公路隧道爆破對鄰近引水隧洞振動響應的分析與實測研究

劉 拓

(安徽省高速公路控股集團公司，安徽 合肥 230088)

公路隧道爆破對鄰近引水隧洞振動響應的分析與實測研究

劉 拓

(安徽省高速公路控股集團公司，安徽 合肥 230088)

岳西—武漢高速公路安徽段明堂山隧道下穿橫河二級電站的一條引水隧洞，引水隧洞與左線和右線的最小距離為12.4～14.8 m，地質(zhì)條件為中風化花崗片麻巖Ⅲ級圍巖。為保證隧道近距離爆破施工下穿引水隧洞的安全和穩(wěn)定，采用動力分析軟件LS-DYNA建立三維有限元模型，模擬隧道開挖爆破對引水隧洞的振動影響，并在引水隧洞內(nèi)布置3個爆破監(jiān)測點，將數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。計算結(jié)果表明，在均勻介質(zhì)模型里，質(zhì)點振動速度與質(zhì)點到爆源的距離成衰減關系，爆破對引水隧洞的振速影響控制在5 cm/s以內(nèi)，其中拱腳影響最大，邊墻和拱頂次之，拱腰最小。實測結(jié)果與計算規(guī)律基本一致，爆破后節(jié)點振速很快達到最大，并隨時間的增加快速衰減，500 ms后振動波基本消散。研究表明實際爆破采用的炸藥當量和爆破方式合理，未對引水隧洞結(jié)構(gòu)安全造成明顯影響。

公路隧道；引水隧洞；振動響應；數(shù)值分析；現(xiàn)場監(jiān)測

0 引言

采用鉆爆法施工的隧道近距離穿越既有結(jié)構(gòu)物時，爆破施工必然會對臨近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定程度的不良影響，如何降低爆破振動影響范圍和影響程度是設計與施工中必須考慮的一個重要問題。

近年來，國內(nèi)外學者在隧道爆破施工對周邊隧道與建筑物的影響方面開展了許多研究。例如，文獻[1-3]對小間距隧道的爆破施工進行了現(xiàn)場實測研究，得到了振動波衰減規(guī)律，并探討了爆破振動的影響區(qū)域；文獻[4-5]從施工角度研究了爆破開挖方式對小間距隧道爆破振動波傳遞規(guī)律的影響；文獻[6-8]對既有隧道受臨近小間距隧道爆破施工影響采用數(shù)值計算方法進行了研究；文獻[9]研究了不同凈距、不同進尺條件下立交下穿隧道爆破對既有隧道的振動影響；文獻[10-11]采用了希爾伯特-黃變換理論(簡稱HHT)分析了隧道爆破振動信號頻率、雷管起爆時間間隔及其對周邊建筑物和隧道的振動影響。盡管上述研究獲得了許多成果，但由于隧道所處的工程地質(zhì)條件不同、環(huán)境條件不同，隧道爆破施工對臨近結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的振動效應會有很大差異。

本文以岳西—武漢高速公路安徽段明堂山隧道下穿橫河二級電站引水隧洞為工程背景，開展高速公路隧道下穿既有引水隧洞的施工爆破三維動力有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場實測研究，為隧道爆破施工控制提供依據(jù)，以保證引水隧洞的安全和穩(wěn)定。

1 工程概況

岳西—武漢高速公路安徽段明堂山隧道位于安徽省岳西縣五河鎮(zhèn)思河村、河圖鎮(zhèn)明堂村，全長7 548 m，雙向四車道，隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，設計時速80 km/h。岳西端左側(cè)往趙河下游，距隧道約100 m處為橫河二級電站，明堂山隧道下穿該電站一條引水隧洞。引水隧洞全長810 m，為1.8 m×1.8 m城門型毛洞。該引水隧洞與明堂山隧道相交角度為41°；與左線相交于ZK17+880附近，引水隧洞底板與隧道左線開挖輪廓線頂部標高相差約12.4 m；與隧道右線相交于K17+910附近，引水隧洞底板與隧道右線開挖輪廓線頂部標高相差約14.8 m。隧道在該段穿越中風化花崗片麻巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體較完整，為Ⅲ級圍巖。

2 爆破振動的數(shù)值模擬

根據(jù)明堂山隧道與引水隧洞的空間位置關系，選取120 m范圍的隧道進行爆破動力分析，如圖1所示。計算采用LS-DYNA軟件，計算尺寸為：108 m(水平方向)×120 m(隧道軸線方向)×82 m(垂直方向)。圍巖采用8節(jié)點六面體(solid164)等參實體單元來模擬。為了提高計算精度，嚴格控制單元質(zhì)量，炸藥區(qū)六面體網(wǎng)格邊長約20 cm，過渡到模型邊長約為130 cm。模型單元總數(shù)為680 030，節(jié)點總數(shù)為721 994，邊界為無反射邊界。隧道為全斷面開挖，模型中右洞掌子面超前左洞30 m，分別計算隧道左洞掌子面和右洞掌子面開挖到引水隧洞正下方時施工爆破對引水隧洞的影響。

圖1 數(shù)值計算模型

模型由炸藥、鋼筋混凝土、巖石和空氣4部分組成，隧道已開挖處和停水后的引水隧洞為空氣。炸藥采用LS-DYNA自帶的高性能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，選用JWL (Jones-Wilkins-Lee Equation) 狀態(tài)方程。由于數(shù)值模擬的困難，將掌子面多個藥孔微差爆破施工方式簡化為一次爆破的方式，炸藥總當量為29.52 kg，位于掌子面的正中央；巖石和混凝土選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料；空氣采用MAT_NULL材料，選用GRUNEISEN狀態(tài)方程。單元采用多物質(zhì)ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)算法，炸藥、巖石、混凝土襯砌和空氣相互耦合。

對于爆破荷載作用總時間，一般根據(jù)裝藥形式、段數(shù)或?qū)Ρ茰y試記錄的分析來確定。本文取爆破荷載曲線典型的加載到峰值應力的升壓時間為8～12 ms，卸載時間通常為40～120 ms。由于爆破振動動力分析單元數(shù)很多，時間步長很短，為了比較真實又比較經(jīng)濟地模擬爆破振動過程，數(shù)值模型的計算時間取為500 ms。

采用相同的模型分別模擬左右洞爆破施工，僅僅是炸藥安置點有所區(qū)別，分別位于左掌子面上和右掌子面的正中央，計算模型如圖1所示。

爆炸動力模擬中，采用Cowper-Symonds應變率模型，材料強度放大系數(shù)

(1)

LS-DYNA能自動考慮應變率的影響，因此采用材料準靜態(tài)加載測得的參數(shù)，為參數(shù)選取帶來很大的方便。炸藥、圍巖與混凝土的力學參數(shù)見表1和表2。

表1 炸藥參數(shù)表Table 1 Parameters of explosives

注：A1，B1，R1，R2為爆轟JWL狀態(tài)方程的待定參數(shù)。

表2 圍巖和混凝土材料參數(shù)Table 2 Parameters of surrounding rock and concrete

3 計算結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析

根據(jù)隧道與引水隧洞的空間位置關系，選取引水隧洞內(nèi)隧道左線正上方(A)、右線正上方(C)和兩者中間(B)的拱頂、拱腰、邊墻和拱腳處的節(jié)點做為特征點考察計算所得的振速時程規(guī)律，并將邊墻處的計算結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析。爆破振動特征點與測點位置見圖2。

圖2 爆破振動特征點與測點位置示意圖Fig.2 Positions of blasting vibration characteristic points and monitoring points

3.1 左洞爆破特征點振速計算結(jié)果

圖3—6分別給出了左洞爆破時A，B，C點位置處拱頂、拱腰、邊墻和拱腳的數(shù)值計算振速時程圖。

圖3 拱頂振速時程圖

圖4 拱腰振速時程圖

圖5 邊墻振速時程圖

圖6 拱腳振速時程圖

由圖3—6可知，左洞爆破時，對應正上方引水隧洞處(A點處)振速最大，距離越遠，振速越低。爆破后節(jié)點振速在20 ms以內(nèi)很快達到最大，并隨時間的增加快速衰減，500 ms后振動波基本消散。拱腳、邊墻、拱頂和拱腰處的最大振速見表3。

表3爆破施工時引水隧洞計算振速最大值
Table 3 Calculated maximum vibration velocity of water conveyance tunnel induced by blasting cm/s

項目拱腳邊墻拱頂拱腰左洞爆破施工時的最大振速28141209右洞爆破施工時的最大振速28101208

由表3可知，拱腳的最大振速最大，為2.8 cm/s，最大振速從大到小依次為拱腳>邊墻>拱頂>拱腰，最大振速均小于5 cm/s。根據(jù)長江水利水電研究院的振速和破壞標準可知，隧道結(jié)構(gòu)是安全的，可見爆破采用的炸藥當量是基本合理的。但為了保證隧道爆破開挖不會對引水隧洞的穩(wěn)定性造成不利影響，應對引水隧洞位置影響段爆源最大段炸藥進行嚴格控制。

3.2 右洞爆破特征點振速計算結(jié)果

右洞爆破時的結(jié)點振速時程與左洞爆破類似，對應正上方引水隧洞處(C點處)振速最大，距離越遠，振速越低，各節(jié)點振速在爆炸500 ms后基本消散。為節(jié)約篇幅，這里直接列出拱腳、邊墻、拱頂和拱腰處的最大振速，見表3。由表3可知，拱腳的最大振速最大，為2.8 cm/s，最大振速從大到小依次為拱腳>拱頂>邊墻>拱腰。計算結(jié)果同樣表明，最大振速均小于5 cm/s。

3.3 爆破振動實測與計算對比分析

測振儀分別布置在隧道左線正上方(A)、右線正上方(C)和兩者中間(B)的邊墻位置處，測點的儀器安裝圖如圖7所示。

(a) 左線正上方測點A

(b) 兩者中間測點B

(c) 右線正上方測點C

以引水隧洞內(nèi)隧道左線正上方A點為例，左線爆破時的振動監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。爆破施工振速合矢量實測最大值見表4。

圖8 A點爆破振動監(jiān)測圖

表4爆破施工振速合矢量實測最大值
Table 4 Measured maximum values of vibration velocity induced by blasting

爆破區(qū)域測點實測值/(cm/s)計算值/(cm/s)左線ZK17+870～+8725A073140B072050C030038右線K17+920～+9225A020010B036018C107098

由表4的計算和實測的對比可知，數(shù)值模擬的結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較為接近，反映出實際爆破開挖所采取的方案是安全的。爆破后引水隧洞內(nèi)的實際觀測未見大尺寸掉塊和明顯開裂，僅有零星掉塊，主要是引水隧洞表層片狀剝落和松動的巖塊。由此可見，明堂山隧道爆破施工未對引水隧洞造成明顯的損害。

4 結(jié)論與討論

1)本文建立了明堂山隧道爆破施工對上方引水隧洞振動影響的三維動力有限元數(shù)值模型，計算結(jié)果表明，質(zhì)點振動速度與質(zhì)點到爆源的距離呈衰減關系，對于引水隧洞同一截面處，最大振速從大到小依次為拱腳>邊墻、拱頂>拱腰。

2)由于數(shù)值計算采用一次爆破方式，不能完全真實地反映實際微差爆破的情況，故數(shù)值計算的結(jié)果與實測值有一定的差異，但總體上規(guī)律基本一致，且較為接近。因此，數(shù)值模擬研究爆破施工對周邊結(jié)構(gòu)物的振動影響有一定的參考價值。

3)以本文引用的長江水利水電研究院的振速和破壞標準(v<5 cm/s)，實際爆破采用的炸藥當量(29.52 kg)和爆破方式是合理的，除了爆破點正上方引水隧洞拱腳附近巖石振速較大外，其他地方的振速都不超過1.5 cm/s，因此引水隧洞是安全的。為了保證隧道爆破施工不會對引水隧洞的穩(wěn)定性造成不利影響，應對影響段最大段炸藥進行嚴格控制。此外，需要對引水隧洞邊墻和拱頂做防護措施，以防松動巖塊掉落。

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新技術(shù)填補我國隧道爆破施工技術(shù)空白

在河南省洛陽市剛剛拉下帷幕的“中國工程爆破協(xié)會20周年大會”上，“雙套管偏心水耦合切縫聚能爆破綜合技術(shù)”獲2014年第七屆中國工程爆破協(xié)會科學技術(shù)二等獎。該科技成果為國內(nèi)首創(chuàng)，處于國內(nèi)領先水平，填補了我國隧道爆破施工技術(shù)的空白。

該科技成果的成功開發(fā)和運用，能節(jié)省炸藥使用量，提高隧道光面爆破質(zhì)量和圍巖的安全性，有效控制超挖，減少初期支護和二次襯砌混凝土用量，縮短施工工期。經(jīng)統(tǒng)計，該技術(shù)比常規(guī)光面爆破節(jié)省投資約150萬元/km，降低了施工成本，減少了能源消耗，有助于改善隧道工程技術(shù)人員及施工人員的工作環(huán)境。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=c527ece1-7add-4c05-b55d-6ee16c3f3981&CtgId=d0faad2d-fcf1-435f-ace9-358da57ba4b1 2014-12-02)

AnalysisonandMonitoringofInfluenceofBlastingVibrationofHighwayTunnelonAdjacentWaterConveyanceTunnel

LIU Tuo

(AnhuiExpresswayHoldingCorporation,Hefei230088,Anhui,China)

Mingtangshan tunnel on Yuexi-Wuhan highway crosses underneath a water conveyance tunnel of Grade II Hydro-power Plant on Henghe River.The minimum clearance between the water conveyance tunnel and the left highway tunnel tube and that between the water conveyance tunnel and the right highway tunnel tube are 12.4 m and 14.8 m respectively.The highway tunnel is located in Grade III surrounding rock of moderately-weathered granitic gneiss.In the paper,the influence of the blasting vibration of the highway tunnel on the water conveyance tunnel is simulated by means of 3D finite element model established by dynamic analysis software LS-DYNA.3 blasting vibration monitoring points are installed in the water conveyance tunnel,and comparison and contrast is made between the numerical calculation results and the measured data,so as to ensure the safety and stability of the water conveyance tunnel.The calculation results show that in homogeneous media,the vibration velocity of the particle attenuates as the distance from the particle to the explosion point increases; the vibration velocity of the water conveyance tunnel induced by the highway tunnel blasting shall be controlled below 5 cm/s; the influence of the highway tunnel blasting on the water conveyance tunnel at the arch foot is the most serious,followed by that at the side wall and that at the crown,with that at the haunch being the smallest.The measurement result agrees well with the calculation results; the vibration velocity reaches its peak quickly after blasting,attenuates quickly as time goes by,and dissipates after 500 ms.The study demonstrates that the blasting scheme and the explosives quantity adopted for the highway tunnel are rational,which have no obvious effect on the structural safety of the water conveyance tunnel.

highway tunnel; water conveyance tunnel; vibration influence; numerical analysis; site monitoring

2014-09-02;

2014-10-26

交通運輸部建設科技項目(2013318J02120)

劉拓(1966—)，男，安徽合肥人，2007年獲得合肥工業(yè)大學建筑與土木工程專業(yè)工程碩士學位，高級工程師，現(xiàn)從事高速公路項目建設管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.002

U 45

A

1672-741X(2014)12-1126-05