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摘要：某高速公路在设计过程中纪要选择合理的隧道支护参数，又要慎重提出隧道施工时对周边既有敏感建筑物的安全影响的建议，此类公路隧道的参考借鉴经验。
关键词：高速公路；隧道爆破；振速；差异沉降
一、概况
某高速路工程为上下分行的一级公路分离式隧道，单洞2车道；该隧道下穿运营高速公路。在设计过程中，既要考虑合理的支护参数选择，又要慎重考虑隧道施工过程中对周边既有敏感建筑的影响。此类公路隧道设计和施工，从设计阶段至施工阶段的经验对省内乃至国内类似项目建设均有重要的参考借鉴意义。
隧道出洞口为斜坡地貌，自然坡度约为20～40°。据钻孔ZKS11揭露，全风化层厚度大，棕黄色，风化强烈，见残余结构，岩芯基本呈砂土状；强风化层，浅黄～浅肉红色，风化强烈，裂隙发育，岩芯基本呈碎块状，裂隙面见次生矿物质，Kv=0.15～0.45；中风化层，浅肉红色，花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯基本呈短柱状，少量碎块状，岩质新鲜，坚硬，锤击声脆，天然抗压强度=59.8MPa，Rc=45.0MPa，Kv=0.25～0.68。
地下水主要为基岩裂隙水，赋存于风化破碎岩体内，水量较贫乏。受大气降水入渗补给，雨季水量会增大。隧道开挖时，在雨季会有滴水、淋水现象。隧道水文地质条件属裂隙充水简单类型。
根据物探高密度电阻率法成果资料，隧道出洞口段受构造影响较小。
该段隧道埋深浅，隧道主要穿越全～中风化岩层，综合考虑隧道埋深、围岩基本质量和水文地质条件等因素，ZK9+019～+165段，[BQ]≤250，评定为Ⅴ级围岩。
高速公路路面的垂直距离约为5.5m～6.0m，距离公路两侧路堑边坡坡脚和管线体系的垂直距约为5.5m，因此隧道爆破开挖对路面、边坡和管线的影响必须进行定量化分析。同时爆破对两侧边坡稳定性的影响应该引起足够重视，因为爆破引起临近边坡失稳也是有工程教训的。
二、爆破分析
2.1 根据震动速度控制值计算的装药量
地下矿山的爆破中，地震波的强度主要取决于炸药量和距离，受岩性和地质情况的影响较小。目前常用的震动速度计算公式有爆破安全规程建议的公式和国内经验公式等，本报告采用这两种方法进行分析比较。
因为震动速度控制值的取用涉及到爆破地震频带，在此先假定地震频带值大于40Hz，待装药量计算完成后，再验证地震频带值的大小是否大于40Hz。
1）国内经验公式
国内多次条形药包大爆破得到的计算爆破近区质点震速v的经验公式为：
于是：
根据重庆大学的研究成果——建立的爆破震动安全标准，参照对于良好设计的砖混结构、一般条石砌筑堡坝、挡土墙，当爆破地震频带大于40Hz时，峰值质点速度为3.0～3.5cm/s，取v=3.0 cm/s，R=5.5m，于是Q=0.46kg。
2）爆破安全规程公式
按《爆破安全规程》建议的震动速度公式，有
式中：
m为炸药指数，取1/3；
R为测点到爆源的距离，本项目取为5.5m；。
K、a为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，本项目所处地质条件为软岩石，K取为250，a取1.8。
根据《爆破安全规程》（如下图），对于一般砖房、非抗震的大型砌块建筑，当爆破地震频带大于50Hz时，震动速度控制值为2.7-3.0 cm/s，取v=3 cm/s。
于是 =0.104kg。
两种计算方式有较大的差异，建议按照爆破安全规程计算公式取值，即取装药量为0.104kg。
2.2振动频率的计算
研究表明，爆破震动的主频率范围一般在0.5～200Hz，主频率的大小取决于地震波的传播介质，介质坚硬则主频率较高，较软则主频率较低。根据学者焦永斌的实测数据和宏观调查资料，得到爆破地震波引起的地面质点震动频率为：
式中：
为频率系数，0.01～0.03，取0.01
为岩石波速， ，本项目为全风化花岗岩，根据有关文献取1300m/s；
Q为相同距离同时起爆的总药量，kg，根据上述计算过程，本项目为：0.104kg；
R为测点到爆源的距离，即爆破中心到路面或边坡坡脚的距离。根据施工图设计方案，取为5.5m。
于是，由以上公式计算得到的震动频率为 。
因此，按照震动频带>40Hz选用爆破震动控制速度是合理的。
2.3补充建议
按照现施工方案进行爆破分析，结果显示只要控制爆破用药量，则甬台温高速公路的安全性是可以得到保证的。但是地下工程的不可预见因素较多，为了进一步确保高速公路的安全性，建议下阶段在施工组织设计时，可以从减弱爆破振速传递、减少爆破振动波叠加、施工监测、必要的加固等4个方面深化、优化施工方案。
（1）减弱爆破振速传递
可以再在拱部120范围开挖轮廓线上方5CM设减振空眼，空眼深4.0M，间距15CM，以便较好地起到减弱爆破振动波传递的效果。
（2）减少爆破振动波叠加
采用孔内控制微差起爆网络技术，施作中增大爆破起爆段别，增加起爆间隔时间，避免振动波的叠加，有效地控制爆破振动效应和发挥微差爆破作用效果。
另外，炮眼堵塞采用水压爆破，炮眼中未装药部分全部用塑料水袋填塞密实，炮泥堵塞炮眼口，确保在同等爆破效果条件下减少炸药用量。
（3）施工监测
施工单位应编制详细周密的爆破施工监控量测计划，以便对影响区域内的路面、边坡、管线和交通设施进行全过程动态监控。监控量测范围应包括隧道本身和路面、边坡、管线和交通设施，测点布置于在隧洞拱顶上方或两侧距爆破点较近的地面布点，监控量测手段必须直观、可靠、科学，以变形量测为主，并在监控量测过程中根据观测对象的变形量、变形速率等及时调整监控量测方案。根据路面的结构情况，确保施工期间路面的安全，应将施工爆破所引起的地面质点振动速度控制在设计和规范要求以内。对突发安全事故应有应急监测和处理预案。 （4）必要的加固
爆破开挖前可以对路堑边坡进行一次全面的健康评估，并视必要进行局部加固。
根据甬台温铁路前黄隧道的下穿甬台温高速公路的施工经验，按照以上措施实施，根据高速公路路面、边坡等的结构形式和爆破距离合理确定质点安全速度和每段单次起爆最大装药量，是可以保证隧道和高速公路的运营安全。
三、路面差异沉降分析
3.1、有限元施工分析
（1）计算模型说明
模拟方案主要关注乌岩山隧道开挖施工及营运阶段甬台温高速公路路面、边坡等的变形情况，仅考虑开挖后释放荷载对路面结构的影响，不考虑爆破震动荷载对路面结构的影响，并考虑到隧道结构呈狭长形，因此以平面问题简化。
计算模式采用地层结构法，根据施工图设计的施工方案（图4-4），即双侧壁导坑施工方案，采用同济曙光软件进行施工过程的分析。整个开挖过程分为20个施工步，每个施工步细分成两个增量步，根据经验增量步1（对应开挖）和增量步2（对应喷锚支护衬施做）的应力释放系数分别为0.1和0.8。施工步10、20为二衬施做。具体分析步骤如下表：
（2）截面参数
喷砼支护厚度0.25m，梁截面积= 0.25m2，梁抗弯惯性矩=0.0013m4，梁高度=0.25m。
二次衬砌厚度为0.60m，梁截面积=0.60m2，梁抗弯惯性矩=0.018m4，梁高度=0.60m。
（3）材料参数
喷砼支护及初二衬采用C25混凝土，E=29.5×106kPa，γ=25kN/m3
二次衬砌采用C30混凝土，E=31.0×106kPa，γ=25kN/m3
（4）荷载
计算中考虑两个车轴作用，并折算成线荷载后，施加在甬台温高速公路车道上。
折算均布线荷载为：
（5）计算结果
根据有限元数值分析结果，由于隧道开挖引起的卸载作用，围岩及路面整体有隆起的趋势，但在隧道拱顶垂直上方的路面会产生差异沉降，形状呈倒抛物线形状，其中最大沉降量小于1cm。因此，对甬台温高速公路的营运安全影响较小。
四、结语
通过对施工开挖过程中爆破炸药量的控制，指导隧道开挖断面施工；通过建立模型进行有限元分析关注隧道开挖施工及营运阶段甬台温高速公路路面、边坡等的变形情况，考虑开挖后释放荷载对路面结构的影响；是设计阶段主要关注的两个因素，可以对施工起到较好的理论指导。
关键词：高速公路；隧道爆破；振速；差异沉降
一、概况
某高速路工程为上下分行的一级公路分离式隧道，单洞2车道；该隧道下穿运营高速公路。在设计过程中，既要考虑合理的支护参数选择，又要慎重考虑隧道施工过程中对周边既有敏感建筑的影响。此类公路隧道设计和施工，从设计阶段至施工阶段的经验对省内乃至国内类似项目建设均有重要的参考借鉴意义。
隧道出洞口为斜坡地貌，自然坡度约为20～40°。据钻孔ZKS11揭露，全风化层厚度大，棕黄色，风化强烈，见残余结构，岩芯基本呈砂土状；强风化层，浅黄～浅肉红色，风化强烈，裂隙发育，岩芯基本呈碎块状，裂隙面见次生矿物质，Kv=0.15～0.45；中风化层，浅肉红色，花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯基本呈短柱状，少量碎块状，岩质新鲜，坚硬，锤击声脆，天然抗压强度=59.8MPa，Rc=45.0MPa，Kv=0.25～0.68。
地下水主要为基岩裂隙水，赋存于风化破碎岩体内，水量较贫乏。受大气降水入渗补给，雨季水量会增大。隧道开挖时，在雨季会有滴水、淋水现象。隧道水文地质条件属裂隙充水简单类型。
根据物探高密度电阻率法成果资料，隧道出洞口段受构造影响较小。
该段隧道埋深浅，隧道主要穿越全～中风化岩层，综合考虑隧道埋深、围岩基本质量和水文地质条件等因素，ZK9+019～+165段，[BQ]≤250，评定为Ⅴ级围岩。
高速公路路面的垂直距离约为5.5m～6.0m，距离公路两侧路堑边坡坡脚和管线体系的垂直距约为5.5m，因此隧道爆破开挖对路面、边坡和管线的影响必须进行定量化分析。同时爆破对两侧边坡稳定性的影响应该引起足够重视，因为爆破引起临近边坡失稳也是有工程教训的。
二、爆破分析
2.1 根据震动速度控制值计算的装药量
地下矿山的爆破中，地震波的强度主要取决于炸药量和距离，受岩性和地质情况的影响较小。目前常用的震动速度计算公式有爆破安全规程建议的公式和国内经验公式等，本报告采用这两种方法进行分析比较。
因为震动速度控制值的取用涉及到爆破地震频带，在此先假定地震频带值大于40Hz，待装药量计算完成后，再验证地震频带值的大小是否大于40Hz。
1）国内经验公式
国内多次条形药包大爆破得到的计算爆破近区质点震速v的经验公式为：
于是：
根据重庆大学的研究成果——建立的爆破震动安全标准，参照对于良好设计的砖混结构、一般条石砌筑堡坝、挡土墙，当爆破地震频带大于40Hz时，峰值质点速度为3.0～3.5cm/s，取v=3.0 cm/s，R=5.5m，于是Q=0.46kg。
2）爆破安全规程公式
按《爆破安全规程》建议的震动速度公式，有
式中：
m为炸药指数，取1/3；
R为测点到爆源的距离，本项目取为5.5m；。
K、a为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，本项目所处地质条件为软岩石，K取为250，a取1.8。
根据《爆破安全规程》（如下图），对于一般砖房、非抗震的大型砌块建筑，当爆破地震频带大于50Hz时，震动速度控制值为2.7-3.0 cm/s，取v=3 cm/s。
于是 =0.104kg。
两种计算方式有较大的差异，建议按照爆破安全规程计算公式取值，即取装药量为0.104kg。
2.2振动频率的计算
研究表明，爆破震动的主频率范围一般在0.5～200Hz，主频率的大小取决于地震波的传播介质，介质坚硬则主频率较高，较软则主频率较低。根据学者焦永斌的实测数据和宏观调查资料，得到爆破地震波引起的地面质点震动频率为：
式中：
为频率系数，0.01～0.03，取0.01
为岩石波速， ，本项目为全风化花岗岩，根据有关文献取1300m/s；
Q为相同距离同时起爆的总药量，kg，根据上述计算过程，本项目为：0.104kg；
R为测点到爆源的距离，即爆破中心到路面或边坡坡脚的距离。根据施工图设计方案，取为5.5m。
于是，由以上公式计算得到的震动频率为 。
因此，按照震动频带>40Hz选用爆破震动控制速度是合理的。
2.3补充建议
按照现施工方案进行爆破分析，结果显示只要控制爆破用药量，则甬台温高速公路的安全性是可以得到保证的。但是地下工程的不可预见因素较多，为了进一步确保高速公路的安全性，建议下阶段在施工组织设计时，可以从减弱爆破振速传递、减少爆破振动波叠加、施工监测、必要的加固等4个方面深化、优化施工方案。
（1）减弱爆破振速传递
可以再在拱部120范围开挖轮廓线上方5CM设减振空眼，空眼深4.0M，间距15CM，以便较好地起到减弱爆破振动波传递的效果。
（2）减少爆破振动波叠加
采用孔内控制微差起爆网络技术，施作中增大爆破起爆段别，增加起爆间隔时间，避免振动波的叠加，有效地控制爆破振动效应和发挥微差爆破作用效果。
另外，炮眼堵塞采用水压爆破，炮眼中未装药部分全部用塑料水袋填塞密实，炮泥堵塞炮眼口，确保在同等爆破效果条件下减少炸药用量。
（3）施工监测
施工单位应编制详细周密的爆破施工监控量测计划，以便对影响区域内的路面、边坡、管线和交通设施进行全过程动态监控。监控量测范围应包括隧道本身和路面、边坡、管线和交通设施，测点布置于在隧洞拱顶上方或两侧距爆破点较近的地面布点，监控量测手段必须直观、可靠、科学，以变形量测为主，并在监控量测过程中根据观测对象的变形量、变形速率等及时调整监控量测方案。根据路面的结构情况，确保施工期间路面的安全，应将施工爆破所引起的地面质点振动速度控制在设计和规范要求以内。对突发安全事故应有应急监测和处理预案。 （4）必要的加固
爆破开挖前可以对路堑边坡进行一次全面的健康评估，并视必要进行局部加固。
根据甬台温铁路前黄隧道的下穿甬台温高速公路的施工经验，按照以上措施实施，根据高速公路路面、边坡等的结构形式和爆破距离合理确定质点安全速度和每段单次起爆最大装药量，是可以保证隧道和高速公路的运营安全。
三、路面差异沉降分析
3.1、有限元施工分析
（1）计算模型说明
模拟方案主要关注乌岩山隧道开挖施工及营运阶段甬台温高速公路路面、边坡等的变形情况，仅考虑开挖后释放荷载对路面结构的影响，不考虑爆破震动荷载对路面结构的影响，并考虑到隧道结构呈狭长形，因此以平面问题简化。
计算模式采用地层结构法，根据施工图设计的施工方案（图4-4），即双侧壁导坑施工方案，采用同济曙光软件进行施工过程的分析。整个开挖过程分为20个施工步，每个施工步细分成两个增量步，根据经验增量步1（对应开挖）和增量步2（对应喷锚支护衬施做）的应力释放系数分别为0.1和0.8。施工步10、20为二衬施做。具体分析步骤如下表：
（2）截面参数
喷砼支护厚度0.25m，梁截面积= 0.25m2，梁抗弯惯性矩=0.0013m4，梁高度=0.25m。
二次衬砌厚度为0.60m，梁截面积=0.60m2，梁抗弯惯性矩=0.018m4，梁高度=0.60m。
（3）材料参数
喷砼支护及初二衬采用C25混凝土，E=29.5×106kPa，γ=25kN/m3
二次衬砌采用C30混凝土，E=31.0×106kPa，γ=25kN/m3
（4）荷载
计算中考虑两个车轴作用，并折算成线荷载后，施加在甬台温高速公路车道上。
折算均布线荷载为：
（5）计算结果
根据有限元数值分析结果，由于隧道开挖引起的卸载作用，围岩及路面整体有隆起的趋势，但在隧道拱顶垂直上方的路面会产生差异沉降，形状呈倒抛物线形状，其中最大沉降量小于1cm。因此，对甬台温高速公路的营运安全影响较小。
四、结语
通过对施工开挖过程中爆破炸药量的控制，指导隧道开挖断面施工；通过建立模型进行有限元分析关注隧道开挖施工及营运阶段甬台温高速公路路面、边坡等的变形情况，考虑开挖后释放荷载对路面结构的影响；是设计阶段主要关注的两个因素，可以对施工起到较好的理论指导。