朱正国，孙明路，朱永全，孙星亮

（1.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043；2.武汉铁路局 武汉桥工段，武汉 430000）

1 引 言

小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道的一种新型隧道结构型式，由于它不受地形条件以及总体线路线型的限制，又较连拱隧道施工工艺简单、易于防水处治、造价易于控制，采用的工程实 例有急速增加之势，在公路交通、铁路交通、水利以及城市地铁等工程中都出现了小净距隧道。对于小于一倍洞径的小净距隧道施工，极易导致隧道变形失稳、支护开裂、甚至二次衬砌开裂等问题[1]。针对这些问题，国内外学者采用数值模拟和监控量测等手段对小净距隧道合理净距、支护时机、后行隧道爆破开挖对先行隧道的影响、施工方法优化、安全爆破控制方法等进行了大量的研究工作[2－12]，取得了一定的研究成果。但由于南京地铁苜蓿园站－小卫街站隧道区间K18+773～K19+002 段中间岩柱净距为0.309～0.580 m，长达229 m，最小净距才0.309 m，且该段围岩为软岩，施工过程中多次爆破开挖、多次扰动而成为受力薄弱环节，岩柱体将不可避免地形成贯通的塑性区，而且覆土地层浅、城市环境要求高，当属目前国内小净距隧道之最。本文结合南京地铁苜蓿园站－小卫街站隧道区间折返线段超小净距隧道，运用现代信息化反馈设计理论，通过对现场爆破试验实测振动数据及大量数值模拟计算，研究先行隧道壁面的振动特性及其变化规律，讨论振动强度与循环进尺、段最大装药量及分段爆破差等爆破设计参数之间的相互关系，完善设计方案，指导现场施工。本研究为本工程中超小净距后行隧道爆破施工对先行隧道影响提供了科学依据与技术指导，也可为类似隧道工程的爆破掘进在理论上和施工方法上提供参考借鉴。

2 爆破振动现场监控量测

为保证既有衬砌的质量，对后行隧道爆破引起的振动进行监测，以此为依据来优化超小净距隧道工程爆破参数的设计和后续施工。

因后行隧道左侧上台阶爆破无临空面，上台阶爆破产生的振动一般较大，可以将后行隧道左侧上台阶的爆破作为监测的重点，结合工程实际，振动测试监测点以5 m 为间距依次布置5 个断面，为了对比分析先行洞衬砌爆破面前后方的影响规律，测点分别布置在爆破面前方和爆破面后方，如图1 所示，每个断面各2 个测点，即右拱脚和右边墙，每个测点布置径向和切向各1 个拾振器。监测仪器采用北京东方振动与噪声技术研究所生产的DASP2000软件，拾振器由中国地震局工程力学研究所研制。由于爆破振动效应随着传播距离的增大逐渐衰弱，每次测试在爆破点较近的测点进行测试。每次测试结束后立即分析结果，这样可为优化爆破设计以及振动控制提供依据。

图1 测点位于爆破面前方及后方布点示意图 Fig.1 Layout of monitoring points in blasting surface of the front and rear

2.1 相邻隧道左侧上台阶施工爆破振动

小净距左侧隧道衬砌后，相邻右线隧道爆破振动影响区最大位置为临近左线隧道导坑，其中临近左线隧道的右线上导坑爆破振动测试结果如表1 所示。

从表1 可看出，各监测断面边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大，爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌；不论开挖面前方和后方，临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动；在爆点距离0 m 处1#测点的边墙径向先行洞迎爆侧衬砌最大振速偶尔达到21.2 cm/s，超过了规范规定的上限值20 cm/s[13]，实际爆破施工中在爆破时重点监测，并对爆破设计参数进行优化。各监测断面边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大，这与后面小净距隧道爆破动力响应数值分析结果一致。

2.2 相邻隧道左侧下台阶施工爆破振动

小净距左侧隧道衬砌后，相邻右线隧道爆破振动影响区最大位置为临近左线隧道导坑，典型爆破振动波形取下台阶爆破距爆点0 m 处1#测点拱脚径向地震波如图2 所示。

由图和计算结果可知，各爆点距离的边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大，爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌；不论开挖面前方和后方，临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动；在爆点距离0 m 处1#测点的边墙径向先行洞迎爆侧衬砌最大振速偶尔达到20.4 cm/s，超过了规范规定的上限值 20 cm/s，实际爆破施工中在爆破时重点监测，并调整爆破设计参数；总体来看，下台阶爆破先行洞迎爆侧衬砌各测点最大振速比上台阶爆破先行洞迎爆侧衬砌各测点最大振速小，这主要由于采用CD 法施工，上台阶爆破无临空面，上台阶爆破产生的振动一般较大，因此，可以将上台阶的爆破作为监测的重点。

图2 下台阶爆破1#测点处拱脚径向地震波 Fig.2 The centripetal seismic wave in #1 point arch springing during lower bench blasting

2.3 相邻隧道左侧上下台阶同时施工爆破振动

小净距左侧隧道衬砌后，相邻右线隧道爆破振动影响区最大位置为临近左线隧道导坑，其中临近左线隧道的右线上、下导坑同时爆破振动测试结果如表2 所示。

由表可知，上、下台阶同时爆破，先行洞迎爆侧衬砌最大振速为距爆破点0 m的1#测点处左线右拱脚衬砌混凝土径向和切向振速分别为22.2、27.2 cm/s，均超过了规范规定的上限值20 cm/s，所以在实际施工中应禁止上、下台阶同时爆破作业。

表2 上下台阶同时爆破先行洞迎爆侧衬砌最大振速（cm/s） Table 2 The maximum vibration velocity of facing blasting lining in antecedence tunnel during upper and lower bench blasting

3 后行隧道控制爆破振动优化设计

根据现场监控量测分析可知，初始设计的爆破监测最大振速超过了规范规定的上限值，如果按照初始爆破设计继续爆破，将对先行隧道结构产生很大的影响。接下来的爆破即是根据前期爆破振动监控量测的结果优化爆破设计，并进行监测，为顺利完成南京地铁超小净距隧道做好准备。

根据小净距隧道相邻隧道施工扰动、地层抗力解除对先行已施工隧道安全性影响数值模拟分析，左线先行隧道衬砌后再进行相邻右线后行隧道施工对结构安全有利。根据后行隧道断面相对较大和控制爆破振动的需要，后行隧道采用CD 法施工，并且先行施工远离左线既有隧道的外侧，对循环进尺、段最大装药量与分段爆破差等爆破参数进行优化，最终确定的右线后行隧道施工顺序及爆破优化设计如图3 所示。

图3 后行隧道施工顺序及爆破优化设计图 Fig.3 Construction sequence using in later tunnel and blasting design optimization chart

由于右线隧道开挖距左线隧道净距仅0.309 m，为保护先施工左线隧道支护、衬砌结构安全，施工设计爆破控制振动速度为20.0 cm/s，开挖顺序如 图3 中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，循环进尺为0.5 m。根据围岩级别、小净距隧道净距值、爆破理论及现场实践等综合选定爆破参数：掏槽孔间距a=100 cm，排间距为50 cm，孔深L=0.6 m；周边光爆眼间距a=45 cm，最小抵抗线W =55 cm；辅助眼孔间距a=80 cm，排间距b=65 cm，爆眼孔径D=40 mm。

通过减小循环进尺、控制段最大装药量与分段爆破差等爆破参数优化设计，最终后行隧道爆破优化设计如图3 所示，满足左线振速控制要求下爆破设计参数如表3 所示。Ⅰ、Ⅱ区先爆破，为Ⅲ、Ⅳ区的后续爆破创造足够好的临空面，周边做减振孔和分散装药等手段，结合超前支护小导管钻孔和预设泡沫的隔振层，使左洞Ⅲ、Ⅳ区爆破对控制点的振速影响有所折减，与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数K 和衰减指数α 分别从250 降为150、1.8 变为2.0。

根据施工设计爆破振动控制速度和各类爆破孔距左线距离，设计该断面爆破各段位的允许药量和齐爆孔数如表3 所示。表中最净距离指到右线衬砌最左边内表面最净距离，为各分部开挖边界距地面建筑物的最小距离，掏槽孔最大装药量根据掏槽眼距左线衬砌内表面最净距离得出，辅助眼、周边眼最大装药量根据各分部边界距左线衬砌内表面最净距离得出。

表3 边洞先行施工方案爆破设计参数和震动分析 Table 3 Blasting design parameters of side culvert construction program and vibration analysis

4 后行隧道爆破优化设计效果评价

为了更好地对左线先行隧道稳定性进行控制，确保后行隧道的顺利施工和先行隧道的结构安全，本文采用FLAC3D软件建立三维数值模型模拟后行隧道爆破开挖过程中对先行隧道的动力响应分析。模拟过程中选取埋设监测仪器的断面处为研究对象，根据实际情况取隧道的埋深、围岩的力学参数和初始地应力参数等。

4.1 模型及参数

（1）计算模型 在本次计算分析中，仍采用扩大边界范围的方式以减小边界效应的影响。计算模型的外边界：左、右X 方向范围为-75～75 m，Y 方向（隧道纵向）范围为0～60 m，Z 方向范围为-35～35 m，上边界取为自由边界（地面）。而且用FLAC3D进行动力计算，网格剖分的尺寸受输入波动的最短波长控制，且要求网格划分的尺寸要相对均匀。三维计算模型及网格划分如图4 所示。

图4 计算模型及网格划分 Fig.4 Computational model and meshing

（2）模拟计算参数 根据本工程实际围岩情况，围岩和支护、结构计算参数如表4 所示，其他爆破设计参数取值如 表3 所示。此次模拟采用理想弹塑性模型，计算时屈服准则采用Mohr-Coulomb 强度准则，并设置大应变计算模式。

表4 围岩及支护结构计算参数 Table 4 Calculation parameters of surrounding rock and support structure

（3）初始条件与边界条件

①初始地应力场：仅按照自重应力场考虑。

②静力计算边界条件：采用位移边界条件，即模型的左右（X 方向）边界、前后（Y 方向）边界和底边界均施加位移约束条件、上边界取自由边界。

③动力计算边界条件：FLAC3D求解动力问题时，边界条件设置有远置人工边界和黏滞边界条件两种。本文采用黏滞边界条件，在模型的左右边界、前后边界和下边界均施加黏滞边界条件，上边界作为自由边界。

（4）爆破荷载

根据文献[14]可知，爆破荷载采用三角形荷载，典型的爆破震动升压时间约为8～12 ms，卸载时间约为50～120 ms。据此，在本文中，假定升压时间为10 ms，卸载时间为100 ms，计算时间取600 ms。本工程采用32 mm 直径药卷，炮孔直径D=40 mm，计算得偶合装药情况下炮孔内初始径向峰值压力rP=3.74 GPa，不耦合装药情况下炮孔初始平均压力0P=0.98 GPa。

4.2 计算结果分析

整个计算过程分为静力计算和动力计算。动力计算以静力计算为前提，待静力计算完毕后，再将速度时程施加于开挖隧道的内壁，得到动力计算结果。

为了与现场监测结果作对比，计算中取监测的断面包括隧道轴线方向Y =20、25、30 m（模型中间位置）、Y=35、40 m 等5 个断面，由计算结果可知，围岩中点的振动速度随时间的变化基本成一种谐波的形式，且在横向爆破地震荷载作用下，左、右X 方向的峰值振速要远大于上、下Z 方向的峰值振速，因此，这里主要以X 方向的峰值振速为依据进行判断。对左线先行隧道各截面衬砌各关键点的X 方向振动速度峰值进行了统计，如表5 所示。

表5 左线隧道关键点X 方向速度峰值 Table 5 Peak velocity of key point in left tunnel along X direction

由表可知，迎爆侧一面的峰值振动速度均比背爆侧一面的峰值振动速度大得多；爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌，且不论开挖面前方和后方，临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动；各截面背爆侧峰值振动速度普遍比较小，最大值只有4.8 cm/s，不会发生破坏，因此，背爆侧比较安全；同一截面中的最大峰值振速出现在迎爆侧右墙脚位置，这一位置是隧道截面中最危险的位置，迎爆侧起拱线以上部分为次峰值振动区，是隧道截面中第2 危险位置，模型中间截面右墙脚处X 方向速度峰值最大，最大振速达15.4 cm/s，与实测最大值17.2 cm/s 相差不大，这样既保证了数值计算的安全性，又保证了准确性，故用数值计算来分析和预测后行隧道爆破开挖过程中对超小净距先行隧道的振动影响是可行且可靠的。

另外，现场爆破作业严格根据上面优化的爆破设计进行，由现场爆破振动监测结果发现，边墙径向先行隧道迎爆侧衬砌最大振动速度为17.25 cm/s，小于范规定的上限值20 cm/s，其他部位各方向振动速度更小，即优化后的爆破设计后续施工未对先行隧道产生较大影响，先行隧道结构稳定，也再次验证了优化后的爆破设计是合理的。

5 小净距隧道施工爆破振动控制措施

针对本工程特点，结合现场监控量测及数值计算，施工爆破振动控制措施主要从减振和隔振两方面来实现，在施工过程中减振方面控制措施主要采用了右线后行隧道CD 法外侧导坑先施工；内侧导坑台阶分部施工，禁止上下台阶同时；减小循环进尺至0.5 m；控制最大齐爆孔数或单段最大炸药量；掏槽位置尽量偏外、掏槽眼成对分段起爆；分段爆破差不小于100 ms。隔振方面控制措施主要采用了周边小导管隔振（后续施工的右线隧道临近左线隧道外侧布置环向隔振孔，隔振孔直径为48 mm，中心间距为350 mm，孔内布置φ 40 mm 钢管）；周边孔隔孔装药；先施工隧道支护外侧预设置3～5 cm泡沫隔振层。本工程通过这两方面措施综合实现爆破振动控制，在实际工程施工中效果显著。

6 结 论

（1）在掏槽爆破时，相邻隧道右墙脚速度峰值较大，在实际爆破施工中应改进掏槽爆破设计并在爆破时重点监测。

（2）各监测断面边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大，爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌；临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动，在实际爆破施工中在爆破时重点监测。

（3）后行右线隧道左侧导坑下台阶爆破先行隧道迎爆侧衬砌各测点最大振速比左侧导坑上台阶爆破先行隧道迎爆侧衬砌各测点最大振速小，可以将后行右线隧道左侧导坑上台阶的爆破作为监测的重点。

（4）针对工程特点，形成了小净距隧道爆破振动控制措施，有效地指导了施工。

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