CN115596451A - 隧道施工爆破方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了隧道施工爆破方法，包括：建立先行隧道三维模型；在先行隧道内设置多个测点，记录爆破参数和各测点的应力数据；建立后行隧道三维模型，得到后行爆破方案；通过试验获取不同后行隧道爆破参数下先行隧道内各测点的应力数据，建立后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型；代入后行爆破方案中的爆破参数，基于预测的先行隧道应力和三维模型进行爆破模拟并优化后行爆破方案；后行隧道施工。本发明通过建立先行隧道和后行隧道的三维数据模型，采集爆破和试验数据对后行隧道爆破参数与先行隧道应力的影响关系进行分析，从而，预测后行隧道爆破方案对先行隧道的影响并以此优化爆破方案，有效提高了连拱隧道施工的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及连拱隧道施工技术领域。更具体地说，本发明涉及隧道施工爆破方法。
背景技术
连拱隧道具有埋深浅，跨度大，地质条件复杂，围岩风化破碎，受雨季地表水影响大的特点，开挖必须遵守“短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”的原则，按设计要求严格进行监控量测，并把量测结果反溃到施工中进行安全控制。目前连拱隧道多采用三导洞或中导洞超前施工的施工方案，大量的工程实践证明了其施工过程的安全可靠；但无论是三导洞法还是中导洞超前施工法，均有着施工工序繁多、工序间干扰严重、临时支护多、临时结构拆装施工量较大、连拱隧道间防水效果差，施工工期较长等问题。
无导洞施工连拱隧道技术是连拱隧道施工技术的一个发展方向，已经在国内一些隧道如白云山双连拱隧道、黄延高速羊泉沟隧道施工中进行了试用。无导洞施工连拱隧道技术通过取消侧导洞和中导洞施工，大幅度加快了施工进度；但在实际施工中，由于连拱隧道间不设有中导洞，后行隧道施工爆破时对先行隧道围岩和支护稳定性存在较大影响，且爆破参数对不直接接触的隧道的稳定性的影响难以准确判断，导致后行隧道施工时先行隧道的围岩和支护稳定性不易控制，不利于保证连拱隧道施工质量和施工安全。
为解决上述问题，需要设计一种隧道施工爆破方法，提高无导洞施工连拱隧道的施工稳定性和安全性。
发明内容
本发明的目的是提供隧道施工爆破方法，通过分别建立先行隧道和后行隧道的三维数据模型，并采集爆破数据和试验数据对后行隧道爆破参数与先行隧道应力的影响关系进行分析，从而，在后行隧道施工前预测爆破方案对先行隧道应变的影响并以此优化爆破方案，有效提高了连拱隧道施工的稳定性和安全性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了隧道施工爆破方法，包括：
S1、根据地质数据和隧道设计参数建立先行隧道三维模型，然后基于先行隧道三维模型进行爆破模拟和数值分析，得到先行隧道爆破方案；
S2、根据先行隧道爆破方案施工设定长度的先行隧道节段，爆破开挖过程中每施工一段距离，在新的爆破面外周间隔设置多个测点，记录爆破参数和爆破时各测点的应力数据；
S3、根据地质数据和隧道设计参数建立后行隧道三维模型，然后基于后行隧道三维模型和先行隧道施工中的爆破参数、应力数据进行爆破模拟和数值分析，得到后行隧道爆破方案；
S4、通过试验获取不同的地质条件和后行隧道爆破参数下先行隧道内各测点的应力数据，模拟施加荷载对先行隧道三维模型进行应力分析，建立后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型；
S5、将S3的后行隧道爆破方案中的爆破参数代入S4的影响模型中，基于预测的先行隧道应力和先行隧道三维模型模拟后行隧道爆破施工中先行隧道的应变情况，并根据隧道施工安全标准优化后行隧道爆破方案；
S6、根据优化后的后行隧道爆破方案进行后行隧道施工。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，S1、S3中，得到先行隧道和后行隧道爆破方案的方法均包括：
基于GIS系统和无人机倾斜摄影技术获取施工段的地质数据，结合隧道设计结构，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立先行隧道爆破施工的三维模型，然后根据所述地质数据和围岩受力分析对爆破参数进行荷载模拟分析，以此为基础设计优选的隧道爆破方案。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，S2中，先行隧道爆破施工采用分步分台阶开挖法，包括：
S21、先行隧道上台阶弧形导坑爆破开挖并施工初期支护层；
S22、先行隧道上台阶核心土爆破开挖；
S23、先行隧道下台阶爆破开挖；
S24、先行隧道仰拱施作初期支护层；
其中，同一断面上的多个测点设置在先行隧道拱墙和仰拱的初期支护层上，任一测点包括应力传感器，其埋设在初期支护层上预设的安装槽内。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，S5中，后行隧道爆破方案的优化方法包括：
根据隧道施工安全标准设定先行隧道各测点的应变数据安全阈值，当模拟得到的先行隧道的应变数据超出安全阈值时，先考虑调整爆破参数，如果调整爆破参数后也无法使先行隧道应变数据落在安全阈值内，在先行隧道内采取额外的减震措施并更新先行隧道三维模型，直至模拟得到的应变数据符合安全要求。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，所述减震措施包括根据模拟得到的先行隧道的应变数据在先行隧道的初期支护结构上安装减震板，所述减震板为多层板状结构，其包括多个PVC层，其平行间隔设置；泡沫混凝土层，其固定设置在任意两个相邻的PVC层之间。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，S6中，在后行隧道爆破施工的同时在先行隧道内设置全站仪，随后行隧道爆破施工进度同步移动全站仪，对先行隧道内与后行隧道相同施工里程处的测点位置进行实时应变监测，并将全站仪采集的实时应变数据与S5中模拟得到的先行隧道的应变数据和设定的应变数据安全阈值进行对比，当实际应变数据与模拟得到的先行隧道的应变数据不符但未超过对应的安全阈值时，记录实际应变数据和对应的爆破参数并对S4的影响模型进行修正；当实际应变数据超过对应的安全阈值时，进行安全预警并对应变数据超出安全阈值的测点位置处单独注浆加固。
优选的是，所述隧道施工爆破方法，S6中，在相同施工里程处的后行隧道节段施工完成后，再施工对应的先行隧道节段内的防水层和二次衬砌。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明通过分别建立先行隧道和后行隧道的三维数据模型指导隧道爆破施工并形成优选的爆破方案，在先行隧道施工中采集爆破数据，结合试验采集的后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响数据进行分析，形成影响模型，将后行隧道的爆破方案代入影响模型中对先行隧道的应变进行预测，从而，根据先行隧道的安全指标优化后行隧道的爆破方案，保证了后行隧道爆破施工中整体连拱隧道的稳定性和施工安全性；
2、本发明根据后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响关系和后行隧道三维模型共同指导后行洞隧道施工，并在后行隧道施工中利用既有测点实时同步采集先行隧道中的应变数据，从而，及时对后行隧道爆破参数与先行隧道应力的影响模型进行修正并对超出预测范围的情况进行相应，将连拱隧道的围岩和支护稳定性控制在安全范围内，有效防止隧道变形和中隔墙坍塌等问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于实施例所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供隧道施工爆破方法，包括：
S1、根据地质数据和隧道设计参数建立先行隧道三维模型，然后基于先行隧道三维模型进行爆破模拟和数值分析，得到先行隧道爆破方案；
S2、根据先行隧道爆破方案施工设定长度的先行隧道节段，爆破开挖过程中每施工一段距离，在新的爆破面外周间隔设置多个测点，记录爆破参数和爆破时各测点的应力数据；
S3、根据地质数据和隧道设计参数建立后行隧道三维模型，然后基于后行隧道三维模型和先行隧道施工中的爆破参数、应力数据进行爆破模拟和数值分析，得到后行隧道爆破方案；
S4、通过试验获取不同的地质条件和后行隧道爆破参数下先行隧道内各测点的应力数据，模拟施加荷载对先行隧道三维模型进行应力分析，建立后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型；
其中，试验获取不同的地质条件和后行隧道爆破参数下先行隧道内各测点的应力数据的方法为：在先行隧道不与后行隧道相邻的另一侧建立试验场，模拟后行隧道一侧的地质环境和后行隧道断面参数，并在试验场内试验不同的爆破参数选择对先行隧道内各测点的应力影响，这里的爆破参数包括地层条件(板岩类型)、(先行洞和后行洞)间距、炸药量、布孔等控制条件，从而，得到各爆破参数对不同测点处应力影响数据的映射关系，基于这种对应关系可在先行隧道三维模型中对各测点位置模拟施加荷载，进而分析得到不同的爆破参数对先行隧道应力的影响模型。
S5、将S3的后行隧道爆破方案中的爆破参数代入S4的影响模型中，基于预测的先行隧道应力和先行隧道三维模型模拟后行隧道爆破施工中先行隧道的应变情况，并根据隧道施工安全标准优化后行隧道爆破方案；
S6、根据优化后的后行隧道爆破方案进行后行隧道施工。
上述技术方案中，采用无导洞施工连拱隧道技术对双连拱隧道进行施工，双连拱隧道分为先行隧道和后行隧道，先行隧道施工时，岩体结构相对较为稳定，可直接通过理论模型对爆破中的隧道受力情况进行分析，并得到常规的隧道施工爆破方案；而在后行隧道施工时，相同里程位置处，后行隧道周围岩体经过先行隧道施工已处于不够稳定的状态，在设计爆破方案时除后行隧道爆破对后行隧道本身的影响外，还需要考虑对先行隧道初支和围岩稳定性的影响。为保证后行隧道施工中整体连拱隧道的稳定性，后行隧道的爆破方案设计需要更多的试验数据，因此，S2中，先行隧道先施工一段距离并采集对应的爆破参数和测点应力数据，从而，在S3中，可参考该部分试验数据对后行隧道的爆破模拟和数值分析的真实性和准确度进行提升；同时，在S4中通过额外的试验数据对先行隧道三维模型进行分析，建立后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型，以依据先行隧道的安全标准进一步对后行隧道的爆破方案进行优化，得到最终的爆破方案并以此指导后行隧道施工，即最终的爆破方案同时满足了后行隧道三维模型在直接的爆破模拟下和先行隧道三维模型在间接的爆破模拟下的安全要求。在后续施工过程中，与S2中先行隧道节段相连的下一节段施工也可参考此前采集的施工数据进行三维模型建立和爆破模拟，随着施工进度的推进，不断累积的施工数据会使隧道三维模型更加准确、真实，模拟结构更加可靠。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，S1、S3中，得到先行隧道和后行隧道爆破方案的方法均包括：
基于GIS系统和无人机倾斜摄影技术获取施工段的地质数据，结合隧道设计结构，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立先行隧道爆破施工的三维模型，然后根据所述地质数据和围岩受力分析对爆破参数进行荷载模拟分析，以此为基础设计优选的隧道爆破方案。
在本实施例中，采用ANSYS软件进行SOLID164实体单元建立隧道有限元模型，将隧道爆破施工断面与围岩分别建模并进行单元体网格加密，用于模拟隧道掌子面分台阶爆破时的震动效应并分析爆破时径向压应力和切向拉应力对隧道本身及围岩的影响。具体的，所述地质数据包括各类围岩的节理发育情况、岩石密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、单轴抗压强度、抗压强度、切线模量、有效塑应变等参数，爆破参数包炮眼间距、深度、装药量、装药形式等参数，在爆破分析时，通过模拟不同爆破参数下施加在隧道爆破施工断面和围岩上的载荷进行受力分析，得到围岩破碎、开裂，施工断面振速、变形等分析结果，根据隧道施工安全标准对爆破参数进行调整，形成优选的爆破方案。所述优选的爆破方案可以是多个，针对节省炸药量、爆破对围岩、隧道断面影响最小等不同的控制条件，可以得出多个不同的优选爆破方案。
其中，S3中建立后行隧道三维模型时，可认为相同里程处的先行隧道和后行隧道节段的地质条件相同，在基于后行隧道三维模型进行爆破模拟时，可参考先行隧道施工中的爆破参数和对应测点采集得到的应变数据，对实际的地质数据和爆破中的围岩受力情况进行修正，使爆破模拟得到的后行隧道受力和应变结果更加真实可靠，相当于将先行隧道施工数据作为试验数据，对后行隧道爆破施工方案进行了优化，提高了后行隧道施工稳定性和安全性。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，S2中，先行隧道爆破施工采用分步分台阶开挖法，包括：
S21、先行隧道上台阶弧形导坑爆破开挖并施工初期支护层；
S22、先行隧道上台阶核心土爆破开挖；
S23、先行隧道下台阶爆破开挖；
S24、先行隧道仰拱施作初期支护层；
其中，同一断面上的多个测点设置在先行隧道拱墙和仰拱的初期支护层上，任一测点包括应力传感器，其埋设在初期支护层上预设的安装槽内。
上述技术方案中，先行隧道和后行隧道均采用分步分台阶开挖法，在对隧道三维模型施加荷载模拟爆破并进行应力分析时，采用与施工步骤对应的分析方法，依次模拟上台阶和下台阶不同位置处的爆破参数。在先行隧道施工中，爆破开挖完成后在隧道断面上施作初期支护层，先不进行防水层和二次衬砌施工，方便进行测点设置。所述多个测点沿隧道断面周向间隔设置，在隧道施工全过程中可多次反复利用测试不同情况下的应力数据，为后续施工和隧道爆破方案设计提供参考。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，S5中，后行隧道爆破方案的优化方法包括：
根据隧道施工安全标准设定先行隧道各测点的应变数据安全阈值，当模拟得到的先行隧道的应变数据超出安全阈值时，先考虑调整爆破参数，如果调整爆破参数后也无法使先行隧道应变数据落在安全阈值内，在先行隧道内采取额外的减震措施并更新先行隧道三维模型，直至模拟得到的应变数据符合安全要求。
其中，将S3的后行隧道爆破方案中的爆破参数代入S4的影响模型中，可以得到按照当前爆破方案施工时先行隧道中各测点的应力数据，根据应力数据对先行隧道三维模型进行爆破模拟和数值分析，即可得到对应的先行隧道各测点的应变数据，与设定的安全阈值进行对比，当模拟应变不满足安全要求时，先考虑在可行性条件下(能够完成后行隧道设定范围内的爆破)调整爆破参数，如减小炸药量、改变布孔点位和点位起爆顺序等。额外的减震措施包括但不限于对先行隧道和后行隧道中隔墙进行加固、搭设临时支撑钢架等，以改变先行隧道三维模型本身的受力情况(对受力薄弱易变形位置进行加强)，并根据预定采用的减震措施对应更新先行隧道三维模型，然后重新进行爆破模拟和数值分析，直至模拟得到的应变数据符合安全要求。从而，进一步优化了后行隧道爆破方案，在后行隧道施工中能够兼顾连拱隧道的整体安全性，并量化了控制条件和控制参数的范围，能够通过三维数据模型提前模拟并预测出当前爆破方案存在的安全隐患，更好的对隧道施工稳定性进行控制。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，所述减震措施包括根据模拟得到的先行隧道的应变数据在先行隧道的初期支护结构上安装减震板，所述减震板为多层板状结构，其包括多个PVC层，其平行间隔设置；泡沫混凝土层，其固定设置在任意两个相邻的PVC层之间。其中，减震板采用多层叠合的形式，外侧采用PVC板，相邻的两层PVC板间设置泡沫轻质混凝土板，相互粘合形成整体后安装在先行隧道的初期支护结构上。具体的，模拟得到的先行隧道的应变数据包括不同里程对应的隧道断面、同断面上不同测点的应变数据，在安装减震板时应针对应变数据不符合设定的安全条件的位置进行安装和加固。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，S6中，在后行隧道爆破施工的同时在先行隧道内设置全站仪，随后行隧道爆破施工进度同步移动全站仪，对先行隧道内与后行隧道相同施工里程处的测点位置进行实时应变监测，并将全站仪采集的实时应变数据与S5中模拟得到的先行隧道的应变数据和设定的应变数据安全阈值进行对比，当实际应变数据与模拟得到的先行隧道的应变数据不符但未超过对应的安全阈值时，记录实际应变数据和对应的爆破参数并对S4的影响模型进行修正；当实际应变数据超过对应的安全阈值时，进行安全预警并对应变数据超出安全阈值的测点位置处单独注浆加固。
具体的，为方便全站仪的监测，先行隧道内布置的测点不仅包括预埋在初期支护层内的应力传感器，还包括设置在初期支护层上的反射标靶，全站仪在移动至设定位置进行隧道断面监测后，通过检测反射标靶的移动来判断隧道各测点处的应变情况。当实际应变数据与模拟得到的先行隧道的应变数据不符但未超过对应的安全阈值时，可认为模拟的应变数据存在偏差，即使用的后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型不够准确，可通过不断记录新的实际数据来对模型进行修正；当实际应变数据超过对应的安全阈值时，可认为存在预计外的安全风险，需及时进行安全预警并停止当前施工，对应变数据超出安全阈值的测点位置处单独注浆加固，由于先行隧道施工仅加工至初期支护层，未进行后续防水和衬砌施工，可方便的对存在问题的测点位置进行注浆加工，待先行隧道支护稳定后再继续后行隧道施工。
在另一技术方案中，所述的隧道施工爆破方法，S6中，在相同施工里程处的后行隧道节段施工完成后，再施工对应的先行隧道节段内的防水层和二次衬砌。从而，便于在后行隧道施工前根据模拟数据分析在先行隧道内采取防震措施和后行隧道施工中根据实时监测数据对存在安全风险的点位进行加固，有效防止了隧道变形和中隔墙坍塌等问题。另外，先行隧道的防水层和二次衬砌施工在必要的防震措施和注浆加固后进行，有利于保证先行隧道防水性和内部衬砌平整度，在需要对先行隧道进行加固时不需要反复拆装防水和衬砌层，节省了施工工序。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (7)
1.隧道施工爆破方法，其特征在于，包括：
S1、根据地质数据和隧道设计参数建立先行隧道三维模型，然后基于先行隧道三维模型进行爆破模拟和数值分析，得到先行隧道爆破方案；
S2、根据先行隧道爆破方案施工设定长度的先行隧道节段，爆破开挖过程中每施工一段距离，在新的爆破面外周间隔设置多个测点，记录爆破参数和爆破时各测点的应力数据；
S3、根据地质数据和隧道设计参数建立后行隧道三维模型，然后基于后行隧道三维模型和先行隧道施工中的爆破参数、应力数据进行爆破模拟和数值分析，得到后行隧道爆破方案；
S4、通过试验获取不同的地质条件和后行隧道爆破参数下先行隧道内各测点的应力数据，模拟施加荷载对先行隧道三维模型进行应力分析，建立后行隧道爆破参数对先行隧道应力的影响模型；
S5、将S3的后行隧道爆破方案中的爆破参数代入S4的影响模型中，基于预测的先行隧道应力和先行隧道三维模型模拟后行隧道爆破施工中先行隧道的应变情况，并根据隧道施工安全标准优化后行隧道爆破方案；
S6、根据优化后的后行隧道爆破方案进行后行隧道施工。
2.如权利要求1所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，S1、S3中，得到先行隧道和后行隧道爆破方案的方法均包括：
基于GIS系统和无人机倾斜摄影技术获取施工段的地质数据，结合隧道设计结构，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立先行隧道爆破施工的三维模型，然后根据所述地质数据和围岩受力分析对爆破参数进行荷载模拟分析，以此为基础设计优选的隧道爆破方案。
3.如权利要求1所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，S2中，先行隧道爆破施工采用分步分台阶开挖法，包括：
S21、先行隧道上台阶弧形导坑爆破开挖并施工初期支护层；
S22、先行隧道上台阶核心土爆破开挖；
S23、先行隧道下台阶爆破开挖；
S24、先行隧道仰拱施作初期支护层；
其中，同一断面上的多个测点设置在先行隧道拱墙和仰拱的初期支护层上，任一测点包括应力传感器，其埋设在初期支护层上预设的安装槽内。
4.如权利要求3所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，S5中，后行隧道爆破方案的优化方法包括：
根据隧道施工安全标准设定先行隧道各测点的应变数据安全阈值，当模拟得到的先行隧道的应变数据超出安全阈值时，先考虑调整爆破参数，如果调整爆破参数后也无法使先行隧道应变数据落在安全阈值内，在先行隧道内采取额外的减震措施并更新先行隧道三维模型，直至模拟得到的应变数据符合安全要求。
5.如权利要求4所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，所述减震措施包括根据模拟得到的先行隧道的应变数据在先行隧道的初期支护结构上安装减震板，所述减震板为多层板状结构，其包括多个PVC层，其平行间隔设置；泡沫混凝土层，其固定设置在任意两个相邻的PVC层之间。
6.如权利要求4所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，S6中，在后行隧道爆破施工的同时在先行隧道内设置全站仪，随后行隧道爆破施工进度同步移动全站仪，对先行隧道内与后行隧道相同施工里程处的测点位置进行实时应变监测，并将全站仪采集的实时应变数据与S5中模拟得到的先行隧道的应变数据和设定的应变数据安全阈值进行对比，当实际应变数据与模拟得到的先行隧道的应变数据不符但未超过对应的安全阈值时，记录实际应变数据和对应的爆破参数并对S4的影响模型进行修正；当实际应变数据超过对应的安全阈值时，进行安全预警并对应变数据超出安全阈值的测点位置处单独注浆加固。
7.如权利要求6所述的隧道施工爆破方法，其特征在于，S6中，在相同施工里程处的后行隧道节段施工完成后，再施工对应的先行隧道节段内的防水层和二次衬砌。
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