隧道明挖段拉槽爆破時既有隧道結構動力響應特性

隧道明挖段拉槽爆破時既有隧道結構動力響應特性

鄒新寬1, 張繼春1, 潘強1, 葛竟輝2

(1.西南交通大學土木工程學院, 成都610031; 2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海200092)

摘要：研究確定拉槽爆破開挖對既有隧道結構的影響特征是制定正確合理控制爆破方案的前提。為此，以雅山隧道明挖段巖體拉槽爆破開挖為背景，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場爆破試驗研究淺孔拉槽爆破時下部既有隧道結構的振動特性。數(shù)值模擬結果表明：在既有隧道上部進行淺孔拉槽爆破時，既有隧道襯砌各質點的豎向振動均明顯較水平振動強烈，對爆破振動控制起主要作用；距爆源較近一側隧道拱肩襯砌的質點豎向振速峰值為最大，且其隨單段起爆藥量增加而顯著增大；既有隧道襯砌上的豎向質點振速峰值與Von-Mises應力間呈明顯線性關系，當襯砌振速閾值設定為4.5cm/s時，既有隧道襯砌的動力安全系數(shù)為2.0?，F(xiàn)場試驗結果證明了利用數(shù)值模擬方法可有效指導拉槽爆破開挖和爆破振動測試方案的制定，并據(jù)實測振動數(shù)據(jù)回歸分析得到了可優(yōu)化設計拉槽爆破單段起爆藥量的計算公式。

關鍵詞：拉槽爆破；既有隧道；有限元分析；動力響應

中圖分類號:U451

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.032

Abstract:To investigate and determine the effect of open excavation blasting on the dynamic characteristics of an existing tunnel structure is a prerequisite for designing a scientific and reasonable controlling cutting blast scheme. Thus, in combination with the utilization of cutting blast in the open excavation segment of Yalimak tunnel being adjacent to the top of an existing small-distance tunnel, the vibration characteristics of the existing tunnel structure during blasting were investigated with numerical simulation and field tests. The numerical simulation results indicated that the vertical PPV(particle peak velocity) on the lining of the existing tunnel is higher than the horizontal PPV and plays a major role in blasting vibration control as the open excavation blasting is performed; the vertical PPV on the spandrel of the existing tunnel closer to the blasting source is the highest and increases obviously with increase in the detonation charge per segment; von-Mises stress on the existing tunnel approximately follows a linear relationship with the vertical PPV, the dynamic safety factor of the existing tunnel structure is 2.0 when the threshold value of the safety vibration velocity is 4.5cm/s. The field tests results showed that the numerical simulation method is correct and it can be utilized to guide the design of open excavation cutting blast and vibration measurement effectively. Moreover, the calculation formula used to determine and further optimize the detonation charge per segment was obtained by means of the regression analysis of the actual measured vibration data.

基金項目：浙江省自然科學基金(LY13A020004，LY13E050012)資助的課題 國家自然科學基金資助項目(51465012)；廣西壯族自治區(qū)自然科學基金資助項目(2012GXNSFAA05323，2013GXNSFAA019322) ； 四川省教育廳科研資助項目(13ZB0052) 河北省自然科學基金(A2009000997)

收稿日期：2014-06-17修改稿收到日期：2014-09-25 2014-07-30修改稿收到日期：2014-10-11 2014-07-09修改稿收到日期：2014-09-25

Dynamic response characteristics of an existing tunnel structure under cutting blast utilized in open excavation

ZOUXin-kuan1,ZHANGJi-chun1,PANQiang1,GEJing-hui2(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200092, China)

Key words:cutting blast; existing tunnel structure; finite element analysis; dynamic response

為滿足城市交通發(fā)展及節(jié)約土體的需要，常要求某些路塹、隧道等設施近距離平行或重疊既有地下結構進行開挖。巖體開挖不僅會再次改變地層結構，更為重要的是巖體采用爆破開挖時將可能造成鄰近既有地下結構發(fā)生振動損傷破壞。因此，在巖體工程總體開挖方案確定后必須制定合理的開挖爆破實施方案，以控制巖體爆破開挖對既有地下結構的振動危害，并獲取合理的施工進度。為預測及控制爆破振動對鄰近既有構筑物的影響，許多學者對此開展了大量研究工作，并主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①利用現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)對爆破地震波傳播規(guī)律進行分析，通過回歸得到適用于具體工程的爆破振動強度計算公式，進而提出優(yōu)化后的巖體爆破開挖措施的方法，達到對振動強度控制的目的[1-5];②利用數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)對爆破動力作用下既有構筑物的響應特征的研究，以便對既有結構易損部位進行保護加固[6-9]。前者爆破振動強度預測公式的建立是以獲取大量監(jiān)測數(shù)據(jù)為前提的，并不能做到真正意義上的事先預測。后者模擬過程中多對模型及爆破荷載等進行簡化，不能充分反映實際開挖爆破條件對既有隧道結構振動情況的影響。由此可知，單一的爆破振動預測方法尚無法對巖體爆破開挖方案的設計和實施提供切實可行的指導。為此，本文利用LS-DYNA3D自帶炸藥模型及JWL狀態(tài)方程，對隧道明挖段拉槽爆破開挖時近接下部既有隧道襯砌結構的動力響應進行了數(shù)值模擬，探討分析了既有隧道襯砌結構的動力響應規(guī)律和安全性。結合背景工程的現(xiàn)場爆破試驗和振動測試結果，驗證了數(shù)值分析結果的正確性，并依據(jù)薩道夫斯基公式回歸分析得到可用于指導隧道明挖段拉槽爆破開挖時單段起爆藥量的計算公式。

1工程概況及振動控制標準

位于烏魯木齊市西側雅瑪里克山脊中部新修雅山隧道，是“烏魯木齊市外環(huán)快速路擴容改建工程”的控制性工程。整條隧道全線長345m，包括：明挖段190m(起訖樁號：Y1K0+760～Y1K1+950)和暗挖段155m(起訖樁號：Y1K0+950～Y1K1+105)。線性及地形等因素決定整條隧道需全線近距離平行近接修筑于上世紀90年代的雅山小凈距隧道。明挖范圍內新修隧道結構與既有左線隧道和既有右線隧道的豎向凈距均為9.62m～11.54m，水平凈距分別為5.25m～5.45m和1.96m～2.16m。新修隧道明挖段開挖深度在23m范圍內，自開挖頂部1～5m內為強風化巖土體，下部至新、舊隧道主要穿越地層主要為中等風化泥灰?guī)r，屬較硬巖-堅硬巖，擬采用淺孔拉槽爆破方法對明挖隧道內巖體進行開挖。

既有隧道斷面為馬蹄形，高度為10.25m，寬度為7.03m。隧道整體采用復合式襯砌結構，其中二次襯砌材料為素混凝土，為上部巖體爆破開挖時需重點保護的支護結構。盡管該隧道按8級地震烈度設防，但通車10余年內經(jīng)歷過兩次地震，隧道支護結構已明顯的老化。因此，在充分考慮既有隧道襯砌實際情況條件下，借鑒已有類型工程成功案例并依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)的相關規(guī)定[10-11]，設定既有隧道二次襯砌的質點振速應控制在4.5cm/s內。

2爆破振動對既有隧道結構的影響分析

2.1計算模型及模擬工況

爆源與既有隧道結構距離較近時，兩者之間的距離將成為控制既有隧道的振動特性的關鍵因素。雅山隧道明挖段與既有隧道間的凈距最小僅11.47m，在進行拉槽爆破之前，必須合理確定單段起爆藥量，以確保既有隧道結構不會因振動過于強烈而發(fā)生破壞。

依據(jù)現(xiàn)場擬定拉槽爆破施工方法和條件，建立見圖1的拉槽爆破計算模型。數(shù)值計算模型中共布設4個水平拉槽炮孔，孔徑40mm、孔長2.5m，裝藥長度1.25m，單孔藥量為1.0kg，孔距為1.2m。4個水平拉槽炮孔與既有隧道的豎直距離為9.8m，最右側炮孔與明挖段右側開挖邊界的距離為0.6m。模型采用SOLID164單元分別劃分得到巖體單元204247個，襯砌單元9512個，炸藥單元5616個。為較為真實的反映各種材料的接觸狀態(tài)，巖體與炸藥之間設置為面-面滑動接觸，巖體與襯砌之間設置為面-面接觸模式。此外，為避免應力波在邊界位置發(fā)生發(fā)射，模型除頂面和既有隧道輪廓外，其余均設為無反射邊界條件。

圖1　拉槽爆破數(shù)值計算模型 Fig.1 Calculation model of cutting blast

拉槽爆破時既有隧道結構的振動與單段起爆藥量存在著密切的關系，故本文分別對上述4個炮孔采取以下3種起爆方式時的振動情況進行模擬：①工況1，炮孔分4段逐個起爆；②工況2，炮孔以2個為一段分兩段起爆；③工況3，4個炮孔同段起爆。各工況中的單段起爆時間間隔為25ms。

2.2材料模型及參數(shù)

雅山隧道的工程勘察資料顯示在新建隧道至既有隧道區(qū)域的圍巖以泥灰?guī)r為主，故模型中巖體簡化單一性質巖體，并采用可反映炸藥爆炸時其的彈塑性質、硬化效應和應變率變化效應等性質的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型進行模擬。根據(jù)所依托工程勘察資料及相關規(guī)范選取中等風化泥灰?guī)r物理力學參數(shù)見表1。

表1　中等風化泥灰?guī)r的物理力學參數(shù)

LS-DYNA3D中*MAT_BRITTLE_DAMAGE模型可較好的描述混凝土材料的脆性特征。既有隧道二次襯砌設計為C25素混凝土，考慮使用多年將混凝土標號降低為C20。同時依據(jù)文獻[12]，在強烈動力作用下混凝土動態(tài)彈性模量可較靜態(tài)彈性模量標準值提高30%。根據(jù)公路隧道設計規(guī)范[13]，襯砌材料主要物理力學參數(shù)見表2。

表2　C20襯砌混凝土的物理力學參數(shù)

模型中乳化炸藥爆炸過程采用高能炸藥材料及JWL狀態(tài)方程進行計算模擬。JWL狀態(tài)方程具體可表述為：

(1)

式中：A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；P為壓力；V為相對體積；E0是初始比內能。炸藥材料的主要輸入?yún)?shù)見表3。

表3　炸藥參數(shù)

2.4計算結果分析

模擬計算結果表明：隧道明挖段在右側底部邊界位置進行淺孔拉槽爆破時，因爆源距既有右線隧道相對較近，致使各工況中右線隧道襯砌各位置振速峰值約為既有隧道左線襯砌對應位置振速振速峰值的5倍～10倍。同時，根據(jù)圖2中既有右線隧道襯砌的振速峰值分布情況可知，右線隧道襯砌上各位置的豎向振速峰值隨著單段炮孔數(shù)目的增加(即單段起爆藥量增加)均出現(xiàn)不同幅度的增大。特別是在既有右線隧道迎爆側拱肩位置，因其距爆源位置最近，使得藥量增加對該部位襯砌振速峰值的影響最為顯著。

圖2　既有右側隧道襯砌豎向振動速度峰值分布圖 Fig.2 Distribution of peak vibration velocity at the right existing tunnel lining

為此，選取既有右線隧道迎爆側襯砌拱肩處192779號節(jié)點(見圖1)進行監(jiān)測，得到該節(jié)點在3種工況中的振速時程曲線見圖3。由圖3可知：工況1中，4個段別炸藥分別起爆后的節(jié)點水平振速峰值分別為0.85cm/s、0.88cm/s、1.10cm/s和1.08cm/s，豎向振速峰值分別為1.19cm/s、1.62cm/s、1.84cm/s和2.49cm/s；工況2中，2個段別炸藥分別起爆后節(jié)點水平振速峰值分別為1.71cm/s和2.16cm/s，豎向振速峰值分別為2.31cm/s和4.15cm/s；工況3中4個炮孔采用1個段別起爆后節(jié)點水平向和豎直向振速峰值分別為3.33cm/s和5.42cm/s。3種工況中監(jiān)測點的豎向振速峰值約為水平向振速峰值的1.35倍～2.30倍，說明垂向振速對爆破振動控制起主要作用。同時，提取3種工況中各段爆破時192779號節(jié)點出現(xiàn)豎向峰值振動速度時該節(jié)點所處位置襯砌單元的Von-Mises有效應力峰值，并將豎向振速峰值與有效應力間的關系示于圖4。

由圖4可知：既有隧道襯砌上的豎向振速峰值與有效應力之間呈明顯的線性關系。當既有隧道襯砌的質點豎向振速峰值達到4.5cm/s時，該位置有效應力值為0.75MPa，僅約為本工程中素混凝土襯砌抗拉強度標準值的0.5倍。這表明本工程設置的振速安全值可保障襯砌的動力安全系數(shù)達到2.0上。

比較3種模擬工況的計算結果可知：工況1和工況2中的既有隧道襯砌各質點振速峰值均小于振動控制標準值4.5cm/s，即，采用水平淺孔拉槽爆破對明挖段右側邊界位置進行開挖時的單段起爆藥量應控制在2.0kg內?？紤]到，在上部隧道施工時既有隧道仍然處于運營之中，振動測試儀器將不便于安置于迎爆側拱肩位置。針對這一現(xiàn)狀，為盡可能獲取接近最大峰值的測試值，現(xiàn)場振動測試時測振儀器將安置在迎爆側拱腰位置(距既有隧道底面高約2.0m)。各模擬工況中既有右側隧道迎爆側拱肩位置與拱腰處質點豎向振速峰值比分別為2.95、2.74和2.59，其平均比值約為2.8。據(jù)此，可確定既有隧道迎爆側拱腰處質點振速峰值宜控制在1.60cm/s內。

圖3 192779號節(jié)點振動速度時程Fig.3Thevelocity-timehistoryofNode192279圖4 豎向振速峰值與有效應力間的關系曲線Fig.4TherelationcurvebetweentheVon-Misesstress andtheverticalmaximumvibrationvelocityvalue

3現(xiàn)場爆破試驗及分析

為驗證數(shù)值模擬結果的正確性和進一步優(yōu)化隧道明挖段爆破開挖方案的制定，在背景工程Y1K0+760～ Y1K0+765區(qū)域內進行了2次巖體淺孔拉槽爆破開挖試驗和振動測試。爆破試驗中，炮孔的裝藥結構參數(shù)與數(shù)值模型中一致(炮孔深2.5m、裝藥長度1.25m、裝藥量1.0kg，孔距1.2m)，水平拉槽炮孔共計2排12個，排距約為1.2m，上排炮孔抵抗線約為1.3m，按同排2個相鄰炮孔為一段的方式進行起爆。為觀察上部開挖爆破對既有隧道襯砌的影響，采用裂縫末端劃線法對爆破影響區(qū)域內既有隧道襯砌既存裂縫的發(fā)展情況進行觀察。同時，在既有右線隧道迎爆側拱腰位置布設了振動測試點，對開挖爆破引起的既有隧道襯砌振動情況進行監(jiān)控。

爆破試驗后既存于既有隧道襯砌結構上的裂隙均無可見擴展發(fā)育情況出現(xiàn)。圖5為第1次試驗爆破時既有右線隧道迎爆側拱腰處振動測試點在水平向和豎直向的振速時程曲線。由圖5可觀察得到，實測質點振速波形與數(shù)值模擬工況2計算得到的振速時程曲線的形態(tài)上基本一直，可清晰判別出各段起爆后測點位置引起的振速波形，各段波形并未發(fā)生疊加，且各段爆破引起的振速峰值隨炮孔與測點距離的減小而略有增加。表4列出2次明挖爆破試驗中各段起爆時的振速峰值。由表4可知，各段別爆破時引起拱腰測點位置的豎向振速峰值均較水平振速略微偏大，這與模擬結果相同。此外，在爆破試驗中僅有第2次試驗中MS9段爆破引起的測點位置質點振速峰值1.65cm/s略微超過拱腰位置的振動控制值1.60cm/s。然而，由于第1次試驗爆破時炮孔距底面開挖輪廓的豎直距離約為2.7m，而第2次試驗爆破時炮孔距底面開挖輪廓僅0.2m，使得第2次爆破試驗得到的振速峰值均較第1次更大。上述結果表明，單段起爆藥量在2.0kg內可保證既有隧道襯砌處于安全狀態(tài)。

表4　爆破試驗中各段爆破時測點位置處的振速峰值

圖5　第1次爆破試驗時測點位置的振動速度時程曲線 Fig.5 The velocity-time history at measurement point for the 1 st blasting test

考慮到隧道明挖段的實際開挖深度平均約為15m，施工中若將淺孔拉槽爆破時單段起爆藥量均控制在2.0kg內進行開挖，勢必將對施工工期和造價的控制造成影響。在此，為指導優(yōu)化明挖隧道開挖爆破，結合薩道夫斯基公式對表4中爆破試驗測得各段爆破時的振速峰值進行回歸分析得到隧道明挖段拉槽爆破開挖時的單段起爆藥量與既有隧道襯砌結構上的質點振速關系式：

(2)

(3)

式中：v水平、v豎向分別為質點水平向和垂向峰值振速，cm/s；Qmax為最大單段起爆藥量，kg；R為測點至爆破中心的直線距離，m。

4結論

(1)數(shù)值模擬結果分析得到新建隧道明挖段拉槽爆破開挖時下部既有右線隧道迎爆側襯砌內側拱肩處的質點振速為最大，且在各模擬工況中豎向振速峰值約為水平振速峰值的1.35倍～2.30倍，對爆破振動控制起主要作用。

(2)豎向振速峰值與有效應力間具有明顯的線性關系，當襯砌質點振速閾值設定為4.5cm/s時，對應的有效應力值為0.75MPa。此時，既有隧道素混凝土襯砌結構的安全系數(shù)為2.0。結合淺孔槽爆破開挖工程實際及振動測點布置，既有右線隧道迎爆側拱腰處時，實測振速需控制在1.60cm/s內，便可確保既有隧道襯砌上各質點振速峰值控制在設定閾值內。

(3)現(xiàn)場爆破試驗結果驗證了模擬結果的正確性。依據(jù)實測振動數(shù)據(jù)回歸得到可用于優(yōu)化隧道明挖段動態(tài)淺孔拉槽爆破開挖的單段起爆藥量計算方法。

(4)數(shù)值研究與現(xiàn)場試驗研究均表明，以控制單段起爆藥量為基礎的水平淺孔拉槽爆破可有效降低爆破振動對臨近隧道結構的影響作用，提高明挖隧道施工效率且能大幅降低爆破成本，在明挖隧道施工中具有著重要的指導作用。

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