浅埋大断面隧道下穿既有道路爆破控制施工工法.docx

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1、浅埋大断面隧道下穿既有道路爆破控制施工工法1工法简介1.1工法形成原因及过程在新建隧道下穿既有道路施工中，隧道一般埋深较浅、围岩质量较差，爆破开挖时将极大地威胁既有道路安全。特别是当爆破振动产生的峰值振速超过道路结构所能承受的极限时，极易引起既有道路结构的损坏，进而导致道路路面开裂，甚至失稳坍塌。因此在对浅埋大断面隧道下穿既有道路施工中，其爆破控制施工方法的选择将关系到新建隧道施工安全和既有道路的正常使用的关键。宝汉高速关林子隧道为一座下穿既有道路的浅埋大断面隧道，本项目在分析爆炸应力波传播与衰减规律的基础上，采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法确定爆破峰值振速，制定合理的安全控制指标

2、，依照规范对危险部位进行爆破监测，并依据爆破振动监测的反馈信息来设计和优化爆破方案，采用MIDAS有限元软件对隧道下穿段爆破施工进行数值模拟，合理优化开挖进尺和装药量，增加延时雷管段位，不但有效控制了既有道路路面关键点的振动速度、路面沉降量和新建隧道围岩变形，而且大大缩短了施工工期。该工法技术先进，经济合理，安全可靠，具有显著的经济效益和较广泛的推广应用价值。1.2工法概况本工法关键技术研究分析了爆破对既有道路的振幅、拉张力、位移的影响，为爆破设计提供了有效的理论依据并在提供了关于振速、位移的计算公式及统计标准。针对爆破对既有道路的影响时间周期不确定性的问题，提出了爆破试验模拟数据并配合既有道

3、路沉降监测的方法。有效保障了新建隧道的施工安全和既有道路的通行安全。1.3关键技术的成熟性与可靠性国内已经有大量下穿既有道路爆破施工的理论研究和实践，取得大量科研成果。本工法在此基础上进行了创新和改进，研究过程中进行了大量的计算、模拟，主要核心技术有以下几点：（1）对岩石中爆炸应力波进行了总结和分析，并以应力波理论为基础，分析弹性应力波在完全弹性体中的传播衰减公式以及多孔爆破质点峰值振速理论计算公式，揭示了爆炸应力波的传播衰减规律。（2）采用MIDAS有限元软件对隧道下穿段爆破施工进行数值模拟，通过减小开挖进尺和装药量，增加延时雷管段位，有效控制了路面关键点的振动速度、既有道路下沉值和隧道围岩

4、变形。运用本工法可有效减小既有道路路面的沉降变形，并能保证新建隧道下穿段的围岩变形整体稳定性以及开挖、支护结构合理安全。1. 4鉴定结果2017年12月20日，中国公路建设行业协会在成都市组织召开了公路工程科技创新成果评审会议，与会专家听取了课题组的汇报，审阅了相关技术资料，经质询和讨论，形成鉴定意见如下：该课题研究成果技术资料齐全，内容完整，数据翔实，符合鉴定评审要求，总体达到国内领先水平。荣获公路工程科技创新成果二等奖，可以在类似工程中推广应用。2. 5工法应用情况中交一公局在陕西定汉线坪坎至汉中（石门）高速公路PH-9合同段关林子隧道施工中，总结提出的浅埋大断面隧道下穿既有道路爆破控制施

5、工工法，在分析爆炸应力波传播与衰减规律的基础上，采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法确定爆破峰值振速，制定合理的安全控制指标，依照规范对危险部位进行爆破监测，并依据爆破振动监测的反馈信息优化设计爆破方案。该工法的实施不但有效控制了既有道路路面关键点的振动速度、路面沉降量和新建隧道围岩变形，而且大大缩短了施工工期。得到当地交通部门、政府以及上级部门的一致好评。2工法特点2.1 与普通隧道爆破施工相比，需要尽量减少对既有道路的扰动，对周边眼钻眼、装药技术要求较高；2.2 施工前，需要在分析爆炸应力波传播与衰减规律的基础上，采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法确定爆破峰值振速，制定合

6、理的安全控制指标。3. 3依照规范对既有道路的危险部位进行爆破监测，并依据爆破振动监测的数据反馈信息合理优化爆破设计方案。2.4本工法融合光爆施工的所有优点，隧道轮廓表面光滑、平顺，对围岩扰动少，增加施工安全，减少成本，增加经济效益；2.5本工法在爆破前、爆破中、爆破后都有大量数据监控和分析工作，因此在现场组织和施工管理上要求相对严格，同时也有益于提升进度、缩短工期和提高效益。3适用范围本工法适用于浅埋大断面隧道下穿既有道路段爆破施工，该类隧道埋深浅，断面面积大，围岩质量差，爆破施工中，爆破振动易引起既有道路的不均匀沉降，甚至开裂，而新建隧道也易出现变形、掌子而失稳，甚至坍塌现象。在爆破工艺上

7、主要采用对周边结构物以及既有道路的扰动较小的光面爆破技术，但在爆破设计中需要针对反馈数据反复优化爆破设计参数，因此实际施工中对光面爆破的过程控制将更加精细。4工艺原理4.1爆破试验数据模拟分析采用MidaSGTSNX有限元软件进行三维模拟分析。根据新建隧道下穿段实际地形和地质情况，并考虑开挖的影响范围建立三维模型：根据下穿隧道实际埋深、上部道路的路面厚度、填土厚度、路面宽度以及新建隧道与既有道路实际位置建立模型。对爆破施工时既有道路的最大振速、应力、位移进行模拟分析，得出爆破施工是否会对路面结构产生破坏。4.2光面爆破光面爆破本是控制开挖轮廓的一种爆破技术，它沿开挖轮廓周边布孔，利用主炮孔爆破

8、后形成的良好临空面，在光爆层中起爆，借以减少光爆孔爆破的夹制作用，降低炸药单耗，减少一次起爆药量，使其获得平滑的开挖廓面，减轻围岩的破坏，减小超欠挖和避免产生冒顶和坍塌，能有效减小对周边结构物以及建筑物的扰动，是下穿既有道路隧道爆破施工的首选爆破工艺。4.3过程监测优化爆破参数本工法的核心技术是我公司和西安工业大学共同申报的一项发明专利超浅埋大断面隧道下穿既有道路爆破影响范围的测试方法。此发明专利提供了一种全新的爆破影响范围测量方法，其可以精确的监测地表道路的各点的爆破振动速度和沉降值，快速的监测出爆破振动对地表道路的影响范围。根据实测与数值模拟结果对比，分析实际爆破施工对既有道路的影响是否在

9、可控范围内。若在施工过程中实测振速超出安全振速，则立即结合围岩情况对爆破参数进行调整，使振动速度符合安全控制标准，减少隧道爆破对既有道路的影响。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程图图5.1浅埋大断面隧道下穿既有道路爆破控制施工工法5.2操作要点5.2.1爆破试验数据模拟分析1建立模型确定参数MidasGTSNX是北京迈达斯公司研发的针对岩土与隧道结构分析与设计的有限元软件，可以用于求解各种地震、爆破等任意荷载的动力分析。此次模拟采用MidaSGTSNX有限元软件进行三维模拟分析。根据新建隧道下穿段实际地形和地质情况，并考虑开挖的影响范围建立三维模型。以本项目关林子隧道为例，由于右洞埋深

10、较浅，本次模拟采用右洞下穿段实际情况建立模型；模型尺寸为左右边界取50m,底部取40m,模型上部尺寸按实际埋深选取。新建隧道右洞下穿段里程桩号为YK159+781-YK159+818,模型轴向尺寸取37m；路面的模拟参考公路路基设计规范JTGD30-2015及相关文献口，上部道路面层厚度取0.8m,填土厚度1.2m,路面宽度依照实际情况取11.78m。实际隧道爆破时路面不允许通车，不考虑上部车辆的作用。依照新建隧道与既有道路实际位置建立模型如下图5.2.1.1所示。（a）模型网格划分图（b）路面模拟示意图5.2.1.1爆破分析模型的建立由于关林子隧道施工单次爆破开挖进尺1m,开挖断面位于隧道与

11、316国道相交位置处，且为左上导洞先行，左上导洞围岩衬砌和中隔墙施作完毕且达到强度后，左下导洞开挖，以此类推，直至右下导洞支护完毕。同时通过现场试爆和工程经验知采用CRD法爆破施工时左上和右上部分爆破施工时对路面产生的影响较大，此次数值模拟建立2个模型，模型一模拟右洞YK159+801断面左上部分爆破，模型二模拟右洞YK159+801断面右上断面爆破，此时左上和左下部分已经完成开挖和支护。MidaSGTSNX有限元软件提供了摩尔-库伦模型、胡克-布朗模型、德鲁克-普拉格模型、剑桥模型等12种岩土体本构模型，常应用于三维模拟时的3D单元（模型1）和二维模拟的2D单元（模型2）,在不考虑水影响的情

12、况下，一般选用破坏准则简单、计算结果精确的摩尔-库伦模型。采用数值模拟软件进行动力分析（如隧道爆破、地震）时材料参数的选取和进行静力分析（如隧道的开挖）时是不相同的，主要原因是岩石在动荷载作用下的强度和静荷载作用下的强度是不相同的，前者约为后者的510倍左右；混凝土的极限强度和弹性模量在动荷载的作用下也是不同的，前人普遍的做法是将混凝土的弹性模量进行适量提升。本次模拟假定：在爆炸荷载下，实体的弹性模量提高到原来的5倍，支护弹性模量提高25%o既有路面强度参考相关规范选取，具体参数选取如表5.2.1.1和5.2.1.2所示。表52.1.1围岩及初期支护参数名称静弹性模量E(GPa)动弹性模量E(

13、GPa)泊松比粘聚力容重Y(kNm3)C(kN)内摩擦角(o)片麻岩0.21.20.32020045面层0.21.20.223填土0.070.420.3319.55025初期支护24.0300.226表5.2.1.2既有公路路面强度路面混凝土编静载容许值(MPa)动载容许值(MPa)号抗压抗拉抗压抗拉C2512.50.6518.80.982根据模型模拟分析爆破对既有道路的影响根据模型1、2对既有道路的最大振速、拉应力、位移进行模拟分析。通过模拟分析确定以下主要数据：1爆破对既有道路影响最大的位置。2质点振速和位移最大值的方向。3爆破引起既有道路最大拉应力值是多少，是否超出路面的动荷载抗拉允许值

14、。4爆破造成既有道路最大位移值，从而判断爆破是否会引起道路损坏。这里注意两种模型分析的结果取其最大值作为参考。同样以关林子隧道下穿既有316国道为例，根据实际空间位置、围岩支护参数、既有道路路面强度等情况，通过模拟分析得出以下结论：1)采用建立的两种模型进行新建隧道爆破施工模拟，爆破断面正上方既有道路路面受到的影响最大，振速和位移的最大值均出现在爆破断面正上方的路面上部，且质点振速和位移的最大值均出现在Z向，采用模型一和模型二得到的最大值分别为2.09CmzS和2.02cmso2)采用建立的模型一和模型二进行新建隧道爆破施工模拟时，模型一爆破引起既有道路最大拉应力为9.6610-3MPa,出现

15、在开挖断面正上方的路面上，最大压应力为1.5410-3MPa;模型二爆破引起既有道路上最大拉应力为10.49x10-3MPa,出现在开挖断面正上方的路面，最大压应力为1.64x1O-3MPa.由于既有道路为混凝土路面，且混凝土材料的抗拉性能低于抗压性能，所以结构的拉应力决定结构是否安全。本次计算中最大拉应力为10.49x10-3MPa,小于混凝土路面的动荷载抗拉允许值0.98MPa,因此建隧道左洞爆破施工过程不会对路面结构产生破坏。3）模型一和模型二进行新建隧道爆破时，既有道路最大位移为41加，很难引起既有道路的破坏。5.2.2爆破设计和爆破施工首先根据模型模拟试验分析出来的数据来设计爆破各项参数。而本工法的爆破施工主要采用光面爆破，因为光面爆破一方面能够减少对周边围岩的扰动，另一方面能够有效的控制隧道超欠挖和爆破振动效应对周边建（构）筑物的影响。1详细爆破参数1）循环进尺在下穿段的爆破控制中，缩短爆破开挖进尺是进行爆破控制重要的一环；依据下穿段隧道的围岩状况，根据施工方和设计方的协调，取一次爆破进尺为1.0m；2）药卷、炮孔直径依据所选炸药直径和实际施工条件，周边眼药卷直径22mm,辅助眼、掏槽眼药卷直径为32mm；炮孔直径选取为42mmo3）炮孔深度周边孔、