉,任 寬

(1.中交一公局集團 華中工程有限公司,武漢 430013;2.大連海事大學 道路與橋梁工程研究所,大連 116026)

鉆爆法作為最常用的隧道施工方法,成本低且效果好[1-4]。然而在爆破控制段施工過程中,爆破設計方案的優劣會直接影響爆破施工質量[5-10]。青島、大連等地區的淺埋地層以雜填土、黏土、砂土以及風化程度不同的花崗巖、凝灰巖為主,整體呈現明顯的上軟下硬特征[11]。在此類地層中采用淺埋暗挖法進行地鐵隧道施工時,時常會遇到隧道上下斷面巖體差異性較大的情況,上斷面圍巖軟弱破碎,有時甚至夾帶穩定性較差的砂層,而下斷面圍巖卻完整而堅硬。如果使用單一的鉆爆法進行開挖,不僅工序繁瑣,精準爆破難度大,而且極易給較軟的上部地層帶來較大的擾動,從而導致圍巖變形過大甚至地表塌陷、隧道坍塌等問題[12,13]。如果使用單一的機械法進行開挖,不僅成本高于鉆爆法,而且在進行下斷面施工時,受到硬巖的阻礙,掘進效率也會有所降低。青島地鐵13號線嘉陵江路～香江路區間隧道就處于典型的上軟下硬地層,且隧道兩側有較多建筑物,此時若采用傳統的全斷面爆破方案,那么爆破引起的振動一定會對建筑物造成很大影響[14-17]。在鄰近建筑物的隧道施工時,如何合理利用鉆爆法與機械法的優勢進行施工方案的優化設計,是個值得探究的問題。

為了解決上述難題,本文利用數值計算軟件進行模擬施工,并將數值計算結果與現場監測結果進行對比分析,建立了上軟下硬地層鄰近建筑物隧道爆破方案;結合實際工程,實現對受控對象的振動影響控制及開挖隧道爆破質量控制;將該方案應用于隧道鄰近建筑物區段,能有效降低隧道施工對地表建筑物的影響。

1 鄰近建筑物隧道施工方法

嘉陵江路站～香江路站區間隧道從嘉陵江路站出發,沿嘉陵江西路向東敷設,后轉入井岡山路,終點到達井岡山路與香江路交叉口,本區間設置兩個豎井,區間全長1211.124 m,前407.9 m為單洞雙線馬蹄形隧道,后約803.2 m為單洞單線馬蹄形隧道,隧道埋深10.56～21.86 m。

嘉陵江路站-香江路站區間隧道面臨著地質破碎,側穿重工業廠房及其他密集建筑物等問題,沿線地層復雜,地下水嚴重,巖體破碎強度較低,斷裂構造對本工程影響很大。隧道區間全部位于Ⅴ級圍巖段,本次研究區段為ZSK5+376.877～ZSK5+799.997段,地鐵區間周邊環境示意圖見圖1。

圖1 地鐵區間建筑環境Fig. 1 Surrounding environment of the subway

由于隧道會側穿過密集建筑物的區段,所以需要嚴格控制振速,本工程采用比《爆破安全規程》(GB6722—2014)更加嚴格的爆破振動控制,為了保證爆破作業的安全完成,以及盡量減小對地表建筑物的影響,提出一種機械開挖聯合爆破方案。

隧道分臺階進行開挖,上導洞處于軟弱地層,因此采用了機械法進行開挖。機械開挖流程完成之后會形成臨空面,方便爆破作業,同時能發揮機械法的開挖輪廓線圓順優勢,有效解決超(欠)挖問題,提高初期支護平整度,大大提高格柵安裝速度與保證噴射混凝土質量。下斷面采用鉆爆法進行施工,上導洞機械開挖產生的臨空面可以大幅度減小對地表建筑物的振動影響,下導洞爆破時因上部存在自由面會有部分能量散失到空氣中,導致工作面正上方測點振速減小,從而起到保護建筑物的作用,同時,鉆爆法開挖能夠解決下斷面硬巖開挖問題,不僅具備成本低、效率高、速度快等特點,而且采用光面爆破、微差控制爆破等手段還能控制斷面輪廓。

隧道區間鄰近建筑物信息見表1,鄰近建筑實景圖見圖2。

表1 隧道周邊部分建筑物爆破振動允許值Table 1 Permissible blasting vibration values of some buildings around the tunnel

圖2 鄰近建筑Fig. 2 Adjacent buildings

2 數值模擬驗證方案可行性

2.1 模擬方案

本次研究通過數值模擬對兩種施工方案進行對比,其中,第一種方案為傳統的全斷面爆破方案,顧名思義,就是上下斷面都設置炮眼,通過鉆爆法進行全斷面爆破。

第二種方案為聯合爆破方案,上斷面采用懸臂機開挖掘進,下斷面采用鉆爆法進行爆破施工,上下斷面錯開15 m進行平行施工,上斷面在前。

2.2 數值計算模型

應用FLAC3D有限差分軟件進行數值計算,模型尺寸60 m×50 m×40 m,由于隧道兩側建筑物位置情況類似,并無特殊的下穿建筑物情況,因此,選擇距離隧道最近的建筑物進行建模分析,模型中建筑物距離隧道邊緣9.3 m,建筑物高度為20 m,寬20 m,長10 m,與實際情況一致。網格劃分見圖3。選取施工場地內具有代表性的地質斷面,地層由上至下依次為素填土、強風化花崗巖、中風化花崗巖。巖體采用Mohr-Coulumb彈塑性本構,建筑物、基礎和襯砌采用線彈性本構,地層及建筑物參數見表2。

表2 地層及建筑物參數Table 2 Rock strata and building parameters

圖3 數值模型(單位:m)Fig. 3 Numerical Model(unit:m)

2.3 爆破荷載加載形式

本次研究采用三角形爆破等效動荷載進行計算,荷載時程曲線見圖4。升壓時間取為100 μs,正壓作用時間為600 μs,爆破地震波的持續時間取為0.6 s。炸藥的平均爆轟壓力為

圖4 三角形爆破等效動荷載時程Fig. 4 Blasting equivalent dynamic load time history with triangular distribution

(1)

式中:PD為炸藥爆轟平均初始壓力;ρe為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為炸藥的等熵指數。

炮孔初始平均壓力P0用下式進行計算

(2)

基于圣維南原理對炮孔壁上的爆破荷載進行了等效計算,這種方法也被眾多學者所采納[18-20]。爆破荷載等效形式見圖5,爆破參數見表3,爆破等效荷載計算結果見表4,等效荷載采用下式進行計算。

表3 爆破參數Table 3 Blasting parameters

表4 爆破等效荷載Table 4 Equivalent blast load

圖5 爆破荷載等效施加示意圖Fig. 5 Schematic diagram of equivalent application of blasting

(3)

式中:Pe為等效荷載;a為相鄰炮孔間距;r0為炮孔直徑。

2.4 監測點布置

模型的計算工況按照實際施工流程進行設置,計算過程中每層和地基均布置了12個建筑物不同位置下的監測點,共布置了84個不同監測點,監測點編號分別為對應層數加A-L不同測點編號,用以記錄建筑物不同位置的振速和豎向位移變化。數值計算模型中隧道結構與建筑物關系示意圖見圖6(a),建筑物測點布置與隧道軸線關系俯視圖見圖6(b)。

圖6 建筑物測點布置示意圖Fig. 6 Layout of building measuring points

2.5 不同施工方案建筑物施工穩定性對比分析

將2.3計算的等效荷載施加在隧道開挖面邊緣,其中,全斷面爆破時將等效荷載施加在隧道全斷面輪廓外法線方向,機械聯合爆破方案將等效荷載施加在隧道下斷面輪廓外法線方向,用以模擬爆破,進行不同工況下各個監測點的振速對比,分別將兩種爆破方案在該爆破位置處的建筑物監測點數據進行對比,全斷面爆破方案時振速峰值Vz max=1.627 cm/s,超過了嘉香區間爆破振動安全允許標準,聯合爆破方案時振速峰值Vz max=0.636 cm/s,由計算結果對比可以看出,聯合爆破條件下,各個監測點的振速峰值較全斷面爆破均有顯著減小,最大降幅為61.1%。

由結果分析可知,使用全斷面爆破方案進行模擬時部分振速超過嘉香區間爆破設計時的爆破振速控制標準,而機械開挖聯合爆破施工方案模擬后的爆后振速符合嘉香區間爆破組織設計時的爆破振速控制標準。兩種爆破方案在1K監測點的垂直振速模擬結果對比圖見圖7,同時對此種情況下的徑向、切向振速進行對比,結果表明,建筑物受到隧道爆破的影響下,垂直振速大于徑向和切向振速,迎爆側振速略大于背爆側的振速,建筑物在隧道爆破情況下1K測點的三向振速對比結果見圖8。

圖7 不同爆破方案垂直振速對比Fig. 7 Comparison of vertical vibration velocity of different blasting schemes

圖8 聯合爆破方案振速Fig. 8 Vibration velocity of the combined blasting scheme

3 施工參數優化設計

通過數值模擬結果可以看出,采用機械開挖聯合爆破方案進行施工可以有效降低建筑物的振速。對于所提出的機械開挖聯合爆破施工方案,進一步地對上斷面施工面臨的開挖進尺問題和下斷面施工面臨的爆破參數問題進行優化設計。

3.1 開挖進尺比選

由于隧道鄰近建筑物的存在,所以隨著隧道開挖的不斷進行,隧道上方的建筑物會存在一定程度上的損壞,主要是地面不均勻沉降引起的建筑物差異沉降,所研究建筑物為磚混結構,基礎為條形基礎。張頂立的研究中表明隧道上半斷面開挖造成的建筑物沉降占到總沉降量的80%以上[21],為了簡化計算,在數值模擬時,單獨對上斷面進行開挖,對比不同工況對建筑物沉降的影響?？紤]建筑物的自重荷載將不同進尺下開挖的監測點所記錄的結果進行整理,并繪制兩種工況下的建筑物地基的沉降圖,見圖9。

圖9 不同工況下建筑物沉降Fig. 9 Building settlement under different working conditions

對比0.5 m循環進尺和0.75 m循環進尺,其中0.5 m循環進尺開挖上斷面時建筑物基礎最大沉降值為18.53 mm,0.75 m循環進尺開挖上斷面時建筑物基礎最大沉降值為22.71 mm。實際施工時還要考慮隧道下斷面的開挖,故使用上斷面開挖后的地基沉降除以80%進行計算,0.75 m循環進尺的地基沉降達到了28.38 mm,建筑物靠近隧道一側和遠離隧道一側發生了不均勻沉降,此時應考慮建筑物的傾斜程度,0.5 m循環進尺時建筑物傾斜率為0.099%,0.75 m循環進尺時建筑物傾斜率達到了0.122%。

建筑物的沉降和傾斜程度雖滿足《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[22]中的規定,但0.75m循環進尺時建筑物的地基沉降達到了28.38 mm,接近規范中建筑物地基沉降的界限值。且施工隧道處于Ⅴ級圍巖區段,地質條件較差,需要對圍巖的穩定情況進行對比,圖10為0.5 m循環進尺和0.75 m循環進尺時的圍巖塑性區,通過對圍巖塑性區的比對,可以看出,0.75 m循環進尺時,隧道拱肩處的塑性區范圍明顯增大,不利于施工的安全進行。

圖10 不同工況下圍巖塑性區Fig. 10 Plastic zone of surrounding rock under different working conditions

綜合考慮建筑物地基沉降、傾斜程度以及圍巖的穩定性情況,最終確定隧道上斷面懸臂掘進機開挖的循環進尺為0.5 m。

3.2 爆破參數優化設計

本文所依托的工程中為了控制隧道輪廓的質量,使用光面爆破的方法進行爆破施工。決定光面爆破質量的主要為周邊眼的爆破參數,包括裝藥量和最小抵抗線長度。

由于上臺階機械開挖創造了新的臨空面,故無需再布置掏槽眼,只需布置輔助眼和周邊眼。

(1)裝藥量的確定。

周邊眼每米炮眼的裝藥長度為

(4)

式中:L為每米炮眼的裝藥長度,m/m;Sc為巖石單軸抗壓強度,Pa;Kb為巖石抗壓強度增大系數,一般取Kb=10;N為孔壁碰撞壓力增大系數,一般取8～11;ρ0為炸藥密度,kg/m3;D為炸藥爆速,m/s;db為炮孔直徑,m;dc為藥卷直徑,m。

則每米炮眼裝藥量為

(5)

式中,qL為每米炮眼裝藥量,kg/m。

(2)最小抵抗線的確定。為使光爆層脫離原巖體,須確定周邊眼的最小抵抗線。

確定最小抵抗線在于合理選擇鄰近系數m。m值應根據巖石性質來選擇,本文取0.8,最小抵抗線根據下式計算

(6)

式中:W為最小抵抗線長度;a為周邊眼炮眼間距,根據經驗取0.6 m。

根據現場多次實驗以及通過上述方式進行算[23],最終確定下臺階爆破參數。炸藥使用2號巖石乳化炸藥,藥卷規格為32 mm×300 mm(直徑×長度),藥卷重量為300 g,最小抵抗線長度為500 mm?？變仁褂脭荡a電子雷管,再使用終端設備進行現場延時。根據炮孔布置圖及爆破參數選擇對應炮孔雷管并用手持設備進行掃碼設置延時,設置每段延時間隔為50 ms。下臺階部分爆破參數見表5,炮孔布置圖見圖11,周邊眼裝藥結構示意圖見圖12。

表5 下斷面爆破參數Table 5 Blasting parameters of the lower bench

圖11 下斷面炮孔布置圖Fig. 11 Lower Section blast hole bench

圖12 周邊孔裝藥結構Fig. 12 Peripheral hole charging structure

4 現場實際應用效果

青島地鐵13號線嘉香區間采用機械開挖聯合爆破施工方案進行施工,將鄰近建筑物的振速控制在0.6 cm/s以內,施工現場照片見圖13。綜合考慮《爆破安全規程》以及嘉香區間振速安全規定,符合工程安全規定。并且使用機械開挖聯合爆破施工方案將施工工期由13個月降低至10個月,縮短工期,降低了成本,說明了機械開挖聯合爆破施工方法的可行性。

本工程振速監測采用成都中科測控公司TC-4850爆破測振儀進行監測,檢波器布置在受保護構筑物靠近爆區一側,利用拌合的石灰粉與建筑物基礎剛性連接。提取監測儀器監測到的振速數據,將監測數據與數值模擬數據進行對比,對比示意圖見圖14。由圖可以很直觀地看出監測振速峰值和數值模擬振速峰值和基本變化趨勢相差不大,這也說明了數值模擬結果的可靠性。

圖14 建筑物振速對比圖Fig. 14 Comparison diagram of building vibration velocity

5 結論

(1)使用機械開挖聯合爆破施工方法進行隧道施工,能有效降低爆破引起的建筑物振速,對于鄰近建筑物振速要求較為嚴格的工程可以使用該方法,并搭配光面爆破、微差爆破等手段進行施工。

(2)對于地質較差的鄰近建筑物隧道施工區段,考慮到建筑物的沉降及圍巖穩定性情況,需對開挖進尺進行合理控制,本工程所在的區段是Ⅴ級圍巖,建議上斷面懸臂掘進機施工進尺為0.5 m。

(3)機械開挖聯合爆破施工方法在上斷面開挖時已經創造了臨空面,同時也降低了巖石的夾制作用。在炮孔布置時可以不用進行掏槽孔的布置,同樣能達到良好的爆破效果,這點在工程中得到了驗證。