爆破施工对邻近隧道安全的影响

北

0291（2014）04-0090-07文章编号：1673-

京交通大学学报第38卷

DOI ：10．11860/j．issn．1673_0291_2014．04．016

爆破施工对邻近隧道安全的影响

钱耀峰，王星华

（1．中国铁建青岛蓝色硅谷项目指挥部，山东青岛320000；2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075）

摘

要：城市交通工程新建隧道爆破施工会对近邻既有工程的衬砌结构产生影响，严重时会影响既

有工程结构的安全．本文基于数值模拟方法，计算分析了4种最危险施工条件下，新建崂山隧道爆

破对既有仰口公路隧道的影响．结果表明：崂山隧道的进、出口及中间段，爆破施工对既有仰口隧道的左线影响有限，对较远处右线的影响较小．在崂山隧道进口、出口和垂直距离最近处，计算结果都《爆破安全规程》（GB 6722—86）规定的交通隧道安全振动速度标准值15cm /s．但在崂远低于我国

计算速度最大值达到15. 26cm /s，该值已达到安山隧道断层破碎带（F5）爆破施工最危险条件下，

全振动速度规定的临界值下限，建议施工过程中需要采取必要的工程安全措施．

关键词：隧道工程；爆破；安全施工；衬砌；波速中图分类号：U458. 1

文献标志码：A

Study on safety influence of blasting construction

close to existing tunnel

QIAN Yaofeng 1，WANG Xinghua 2

（1．Lanseguigu Project Headquarters ，China ＲailwayConstruction Corporation Limited （CＲCC），Qingdao ，Shandong 320000，China ；2．School of Civil Engineering ，Central South University ，Changsha ，Hunan 410075，China ）

Abstract ：Urban traffic engineering new tunnel blasting construction will affect lining structure of the ex-isting engineering and seriously will affect the safety of the existing engineering．Based on the numerical simulation method ，Laoshan new tunnel blasting construction＇s effects on the existing bunostomum high-way tunnel have been analyzed under the four most dangerous construction conditions．The results show that in the in entrance ，exit and middle section of the Laoshan tunnel ，blasting construction has a limited effect on the left of the existing bunostomum highway tunnel ，and it is smaller on the right in distant．In the nearest section of Laoshan tunnel＇s entrance ，exit and vertical distance ，the results are far lower than the vibration speed traffic tunnel safety standard value of 15cm /s，which is provided by “Blasting Safety Ｒegulations"（GB 6722—86）in China．However ，under the most dangerous conditions in Laoshan tun-nel in fault fracture zone （F5），the value of vibration speed traffic tunnel safety has reached to 15. 26cm /s，exceeding the critical value of security vibration velocity．Therefore ，some engineering safety measures are necessary in the construction process．

Key words ：tunnel engineering ；blasting ；safety construction ；lining ；wave velocity 城市轨道交通新建隧道掘进爆破开挖施工时，

对邻近或相交的既有隧道会产生振动影响，进而引

起既有隧道围岩应力场和开挖隧道岩石应力场重新

分布，甚者会引起既有隧道围岩损伤而造成工程事

10-22收稿日期：2013-“863”基金项目：国家计划项目资助（2007AA11Z134）

作者简介：钱耀峰（1964—），男，甘肃兰州人，高级工程师．研究方向为土木工程设计及施工管理．email ：xatyyqyf@163．com．通讯作者：王星华（1957—），男，湖南衡阳人，教授，博士，博士生导师．研究方向为岩土工程．email ：xhwang@mail．csu．edu．cn．

故．针对隧道掘进爆破振动效应，国内外有关学者通过爆破振动现场和室内试验，基于概率统计方法研究了爆破振动波传播规律以及对地下建筑物的影

同时分析了爆破振动波传播的影响因素，对地震响，

波与结构之间的相互作用机理也进行了一定程度的研究．

李铮、朱瑞赓等根据应力波理论和岩体动力强度与隧道所受动、静应力之和相平衡的条件，推导出爆破振动影响下处于弹性状态的无衬砌隧道出现裂隙、局部崩塌及大面积坍塌时，岩土介质质点振动分析和论述了爆破振动对地下构筑物的破坏作用和破坏特征，得出背爆侧振速只有迎爆侧的1/25的结论，提出

［3］

减震新措施．J．S．Kuszmaul 采用边界元法数值分析了不同形状的隧洞在爆破荷载作用下的动力响

et al ［4］综合考虑不同介质、应．J．Torano ，装药量、起爆顺序等因素，通过建立三维有限元模型研究了隧

［5］

道爆破振动速度分布规律．刘慧采用DYNA_2D程序分析了爆破冲击荷载作用下，临近既有马蹄形隧道振动响应，综合考虑了入射应力波波长、隧道直径、爆心距对既有隧道振动强度的影响，提出隧道迎

［6］

爆面动应力集中因子近似确定方法．杨年华等采用DYNA_2D程序分析了临近爆破荷载作用下已有隧道的振动分布规律，指出最大振动响应点相对药包的位置，分析了爆心距、爆破条件、地质条件等因

并提出有关减振措施．谭素对爆破振动强度的影响，

等采用DYNA_2D程序对株六铁路复线关寨

隧道钻爆开挖进行了现场监测与数值模拟分析，结忠盛

果验证了模拟方法的合理性，得到既有隧道的振动

［8_9］

响应规律及危险区．姚勇等基于ANSYS 有限元软件，将爆破荷载简化成三角形荷载，模拟了新建隧道爆破开挖对既有董家山隧道的振动响应规律，并结合现场监测数据提出合理的减震措施．随后结合紫坪铺隧道小净距段现场实测爆破振动数据，建立分析了小了大量的二维和三维ANSYS 有限元模型，净距隧道中后行隧道钻爆开挖对先行隧道的振动影响规律，得到了先行隧道的主要影响范围．毕继红

［10］

［7］

［1］

到了爆破荷载作用下，既有隧洞应力、位移及峰值振

［13］

速分布情况．冯仲仁等采用MIDAS /GTS软件，数

得值分析了既有隧道对临近爆破振动的响应规律，

到了近距离爆破荷载作用下既有隧道衬砌结构的影响程度，提出了合理的减振措施．

综上所述，学者们通过对各种隧道条件下进行的数值分析初步掌握了爆破施工的影响，但由于不同条件下爆破施工的影响范围和程度不一样，对于本文研究对象崂山隧道爆破施工对既有仰口隧道的影响尚需明确与定量化的结论，从而指导设计与现场施工．

速度峰值临界值计算公式．林学文等

［2］

1工程概况

“蓝色硅谷”青岛城际铁路工程位于青岛市区

东部，联系主城区东部和蓝色硅谷核心区域，全线长59. 2km．崂山隧道工程为“蓝色硅谷”城际铁路工程的关键性控制工程，隧道进口位于滨海公路仰口隧道西侧，出口位于滨海公路西侧，全长4580m ，采

采用用单洞双线．隧道衬砌结构按新奥法原理设计，

复合式衬砌结构，利用钻爆法工艺施工．隧道进口处在山体与第四纪接触带处，位置较低，洞口之上为崩塌和坡积的块石土、全风化煌斑岩，块石直径较大，松散堆积，覆盖层（漂石、卵石层）为5 9m ，为强透水地层，进口段围岩为Ⅴ级．出口段为山前坡麓地貌单元，位置较低，基本为强风化煌斑岩或花岗岩，且中间部分地段为破碎带地层，出口段围岩为Ⅴ级．断层带（F5）与隧道斜交，方向较稳定，断面呈舒缓波状，总体为直线型，总体走向35ʎ 48ʎ ，断层面总体倾向以北西为主，倾角较陡68ʎ 77ʎ．该断裂出露于燕山期花岗岩中．岩脉宽度约6 18. 5m （地下宽度不明），两侧岩性为花岗岩．沿线地下水补给来源主要为大气降水及河流、滨海地表水和地下水侧向补给，按赋存介质及埋藏条件的差异，可划分为三大类：第四系孔隙水、风化裂隙水和构造裂隙水．总体上，隧道沿线地下水的富水性为贫中等．

由于受地形地质条件等因素的限制，新建崂山隧道与既有仰口隧道之间的设计间距比较近，其中

46m ，进、出洞口的间距分别为56m 、两隧道的最小

这小于国家有关法规规定的100m 间距仅为39m ，

安全距离．在以往的隧道施工过程中，由于在新建隧

道进行爆破施工过程中，爆破对既有隧道的结构产生了一些破坏，影响既有隧道运营安全的情况也时有发生．

等基于ANSYS 有限元分析研究了不同爆心

不同地质条件下新建隧道钻爆开挖对既有隧道距、

［11］

的振动影响．赵东平等运用FLAC3D 软件，分析了新建铁路隧道从既有公路隧道上方穿过时的开挖过程，评价了新建铁路隧道钻爆施工对既有公路隧道结构的振动响应，确立了不同间距段的最佳爆破

［12］

开挖方式．乔宪队等运用FLAC3D 计算软件，模拟了新建隧道爆破施工对既有隧洞的振动影响，得

2数值分析假定及工况确定

采用FLAC 数值模拟方法分析爆破施工对既

有隧道结构的影响，计算模型采用摩尔_库伦本构模型．根据现场实际情况，对爆破激振力的大小、作用位置和方向、到来时刻和持续时间等做如下假设：

1）爆炸荷载以压力形式的均布荷载作用在洞室壁上，方向垂直于边界面．

2）根据计算和爆破的实际情况，将荷载曲线简化为三角形波，其中加载时间为10ms ，卸载时间为90ms ，总的计算时间取500ms．全断面法爆破加载区在掌子面及一个开挖循环周边，荷载以压力形式均布作用于洞室壁上，方向垂直于边界面．爆破荷载可简化为具有线性上升段和下降段的三角形荷载，这里采用较通用的瑞利（Ｒay-leigh ）阻尼．

《铁路隧道施工规范（TB 10204—2002）》，根据在II 级围岩采用深孔爆破，最大进尺为3. 0m 时，

进口段、中间段与出口段的一次爆破的炸药量最大314. 074kg 和270. 382kg．根据分别为274. 177kg 、

14］文献［中的公式（10），得爆破荷载的应力最大值15. 055MPa 和12. 99MPa．为分别为13. 169MPa 、

了保证爆破施工的安全，单段控制最大装药量为37. 062kg．

FLAC 静力分析是动力分析的前提和基础．在运用FLAC 进行地下洞室地震响应动力问题计算之前，首先进行初始地应力场和施工开挖模拟，得到动力分析前的有效应力场和稳定流场；然后施加地震激励进行动力分析．为准确模拟实际场地中地震波

消除散射波在人为截断边界上的反射的传播过程，

FLAC 引入Lysmer 黏滞边界，效应，以吸收或消耗传

往边界外的波动能量．为了能够正确地反映既有仰口隧道的道路响应特征，在仰口隧道左、右线离洞口3m 处布置了计算断面，监测点布置如图1所示

．

口隧道的影响；

工况2：两隧道垂直距离最近处崂山隧道爆破对仰口隧道的影响；

工况3：距仰口隧道出口明暗分界点最近处崂山隧道爆破对仰口隧道的影响；

工况4：崂山隧道断层带（F5）爆破施工对仰口隧道的影响．

3. 1

数值分析模型及计算参数

数值分析工况模型

工况1：崂山隧道进口明暗分界点处里程为

K31+765，距仰口隧道左线垂直距离为58m ，对应的仰口隧道里程为ZK57+665．该处隧道上覆岩层均为山坡状，取隧道分析长度30m 范围，崂山隧道上覆岩层从6m 变至15m ，仰口隧道上覆岩层从12m 变至28m ，考虑到隧道进出口处动力响应的最不利情况，以仰口隧道为分析对象，将上覆岩层厚度简化为20m．进口处均采用Ⅴ级围岩．数值模型如图2（a ）所示，计算范围为200m ˑ 30m ˑ 68m ，x 方向

y 方向为隧道中心线方向，z 垂直隧道中心线方向，

20482方向为重力反方向．模型划分18240单元，

节点．隧道中心在同一水平面上，取隧道长30m ，隧道中心距模型下边界40m．

工况2：崂山隧道与仰口隧道均为弧线型隧道，两者垂直距离最近处初步估算位于崂山隧道里程K33+470处，该处据仰口隧道左线垂直距离为39m ，上覆岩层厚约130m ，取隧道分析长度为30m ，采用Ⅴ级围岩．数值模型如图2（b ）所示，计算范围为183m ˑ 30m ˑ 80m ，模型划分20160单元，22627节点．表面施加一定的面荷载，以替代上覆岩层．

工况3：仰口隧道出口明暗分界点处里程为ZK31+765，其左线距崂山隧道垂直距离为46m ，对应的崂山隧道里程为K35+680．该处仰口隧道上覆

取隧道分析长度为30m 范围，仰口岩层为山坡状，

隧道上覆岩层从10m 变化到6m ，考虑到建模的方

便和以仰口隧道为分析对象，将模型中上覆岩层统

图1仰口隧道计算断面的监测点布置示意图Fig．1

Sketch of monitoring point

of calculation section layout diagram

一简化为8m 厚度．该处均采用V 级围岩．数值模

计算范围为190m ˑ 30m ˑ 56m ，型如图2（c ）所示，

18337节点．模型划分16320单元，

工况4：为考虑崂山隧道在断层带处开挖时对仰口隧道的影响，选取F5断层带作为计算断面．该断层带与隧道斜交，里程桩号为K61+025—K61+045．方向较稳定，断面呈舒缓波状，总体为直线型，总体走向为35ʎ 48ʎ ，断层面总体倾向以北西为

为了保证爆破施工安全，数值模拟计算采用的施工条件和断面均是最危险的施工条件和最危险的

断面，分为4种工况．

工况1：崂山隧道进口明暗分界点处爆破对仰

主，倾角较陡为68ʎ 77ʎ．该断裂出露于燕山期花岗岩中，露头出露不明显，仅在厚汪涧出露明显，为煌斑岩岩脉后期沿断裂侵入所造成，煌斑岩遭受强

表层呈土状．岩脉宽度6 18. 5m ，两侧岩烈风化，

性为花岗岩．断层破碎带物理力学参数按Ⅴ级围岩

参数进行折减．考虑到建模的方便和以仰口隧道为分析对象，该处两隧道水平间距40m ，上覆岩层厚

取隧道分析长度为40m ，断层带宽度取约210m ，

20m ，完整岩石仍采用Ⅴ级围岩．数值模型如图2（d ）所示，计算范围为190m ˑ 40m ˑ 80m ，模型划43197节点．表面施加一定的面荷分40320单元，

载以替代上覆岩层重力荷载．一次爆破进尺取为2

m．

图2Fig．2

隧道模型工况示意图Model of the tunnel inlet

3. 2计算参数

隧道进口处围岩模型工况1 4的计算参数如表1和表2所示．

表1

Tab．1

工况1 34

弹性模量/GPa

20. 2

泊松比0. 300. 20

Ⅴ级围岩计算参数

重度/（kN /m3）

1715

Class Ⅴrock calculation parameters

摩擦角/（ʎ ）

3120

黏聚力/GPa

水平侧压力系数

1. 01. 0

表2

Tab．2

工况1、3、42

位置仰口隧道仰口隧道

初衬厚度/m

0. 30. 08

衬砌shell 计算参数

重度/（kN /m3）

2525

Lining shell calculation parameters

初衬弹性模量/GPa二衬弹性模量/GPa泊松比

2828

0. 20. 2

二衬厚度/m

0. 60. 35

4. 1

计算结果分析

模型工况1计算结果分析

图3（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在

爆炸荷载对既有仰口隧道口隧道衬砌总位移云图，

衬砌的位移影响较小，在爆破荷载达到峰值时（t =0. 01s ），位移小于0. 0008mm ；在0. 1s 时增大至0. 18mm ，随后减小至0. 16mm （t =0. 5s 时，左线拱脚位置）．图3（c ）为既有隧道衬砌应力云图，最大压应力出现在拱脚处，在爆破过程中，变化很小，约为6. 7MPa ；图3（d ）最大拉应力也很小，基本上可以忽略不计

．

0. 01s 荷载达到峰值时，仰口隧道最大速度约为0. 1mm /s；在0. 1s 加载完成后，仰口隧道速度约为5mm /s，随后逐渐减小；到0. 5s 时，仰口隧道左线速度减为约1mm /s，右线约0. 2mm /s．图3（b ）为仰

图3Fig．3

模型工况1计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 1（t =0. 5s ）

944. 2

北京交通大学学报第38卷

模型工况2计算结果分析

图4（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在在爆破荷载达到峰值时（t =衬砌的位移影响较小，

0. 01s ），位移小于0. 0027mm ；在0. 1s 时增大至0. 15mm ；在0. 5s 时，左线拱脚位置位移达到0. 7mm．图4（c ）为既有隧道衬砌应力云图，最大压应力出现在拱脚处，在爆破过程中，变化很小，最大值约为11. 2MPa ；图4（d ）最大拉应力很小，约为0. 126

MPa．

0. 01s 荷载达到峰值时，仰口隧道速度最大，约为

0. 2mm /s；在0. 1s 加载完成后，仰口隧道速度小于5mm /s，随后逐渐减小；到0. 5s 时，仰口隧道左线速度减为约2mm /s，右线约0. 5mm /s．图4（b ）为仰口隧道衬砌总位移云图，爆炸荷载对既有仰口隧道

图4Fig．4

模型工况2计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 2（t =0. 5s ）

4. 3

模型工况3计算结果分析

图5（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在砌的位移影响较小，在爆破荷载达到峰值时（t =

0. 01s ），位移小于0. 0009mm ；在0. 1s 时增大至0. 32mm ，随后减小至0. 26mm （t =0. 5s 时，左线拱脚位置）．图5（c ）为既有隧道衬砌应力云图，最大压应力出现在拱脚处，在爆破过程中，变化很小，约

基本上可以为4. 0MPa ；图5（d ）最大拉应力很小，忽略不计

．

0. 01s 荷载达到峰值时，仰口隧道速度最大，约为1

mm /s；在0. 1s 加载完成后，仰口隧道速度约为10mm /s，随后逐渐减小；到0. 5s 时，仰口隧道左线速

右线约0. 5mm /s．图5（b ）为仰口度减为约1mm /s，

隧道衬砌总位移云图，爆炸荷载对既有仰口隧道衬

图5Fig．5

模型工况3计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 3（t =0. 5s ）

4. 4

模型工况4计算结果分析

图6（a ）为隧道整个区域在爆破过程中围岩速mm ；在0. 1s 时增大至1. 573mm ；在0. 5s 时，左线拱脚位置位移达到1. 798mm ；在0. 8s 时又减小至0. 941mm ；在1. 0s 时，左线拱脚位置位移继续减小，最终收敛至0. 559mm．图6（c ）为既有隧道衬砌应力云图，最大压应力出现在两侧拱脚处，在爆破过程中，最大应压力随着爆破荷载的施加而逐渐增大，但变化幅度较小，最大压应力出现在t =0. 1s 时，其值为15. 394MPa．

度分布云图，可见爆破荷载以波的形式沿崂山隧道

掌子面向四周传播的整个过程．速度表现为先增大后减小的趋势，最大值出现在t =0. 01s 即爆破荷载值最大时．在加载结束后，速度值逐渐较小直至最终收敛．图6（b ）为仰口隧道衬砌总位移云图，爆炸荷载对既有仰口隧道衬砌的位移产生一定影响，在爆破荷载达到峰值时（t =0. 01s ），位移小于0. 423

图6Fig．6

模型工况4计算结果（t =1. 0s ）

Calculation results of model 4（t =0. 5s ）

4. 5

4种模型工况速度时程曲线分析计算一次爆破开挖进尺为3m ，在仰口隧道左、应引起注意，其他各工况左拱脚和拱顶处速度都远

小于控制值（15cm /s）．右线规律与左线类似，但数值相对更小，爆破对仰口隧道右线的影响较左线隧

具体计算结果见表3．道要小很多，

右线y =3m 处设置两个监测截面．结果表明，工况

4左线左拱脚速度为最大，速度约为15. 26cm /s，速度值已经达到规定的控制值（15cm /s），在施工中

表3Tab．3

工况1234

围岩速度/（mm /s）左线5. 005. 0010. 0015. 26

右线5552

衬砌位移/mm左线0. 180. 700. 321. 73

右线0. 060. 200. 150. 47

计算结果

Calculation results

最大压应力/MPa左线6. 7011. 204. 0015. 39

右线6. 7011. 204. 0015. 39

拱脚位移/mm左线0. 130. 160. 280. 49

右线0. 050. 040. 090. 05

拱脚速度/（cm /s）左线1. 21. 82. 215

右线0. 300. 300. 461. 40

5结语

1）崂山隧道的进、出口及中间段进行爆破施工

对既有的仰口隧道左线有一定的影响，但影响有时，

限，对较远处右线的影响较小．不论是在崂山隧道进口、出口还是垂直距离最近处，计算结果大部分都远《爆破安全规程》（GB 6722—86）规定的交低于我国

通隧道安全振动速度15cm /s的标准值．

2）崂山隧道在断层破碎带进行爆破施工时，速

该值已达到安全振动度最大值达到了15. 26cm /s，

速度规定的临界值下限．这是由于波在断层破碎带

Ｒayleigh波频谱处的断层界面发生反射或者折射，

特征发生变化，波能量没有完全被岩层所吸收，故振

动速度较完整岩层有明显的增加．在施工过程中应引起注意，应采取超前支护等措施．由于在该断层带进行计算的条件是最危险条件，在实际工程中并不一定出现，但为了保证施工安全，在断层带进行施工时，不采用全断面爆破施工方法，而采用台阶法或预留核心土等工法进行施工．

3）计算中监测点布置在仰口隧道左、右线y =3m 的截面上，之所以选择这个截面，是因为本次计算模型采用了静态吸收边界，边界y =0截面会吸收入射波，对监测数据会产生影响，所以选择y =3m 截面，该处离爆破荷载距离最近．

4）为进行极值分析即最危险情况，这里计算采

《铁路隧道施工规范TB 10204—2002》用中规定的隧道最大进尺3. 0m ，采用全断面爆破开挖，是最危险的工况．而在实际施工过程中对于Ⅴ级围岩宜采用分台阶开挖或者保留核心土等方式进行，在断层破碎带也不可能进行3m 深度的全断面爆破开挖．所以，在实际条件下是安全的．参考文献（Ｒeferences）：

［1］李铮，朱瑞赓，胡再龙，等．爆炸地震波振速的特征系数

J ］．爆炸与冲击，1986，6（3）：221－与衰减指数的研究［229．

LI Zheng ，ZHU Ｒuigeng，HU Zailong ，et al．Studies on the characteristic coefficient and attenuation index in the meas-．Explosion and Shock urement of blasting seismic wave ［J ］Waves ，1986，6（3）：221－229．（in Chinese ）

［2］林学文，欧阳戬，王兰民．隧道的爆破地震效应问题

［C ］//中国土木工程学会防护工程学会第三次年会暨抗爆结构学术交流会论文集．山东烟台：中国土木工程学会防护工程学会第三次年会暨抗爆结构学术交流会，1999，209：280－283．

OUYANG Jian ，WANG Lanmin．The blasting LIN Xuewen ，

seismic effect of the tunnel ［C ］//ChinaCivil Engineering Society ，Protective Engineering Society in the Third Annual Meeting and Anti_explosionStructures Academic Seminar．

Shandong Yantai ，1999，209：280－283．（in Chinese ）［3］Kuszmaul J S．A new constitution model for fragmentation

of rock under dynamic loading ［C ］//2ndInternational Sym-posium on ＲockFragmentation by Blasting ，1987：412－423．

［4］Torano J ，ＲodriguezＲ，Diego I．FEM models including

randomness and its application to the blasting vibrations ．Computers and Geotechnics ，2006，33prediction ［J ］（1）：15－28．

［5］刘慧．近距侧爆情况下马蹄形隧道动态响应特点的研

J ］．爆炸与冲击，2000，20（2）：175－181．究［

LIU Hui．Dynamic responses of hoof_shapedtunnels to ad-jacent blastings ［J ］．Explosion and Shock Waves ，2000，20（2）：175－181．（in Chinese ）

［6］杨年华，刘慧．近距离爆破引起的隧道周边振动场

［J ］．工程爆破，2000，6（2）：6－10．

YANG Nianhua ，LIU Hui．Vibration field at tunnel contour induced by a close_inblasting ［J ］．Engineering Blasting ，2000，6（2）：6－10．（in Chinese ）

7］谭忠盛，杨小林，王梦恕．复线隧道施工爆破对既有隧［

．岩石力学与工程学报，2003，22道的影响分析［J ］（2）：281－285．

TAN Zhongsheng ，YANG Xiaolin ，WANG Mengshu．Effect of blast in double line tunnel on existing tunnel ［J ］．Chinese Journal of ＲockMechanics and Engineering ，2003，22（2）：281－285．（in Chinese ）

［8］姚勇，何川，晏启祥，等．董家山隧道小净距段爆破控

J ］．岩土力学，2004，25（增1）：501－制的数值模拟［506．

YAO Yong ，HE Chuan ，YAN Qixiang．Numerical simula-tion of blasting control for small clear distance zone of Dongjiashan tunnel ［J ］．Ｒockand Soil Mechanics ，2004，25（S1）：501－506．（in Chinese ）

［9］姚勇，何川，周俐俐，等．爆破振动对相邻隧道的影响

．解放军理工大学学报：自然科性分析及控爆措施［J ］2007，8（6）：702－708．学版，

YAO Yong ，HE Chuan ，ZHOU Lili ，et al．Effect analysis and controlled measures research about blasting vibration to ．Journal of PLA University of Sci-neighboring tunnel ［J ］

ence and Technology ：Natural Science ，2007，8（6）：702－708．（in Chinese ）

［10］毕继红，钟建辉．邻近隧道爆破震动对既有隧道影响

J ］．工程爆破，2004，10（4）：69－73．的研究［

BI Jihong ，ZHONG Jianhui．Study on influence of blas-ting vibration from excavation of a new tunnel on existed tunnel ［J ］．Engineering Blasting ，2004，10（4）：69－73．（in Chinese ）

［11］赵东平，王明年．小净距交叉隧道爆破振动响应研究

［J ］．岩土工程学报，2007，29（1）：116－119．ZHAO Dongping ，WANG Mingnian．Study on influence of blasting vibration on cross tunnels with small clearance ［J ］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering ，2007，29（1）：116－119．（in Chinese ）

12］乔宪队，黄仁东．邻近隧洞爆破的FLAC3D 模拟［J ］．［

2007，7（2）：94－96．采矿技术，

QIAO Xiandui ，HUANG Ｒendong．The FLAC3D to simu-late adjacent tunnel blasting ［J ］．Mining Technology ，2007，7（2）：94－96．（in Chinese ）

［13］冯仲仁，文曦．新建隧道爆破震动对既有隧道影响的

J ］．爆破，2008，25（4）：20－23．数值分析［

FENG Zhongren ，WEN Xi．Numerical simulation of blas-ting vibration from excavation of a new tunnel on existed tunnel ［J ］．Blasting ，2008，25（4）：20－23．（in Chi-nese ）

14］Low H Y ，Hao H．Ｒeliabilityanalysis of reinforced con-［

crete slabs under explosive loading ［J ］．Structural Safety ，2001，23（2）：157－178．

北

0291（2014）04-0090-07文章编号：1673-

京交通大学学报第38卷

DOI ：10．11860/j．issn．1673_0291_2014．04．016

爆破施工对邻近隧道安全的影响

钱耀峰，王星华

（1．中国铁建青岛蓝色硅谷项目指挥部，山东青岛320000；2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075）

摘

要：城市交通工程新建隧道爆破施工会对近邻既有工程的衬砌结构产生影响，严重时会影响既

有工程结构的安全．本文基于数值模拟方法，计算分析了4种最危险施工条件下，新建崂山隧道爆

计算速度最大值达到15. 26cm /s，该值已达到安山隧道断层破碎带（F5）爆破施工最危险条件下，

全振动速度规定的临界值下限，建议施工过程中需要采取必要的工程安全措施．

关键词：隧道工程；爆破；安全施工；衬砌；波速中图分类号：U458. 1

文献标志码：A

Study on safety influence of blasting construction

close to existing tunnel

QIAN Yaofeng 1，WANG Xinghua 2

Key words ：tunnel engineering ；blasting ；safety construction ；lining ；wave velocity 城市轨道交通新建隧道掘进爆破开挖施工时，

对邻近或相交的既有隧道会产生振动影响，进而引

起既有隧道围岩应力场和开挖隧道岩石应力场重新

分布，甚者会引起既有隧道围岩损伤而造成工程事

10-22收稿日期：2013-“863”基金项目：国家计划项目资助（2007AA11Z134）

故．针对隧道掘进爆破振动效应，国内外有关学者通过爆破振动现场和室内试验，基于概率统计方法研究了爆破振动波传播规律以及对地下建筑物的影

同时分析了爆破振动波传播的影响因素，对地震响，

波与结构之间的相互作用机理也进行了一定程度的研究．

［3］

减震新措施．J．S．Kuszmaul 采用边界元法数值分析了不同形状的隧洞在爆破荷载作用下的动力响

et al ［4］综合考虑不同介质、应．J．Torano ，装药量、起爆顺序等因素，通过建立三维有限元模型研究了隧

［5］

［6］

并提出有关减振措施．谭素对爆破振动强度的影响，

等采用DYNA_2D程序对株六铁路复线关寨

隧道钻爆开挖进行了现场监测与数值模拟分析，结忠盛

果验证了模拟方法的合理性，得到既有隧道的振动

［8_9］

［10］

［7］

［1］

到了爆破荷载作用下，既有隧洞应力、位移及峰值振

［13］

速分布情况．冯仲仁等采用MIDAS /GTS软件，数

得值分析了既有隧道对临近爆破振动的响应规律，

到了近距离爆破荷载作用下既有隧道衬砌结构的影响程度，提出了合理的减振措施．

速度峰值临界值计算公式．林学文等

［2］

1工程概况

“蓝色硅谷”青岛城际铁路工程位于青岛市区

采用用单洞双线．隧道衬砌结构按新奥法原理设计，

由于受地形地质条件等因素的限制，新建崂山隧道与既有仰口隧道之间的设计间距比较近，其中

46m ，进、出洞口的间距分别为56m 、两隧道的最小

这小于国家有关法规规定的100m 间距仅为39m ，

安全距离．在以往的隧道施工过程中，由于在新建隧

道进行爆破施工过程中，爆破对既有隧道的结构产生了一些破坏，影响既有隧道运营安全的情况也时有发生．

等基于ANSYS 有限元分析研究了不同爆心

不同地质条件下新建隧道钻爆开挖对既有隧道距、

［11］

［12］

开挖方式．乔宪队等运用FLAC3D 计算软件，模拟了新建隧道爆破施工对既有隧洞的振动影响，得

2数值分析假定及工况确定

采用FLAC 数值模拟方法分析爆破施工对既

1）爆炸荷载以压力形式的均布荷载作用在洞室壁上，方向垂直于边界面．

《铁路隧道施工规范（TB 10204—2002）》，根据在II 级围岩采用深孔爆破，最大进尺为3. 0m 时，

进口段、中间段与出口段的一次爆破的炸药量最大314. 074kg 和270. 382kg．根据分别为274. 177kg 、

14］文献［中的公式（10），得爆破荷载的应力最大值15. 055MPa 和12. 99MPa．为分别为13. 169MPa 、

了保证爆破施工的安全，单段控制最大装药量为37. 062kg．

消除散射波在人为截断边界上的反射的传播过程，

FLAC 引入Lysmer 黏滞边界，效应，以吸收或消耗传

往边界外的波动能量．为了能够正确地反映既有仰口隧道的道路响应特征，在仰口隧道左、右线离洞口3m 处布置了计算断面，监测点布置如图1所示

．

口隧道的影响；

工况2：两隧道垂直距离最近处崂山隧道爆破对仰口隧道的影响；

工况3：距仰口隧道出口明暗分界点最近处崂山隧道爆破对仰口隧道的影响；

工况4：崂山隧道断层带（F5）爆破施工对仰口隧道的影响．

3. 1

数值分析模型及计算参数

数值分析工况模型

工况1：崂山隧道进口明暗分界点处里程为

y 方向为隧道中心线方向，z 垂直隧道中心线方向，

20482方向为重力反方向．模型划分18240单元，

节点．隧道中心在同一水平面上，取隧道长30m ，隧道中心距模型下边界40m．

工况3：仰口隧道出口明暗分界点处里程为ZK31+765，其左线距崂山隧道垂直距离为46m ，对应的崂山隧道里程为K35+680．该处仰口隧道上覆

取隧道分析长度为30m 范围，仰口岩层为山坡状，

隧道上覆岩层从10m 变化到6m ，考虑到建模的方

便和以仰口隧道为分析对象，将模型中上覆岩层统

图1仰口隧道计算断面的监测点布置示意图Fig．1

Sketch of monitoring point

of calculation section layout diagram

一简化为8m 厚度．该处均采用V 级围岩．数值模

计算范围为190m ˑ 30m ˑ 56m ，型如图2（c ）所示，

18337节点．模型划分16320单元，

为了保证爆破施工安全，数值模拟计算采用的施工条件和断面均是最危险的施工条件和最危险的

断面，分为4种工况．

工况1：崂山隧道进口明暗分界点处爆破对仰

主，倾角较陡为68ʎ 77ʎ．该断裂出露于燕山期花岗岩中，露头出露不明显，仅在厚汪涧出露明显，为煌斑岩岩脉后期沿断裂侵入所造成，煌斑岩遭受强

表层呈土状．岩脉宽度6 18. 5m ，两侧岩烈风化，

性为花岗岩．断层破碎带物理力学参数按Ⅴ级围岩

参数进行折减．考虑到建模的方便和以仰口隧道为分析对象，该处两隧道水平间距40m ，上覆岩层厚

取隧道分析长度为40m ，断层带宽度取约210m ，

20m ，完整岩石仍采用Ⅴ级围岩．数值模型如图2（d ）所示，计算范围为190m ˑ 40m ˑ 80m ，模型划43197节点．表面施加一定的面荷分40320单元，

载以替代上覆岩层重力荷载．一次爆破进尺取为2

m．

图2Fig．2

隧道模型工况示意图Model of the tunnel inlet

3. 2计算参数

隧道进口处围岩模型工况1 4的计算参数如表1和表2所示．

表1

Tab．1

工况1 34

弹性模量/GPa

20. 2

泊松比0. 300. 20

Ⅴ级围岩计算参数

重度/（kN /m3）

1715

Class Ⅴrock calculation parameters

摩擦角/（ʎ ）

3120

黏聚力/GPa

水平侧压力系数

1. 01. 0

表2

Tab．2

工况1、3、42

位置仰口隧道仰口隧道

初衬厚度/m

0. 30. 08

衬砌shell 计算参数

重度/（kN /m3）

2525

Lining shell calculation parameters

初衬弹性模量/GPa二衬弹性模量/GPa泊松比

2828

0. 20. 2

二衬厚度/m

0. 60. 35

4. 1

计算结果分析

模型工况1计算结果分析

图3（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在

爆炸荷载对既有仰口隧道口隧道衬砌总位移云图，

．

图3Fig．3

模型工况1计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 1（t =0. 5s ）

944. 2

北京交通大学学报第38卷

模型工况2计算结果分析

图4（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在在爆破荷载达到峰值时（t =衬砌的位移影响较小，

MPa．

0. 01s 荷载达到峰值时，仰口隧道速度最大，约为

图4Fig．4

模型工况2计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 2（t =0. 5s ）

4. 3

模型工况3计算结果分析

图5（a ）为仰口隧道区域围岩速度分布云图，在砌的位移影响较小，在爆破荷载达到峰值时（t =

基本上可以为4. 0MPa ；图5（d ）最大拉应力很小，忽略不计

．

0. 01s 荷载达到峰值时，仰口隧道速度最大，约为1

mm /s；在0. 1s 加载完成后，仰口隧道速度约为10mm /s，随后逐渐减小；到0. 5s 时，仰口隧道左线速

右线约0. 5mm /s．图5（b ）为仰口度减为约1mm /s，

隧道衬砌总位移云图，爆炸荷载对既有仰口隧道衬

图5Fig．5

模型工况3计算结果（t =0. 5s ）

Calculation results of model 3（t =0. 5s ）

4. 4

模型工况4计算结果分析

度分布云图，可见爆破荷载以波的形式沿崂山隧道

图6Fig．6

模型工况4计算结果（t =1. 0s ）

Calculation results of model 4（t =0. 5s ）

4. 5

4种模型工况速度时程曲线分析计算一次爆破开挖进尺为3m ，在仰口隧道左、应引起注意，其他各工况左拱脚和拱顶处速度都远

小于控制值（15cm /s）．右线规律与左线类似，但数值相对更小，爆破对仰口隧道右线的影响较左线隧

具体计算结果见表3．道要小很多，

右线y =3m 处设置两个监测截面．结果表明，工况

4左线左拱脚速度为最大，速度约为15. 26cm /s，速度值已经达到规定的控制值（15cm /s），在施工中

表3Tab．3

工况1234

围岩速度/（mm /s）左线5. 005. 0010. 0015. 26

右线5552

衬砌位移/mm左线0. 180. 700. 321. 73

右线0. 060. 200. 150. 47

计算结果

Calculation results

最大压应力/MPa左线6. 7011. 204. 0015. 39

右线6. 7011. 204. 0015. 39

拱脚位移/mm左线0. 130. 160. 280. 49

右线0. 050. 040. 090. 05

拱脚速度/（cm /s）左线1. 21. 82. 215

右线0. 300. 300. 461. 40

5结语

1）崂山隧道的进、出口及中间段进行爆破施工

对既有的仰口隧道左线有一定的影响，但影响有时，

通隧道安全振动速度15cm /s的标准值．

2）崂山隧道在断层破碎带进行爆破施工时，速

该值已达到安全振动度最大值达到了15. 26cm /s，

速度规定的临界值下限．这是由于波在断层破碎带

Ｒayleigh波频谱处的断层界面发生反射或者折射，

特征发生变化，波能量没有完全被岩层所吸收，故振

4）为进行极值分析即最危险情况，这里计算采

［1］李铮，朱瑞赓，胡再龙，等．爆炸地震波振速的特征系数

J ］．爆炸与冲击，1986，6（3）：221－与衰减指数的研究［229．

［2］林学文，欧阳戬，王兰民．隧道的爆破地震效应问题

OUYANG Jian ，WANG Lanmin．The blasting LIN Xuewen ，

seismic effect of the tunnel ［C ］//ChinaCivil Engineering Society ，Protective Engineering Society in the Third Annual Meeting and Anti_explosionStructures Academic Seminar．

Shandong Yantai ，1999，209：280－283．（in Chinese ）［3］Kuszmaul J S．A new constitution model for fragmentation

of rock under dynamic loading ［C ］//2ndInternational Sym-posium on ＲockFragmentation by Blasting ，1987：412－423．

［4］Torano J ，ＲodriguezＲ，Diego I．FEM models including

randomness and its application to the blasting vibrations ．Computers and Geotechnics ，2006，33prediction ［J ］（1）：15－28．

［5］刘慧．近距侧爆情况下马蹄形隧道动态响应特点的研

J ］．爆炸与冲击，2000，20（2）：175－181．究［

LIU Hui．Dynamic responses of hoof_shapedtunnels to ad-jacent blastings ［J ］．Explosion and Shock Waves ，2000，20（2）：175－181．（in Chinese ）

［6］杨年华，刘慧．近距离爆破引起的隧道周边振动场

［J ］．工程爆破，2000，6（2）：6－10．

YANG Nianhua ，LIU Hui．Vibration field at tunnel contour induced by a close_inblasting ［J ］．Engineering Blasting ，2000，6（2）：6－10．（in Chinese ）

7］谭忠盛，杨小林，王梦恕．复线隧道施工爆破对既有隧［

．岩石力学与工程学报，2003，22道的影响分析［J ］（2）：281－285．

［8］姚勇，何川，晏启祥，等．董家山隧道小净距段爆破控

J ］．岩土力学，2004，25（增1）：501－制的数值模拟［506．

［9］姚勇，何川，周俐俐，等．爆破振动对相邻隧道的影响

．解放军理工大学学报：自然科性分析及控爆措施［J ］2007，8（6）：702－708．学版，

YAO Yong ，HE Chuan ，ZHOU Lili ，et al．Effect analysis and controlled measures research about blasting vibration to ．Journal of PLA University of Sci-neighboring tunnel ［J ］

ence and Technology ：Natural Science ，2007，8（6）：702－708．（in Chinese ）

［10］毕继红，钟建辉．邻近隧道爆破震动对既有隧道影响

J ］．工程爆破，2004，10（4）：69－73．的研究［

［11］赵东平，王明年．小净距交叉隧道爆破振动响应研究

12］乔宪队，黄仁东．邻近隧洞爆破的FLAC3D 模拟［J ］．［

2007，7（2）：94－96．采矿技术，

QIAO Xiandui ，HUANG Ｒendong．The FLAC3D to simu-late adjacent tunnel blasting ［J ］．Mining Technology ，2007，7（2）：94－96．（in Chinese ）

［13］冯仲仁，文曦．新建隧道爆破震动对既有隧道影响的

J ］．爆破，2008，25（4）：20－23．数值分析［

FENG Zhongren ，WEN Xi．Numerical simulation of blas-ting vibration from excavation of a new tunnel on existed tunnel ［J ］．Blasting ，2008，25（4）：20－23．（in Chi-nese ）

14］Low H Y ，Hao H．Ｒeliabilityanalysis of reinforced con-［

crete slabs under explosive loading ［J ］．Structural Safety ，2001，23（2）：157－178．

爆破施工对邻近隧道安全的影响

相关内容

热门内容

标签