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【摘 要】隧道作为高速公路工程结构的重要组成部分，因具有特有的灵活性和优越性，在公路运输中发挥着不可替代的重要作用。随着公路建筑的迅速发展，大跨断面隧道工程也在不断增加。现阶段公路隧道的开挖通常采用的是爆破法施工，而爆破振动对隧道周边围岩的稳定性具有很大影响。文章采用Midas GTS有限元软件，对在爆破荷载作用下的大跨双洞隧道之间的相互影响进行了研究，探寻在爆破法施工的情况下，不同条件下的双洞大跨公路隧道之间的相互影响特征。
【关键词】爆破；荷载；双洞大跨隧道；影响
一、引言
随着我国公路建设的快速发展，隧道开挖日益增多，规模也在不断增大，隧道从以往单一的双车道单洞隧道到如今的上下线分离的多车道大跨公路隧道。随着隧道向大跨断面方向的发展，跨度越来越大，使得隧道周边围岩的受力情况发生了不同程度的改变，尤其是小间距大跨公路隧道之间的相互作用，这就给隧道的稳定性和布置带来了巨大挑战。目前公路隧道在开挖过程中，通常都会采用爆破法进行施工，而这种爆破荷载对周边围岩以及相邻隧道的稳定性具有明显影响。而在爆破荷载作用下，不同的岩体质量影响程度也是有所区别的，因此在进行爆破施工时，要从相邻隧道的诸多因素方面考虑。
二、模型参数与加载条件
1、模型的材料参数
将隧道周边围岩当作各向同性的石灰岩层，那么它的材料常数具体为表1所示。
表1 模型围岩材料常数
2、模型边界条件
在分析模型特征值的过程中，通过使用弹性边界来作为模型的边界条件，按照道路设计的标准规范的地基反数系数求得相应的弹性系数。
当地基反数为竖直方向时，计算公式为：
当地基反数为水平方向时，计算公式为：
式中，Av表示地基竖直方向的截面积，Ah表示水平方向的截面积，Eo表示弹性系数，α的取值为1.0，模型的大小为200m×50m×150m，其它常数的具体取值见表2。
表2 模型参数计算
3、爆破荷载时程函数
在通常情况下，隧道都是利用微差爆破的方法進行施工，在该模型的Ⅲ类围岩中，使用全断面进行开挖，在这里使用的时程荷载函数如下：
P（t）=6.75×（-1.000013）×103×（e-3677.22t-e2333.686t）
爆破荷载作用在距离开挖洞口的12～14m处的进口断面上，它的变化情况如图1所示。
图1 爆破荷载时程变化曲线
三、建立模型
图2 隧道断面尺寸及隧道相对位置布置图
小近距大跨公路隧道在爆破荷载的作用下，通过利用Midas GTS有限元软件对它们之间的相互影响进行了分析，公路隧道的断面大小为11.9m×22.1m，而与它相对应的位置布置情况见图2。
在分析三维模型的过程中，由于会受到围岩和爆破荷载的共同作用，因此对大跨公路双洞隧道在错位、水平和垂直的布置下的相互影响情况都进行了震速时程的分析。爆破荷载作用在洞口里的12～14m的断面上，可以更好的对隧道中震速和位移的变化规律进行分析。
四、数值模拟结果分析
1、双洞隧道处于水平布置
当两个隧道处于水平布置的情况下，公路隧道周边围岩在爆破荷载的作用下，岩体初期支护上的位移和震速变化情况见图3。根据分析可以发现，围岩的位移和震速峰值最先在爆破隧道的爆破区内发生较大的变化，由于在该模型中没有对仰拱进行分析，使得隧道底部围岩的位移和震速发生的变化相对较大，其次在隧道的拱顶位置发生变化，然后顺着施工隧道洞口方向发生变化，最后再对相邻隧道产生影响。
图3 爆破隧道断面围岩位移和震速变化时程图
根据相邻隧道震速时程的变化情况可以得出，相较于沿隧道轴线方向的隧道速度，平行于隧道断面的震动速度要更加大，这种变化趋势与实际情况基本相同。震速在相邻隧道的边墙处变化最大，最大值约为1.5m/s，并顺着水平方向变化，然后在拱脚位置，拱顶位置变化最小，同时，初期支护应力的时程变化情况也基本吻合。因此在进行爆破施工时，很容易使得相邻隧道初期支护在边脚位置产生拉裂裂缝，所以这就需要在施工过程中要随时对其进行监控，实时了解和掌握隧道支护的变化情况。
2、双洞隧道处于错位布置
当两个隧道的位置处于垂直面上的错位布置的情况下，隧道开挖的先后顺序不同，其爆破震动的影响也是有所区别的。
一是先对上行隧道进行开挖，这时在爆破荷载的作用下，对隧道初期支护的时程变化情况如图4所示。通过分析可以发现，隧道处于错位布置的情况下进行施工时，如果先对上行隧道进行施工，再进行下行隧道的施工，那么对先施工隧道的初期支护造成的影响相对较小，并且这时离下行隧道较近的拱脚位置发生的震动速度为最大，然后再是垂直方向，顺着隧道轴线方向逐渐变小。震动速度变化最小的位置在拱顶处。因此这时在进行下行隧道的施工时，需要对隧道的拱脚位置的位移和受力情况进行实施观测，并且对其进行相应的加固处理，避免对隧道的初期支护造成破坏。
图4 相邻上行隧道初期支护震速时程变化图
图5 相邻下行隧道初期支护震速时程变化图
二是先对下行隧道进行开挖。这时在爆破荷载的作用下，对隧道初期支护的时程变化情况如图5所示。根据分析可以得出，在进行上行隧道的开挖时，邻近隧道衬砌的边墙位置是震速变化最大的部位，并且各个方向的震速分布情况也相对均匀，相较于先对上行隧道的开挖，其初期支护的最大震动情况要更加小，因此在进行隧道的施工时，最好先对下行隧道进行开挖，这样更能保证隧道的稳定性。
3、双洞隧道处于垂直布置
两个隧道的位置处于垂直布置的情况下，上下行隧道开挖的先后顺序不同的条件下，围岩和衬砌的位移及震动也有所不同。
一是先对上行隧道进行施工。在这种情况下进行爆破施工后，对隧道初期支护的时程变化情况如图6所示。最先在下行隧道的底部位置发生最大震动，接着再是隧道的拱顶位置。由于围岩震速在上下隧道之间的衰减比较弱，使得其很难具有稳定性。因此隧道在垂直布置的施工当中，需要随时对上下隧道间进行检测，并做必要的加固处理，以此来确保隧道的稳定性。另外，再进行下行隧道的爆破施工时，这时震速在下行隧道初期支护的拱顶位置变化最大，它的震动方向为竖直向上。而在上行隧道，震速在拱脚位置最大。虽然这种情况没有考虑仰拱，但主要原因是由于在进行隧道的上下行布置时，隧道间的围岩比较薄，使得其稳定性不高。因此这就需要在中间隔墙的位置进行加固处理，确保施工的安全性和隧道的稳定性。
图6 隧道初期支护震速时程变化图
二是先对下行隧道进行施工。这种情况下进行爆破施工，对隧道初期支护的时程变化情况如图7所示。上下隧道间围岩的震动位移发生最大变化，并且顺着隧道开挖方向震动。当下行隧道的施工完成后，再对上行隧道进行施工，这种开挖方式的最大支护震速相较于前者的开挖方式，震速要更加的大，也就使得隧道间的围岩更加不稳定，因此，在一般情况下如果进行垂直隧道的开挖，最好先对上行隧道进行开挖，这样更能保证隧道的稳定性。
图7 隧道初期支护震速时程变化图
五、总结
在公路隧道施工中，爆破施工是破岩常用的一种施工手段，而在爆破过程中，对周边围岩和相邻隧道或多或少都会造成影响，这就要求研究更好的隧道控制爆破技术及方案，确保隧道的稳定性。本文在爆破荷载的作用下，对不同位置的空间布置隧道的震动情况进行了研究分析，确保双洞在不同布置的状况下能够选择合适的施工方案，以此保证隧道的稳定性。
参考文献：
[1]晏莉. 并行隧道施工相互影响分析及应用研究[D].中南大学，2008.
[2]黄丹. 浅埋、大跨隧道的控制爆破技术和控制爆破方案研究[D].重庆交通大学，2012.
[3]蔚立元. 水下隧道围岩稳定性研究及其覆盖层厚度确定[D].山东大学，2010.
[4]苏佳园. 爆破荷载作用下衬砌背后空洞对隧道稳定性影响规律研究[D].重庆交通大学，2013.
【关键词】爆破；荷载；双洞大跨隧道；影响
一、引言
随着我国公路建设的快速发展，隧道开挖日益增多，规模也在不断增大，隧道从以往单一的双车道单洞隧道到如今的上下线分离的多车道大跨公路隧道。随着隧道向大跨断面方向的发展，跨度越来越大，使得隧道周边围岩的受力情况发生了不同程度的改变，尤其是小间距大跨公路隧道之间的相互作用，这就给隧道的稳定性和布置带来了巨大挑战。目前公路隧道在开挖过程中，通常都会采用爆破法进行施工，而这种爆破荷载对周边围岩以及相邻隧道的稳定性具有明显影响。而在爆破荷载作用下，不同的岩体质量影响程度也是有所区别的，因此在进行爆破施工时，要从相邻隧道的诸多因素方面考虑。
二、模型参数与加载条件
1、模型的材料参数
将隧道周边围岩当作各向同性的石灰岩层，那么它的材料常数具体为表1所示。
表1 模型围岩材料常数
2、模型边界条件
在分析模型特征值的过程中，通过使用弹性边界来作为模型的边界条件，按照道路设计的标准规范的地基反数系数求得相应的弹性系数。
当地基反数为竖直方向时，计算公式为：
当地基反数为水平方向时，计算公式为：
式中，Av表示地基竖直方向的截面积，Ah表示水平方向的截面积，Eo表示弹性系数，α的取值为1.0，模型的大小为200m×50m×150m，其它常数的具体取值见表2。
表2 模型参数计算
3、爆破荷载时程函数
在通常情况下，隧道都是利用微差爆破的方法進行施工，在该模型的Ⅲ类围岩中，使用全断面进行开挖，在这里使用的时程荷载函数如下：
P（t）=6.75×（-1.000013）×103×（e-3677.22t-e2333.686t）
爆破荷载作用在距离开挖洞口的12～14m处的进口断面上，它的变化情况如图1所示。
图1 爆破荷载时程变化曲线
三、建立模型
图2 隧道断面尺寸及隧道相对位置布置图
小近距大跨公路隧道在爆破荷载的作用下，通过利用Midas GTS有限元软件对它们之间的相互影响进行了分析，公路隧道的断面大小为11.9m×22.1m，而与它相对应的位置布置情况见图2。
在分析三维模型的过程中，由于会受到围岩和爆破荷载的共同作用，因此对大跨公路双洞隧道在错位、水平和垂直的布置下的相互影响情况都进行了震速时程的分析。爆破荷载作用在洞口里的12～14m的断面上，可以更好的对隧道中震速和位移的变化规律进行分析。
四、数值模拟结果分析
1、双洞隧道处于水平布置
当两个隧道处于水平布置的情况下，公路隧道周边围岩在爆破荷载的作用下，岩体初期支护上的位移和震速变化情况见图3。根据分析可以发现，围岩的位移和震速峰值最先在爆破隧道的爆破区内发生较大的变化，由于在该模型中没有对仰拱进行分析，使得隧道底部围岩的位移和震速发生的变化相对较大，其次在隧道的拱顶位置发生变化，然后顺着施工隧道洞口方向发生变化，最后再对相邻隧道产生影响。
图3 爆破隧道断面围岩位移和震速变化时程图
根据相邻隧道震速时程的变化情况可以得出，相较于沿隧道轴线方向的隧道速度，平行于隧道断面的震动速度要更加大，这种变化趋势与实际情况基本相同。震速在相邻隧道的边墙处变化最大，最大值约为1.5m/s，并顺着水平方向变化，然后在拱脚位置，拱顶位置变化最小，同时，初期支护应力的时程变化情况也基本吻合。因此在进行爆破施工时，很容易使得相邻隧道初期支护在边脚位置产生拉裂裂缝，所以这就需要在施工过程中要随时对其进行监控，实时了解和掌握隧道支护的变化情况。
2、双洞隧道处于错位布置
当两个隧道的位置处于垂直面上的错位布置的情况下，隧道开挖的先后顺序不同，其爆破震动的影响也是有所区别的。
一是先对上行隧道进行开挖，这时在爆破荷载的作用下，对隧道初期支护的时程变化情况如图4所示。通过分析可以发现，隧道处于错位布置的情况下进行施工时，如果先对上行隧道进行施工，再进行下行隧道的施工，那么对先施工隧道的初期支护造成的影响相对较小，并且这时离下行隧道较近的拱脚位置发生的震动速度为最大，然后再是垂直方向，顺着隧道轴线方向逐渐变小。震动速度变化最小的位置在拱顶处。因此这时在进行下行隧道的施工时，需要对隧道的拱脚位置的位移和受力情况进行实施观测，并且对其进行相应的加固处理，避免对隧道的初期支护造成破坏。
图4 相邻上行隧道初期支护震速时程变化图
图5 相邻下行隧道初期支护震速时程变化图
二是先对下行隧道进行开挖。这时在爆破荷载的作用下，对隧道初期支护的时程变化情况如图5所示。根据分析可以得出，在进行上行隧道的开挖时，邻近隧道衬砌的边墙位置是震速变化最大的部位，并且各个方向的震速分布情况也相对均匀，相较于先对上行隧道的开挖，其初期支护的最大震动情况要更加小，因此在进行隧道的施工时，最好先对下行隧道进行开挖，这样更能保证隧道的稳定性。
3、双洞隧道处于垂直布置
两个隧道的位置处于垂直布置的情况下，上下行隧道开挖的先后顺序不同的条件下，围岩和衬砌的位移及震动也有所不同。
一是先对上行隧道进行施工。在这种情况下进行爆破施工后，对隧道初期支护的时程变化情况如图6所示。最先在下行隧道的底部位置发生最大震动，接着再是隧道的拱顶位置。由于围岩震速在上下隧道之间的衰减比较弱，使得其很难具有稳定性。因此隧道在垂直布置的施工当中，需要随时对上下隧道间进行检测，并做必要的加固处理，以此来确保隧道的稳定性。另外，再进行下行隧道的爆破施工时，这时震速在下行隧道初期支护的拱顶位置变化最大，它的震动方向为竖直向上。而在上行隧道，震速在拱脚位置最大。虽然这种情况没有考虑仰拱，但主要原因是由于在进行隧道的上下行布置时，隧道间的围岩比较薄，使得其稳定性不高。因此这就需要在中间隔墙的位置进行加固处理，确保施工的安全性和隧道的稳定性。
图6 隧道初期支护震速时程变化图
二是先对下行隧道进行施工。这种情况下进行爆破施工，对隧道初期支护的时程变化情况如图7所示。上下隧道间围岩的震动位移发生最大变化，并且顺着隧道开挖方向震动。当下行隧道的施工完成后，再对上行隧道进行施工，这种开挖方式的最大支护震速相较于前者的开挖方式，震速要更加的大，也就使得隧道间的围岩更加不稳定，因此，在一般情况下如果进行垂直隧道的开挖，最好先对上行隧道进行开挖，这样更能保证隧道的稳定性。
图7 隧道初期支护震速时程变化图
五、总结
在公路隧道施工中，爆破施工是破岩常用的一种施工手段，而在爆破过程中，对周边围岩和相邻隧道或多或少都会造成影响，这就要求研究更好的隧道控制爆破技术及方案，确保隧道的稳定性。本文在爆破荷载的作用下，对不同位置的空间布置隧道的震动情况进行了研究分析，确保双洞在不同布置的状况下能够选择合适的施工方案，以此保证隧道的稳定性。
参考文献：
[1]晏莉. 并行隧道施工相互影响分析及应用研究[D].中南大学，2008.
[2]黄丹. 浅埋、大跨隧道的控制爆破技术和控制爆破方案研究[D].重庆交通大学，2012.
[3]蔚立元. 水下隧道围岩稳定性研究及其覆盖层厚度确定[D].山东大学，2010.
[4]苏佳园. 爆破荷载作用下衬砌背后空洞对隧道稳定性影响规律研究[D].重庆交通大学，2013.