兩相鄰引水隧洞爆破振動(dòng)影響分析

李卿

摘 要：在相鄰隧洞的施工過(guò)程中，一條隧洞的爆破施工會(huì)對(duì)既有隧洞造成不良的影響。通過(guò)理論計(jì)算和模擬仿真分析，確定合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保既有隧洞的運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：相鄰隧洞；爆破振動(dòng)；影響分析；運(yùn)營(yíng)安全

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.105

1 工程概況

1.1 工程概述

本工程為菲律賓馬尼拉擬建的一條引水隧洞（Tunnel 4），新建的引水隧洞與IPO水庫(kù)至Bigte水池之間已經(jīng)有的3條引水隧洞平行，且與第一條引水隧洞（Tunnel 1）緊鄰，二者距離約25 m。

新設(shè)計(jì)的4號(hào)隧洞全長(zhǎng)6 386 m，進(jìn)口高程96.7 m，出口高程92.3 m，斷面為城門(mén)洞型，底寬3.6 m，凈高4.1 m，襯砌厚度250 mm，隧道的平均埋置深度在100～150 m之間，最深處達(dá)到200 m，新建4#隧洞洞底板高程比現(xiàn)有1#隧洞洞底板高8.0 m。

目前，正在運(yùn)行的1號(hào)隧洞全長(zhǎng)6 256 m，進(jìn)口高程86.802 m，出口高程84.226 m，斷面為城門(mén)洞型，底寬2 m，凈高2.1 m，襯砌厚度200 mm，于1977年建成。

鑒于1#、4#隧洞距離比較近，為了避免新建隧洞爆破振動(dòng)影響既有隧洞，確保1#隧洞的運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)我國(guó)的水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范，水工隧洞的爆破安全允許振動(dòng)速度為50 mm/s。但是，在投標(biāo)前，菲律賓方提出補(bǔ)遺，對(duì)施工過(guò)程中爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)提出了更嚴(yán)格的要求，即爆破過(guò)程中既有隧洞的振動(dòng)速度必須控制在25 mm/s以內(nèi)。為此，需驗(yàn)證原設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)是否滿足要求。

1.2 隧洞的相關(guān)水文地質(zhì)資料

根據(jù)工程相關(guān)的水文地質(zhì)資料，隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)擬采用的施工工法

隧洞開(kāi)挖按照新奧法原理組織施工，Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖地段采用全斷面法，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺2 m，Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖地段采用臺(tái)階法施工，循環(huán)進(jìn)尺為0.5～1.2 m為宜。

1.4 圍巖爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

炮眼布置和裝藥量：采用楔形掏槽方式布眼，共布置炮眼58個(gè)，炮眼深度2.4 m，總裝藥53.3 kg。

在施工過(guò)程中，為了滿足菲方提出的爆破振動(dòng)控制基準(zhǔn)（振速V≤25 mm/s），根據(jù)巖體性狀和圍巖條件設(shè)計(jì)了爆破參數(shù)，具體如表2所示。

2 單段最大段藥量的理論分析

在爆破施工中，薩道夫斯基法具有明確的物理意義，應(yīng)用方便、快捷，可為爆破設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，它至今仍是爆破工程中應(yīng)用率最高的方法。因此，此次單段最大炸藥量的理論分析也借助于此法進(jìn)行初步計(jì)算。

所謂“薩道夫斯基法”，即以傳統(tǒng)的爆破振動(dòng)速度衰減公式——薩道夫斯基公式為基礎(chǔ)，給出爆破振動(dòng)速度隨炸藥量、爆心距等因素的定量關(guān)系。

2.1 薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式和關(guān)鍵參數(shù)取值

在爆破工程中，爆破振動(dòng)衰減規(guī)律主要是通過(guò)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值與裝藥量和爆心距的變化關(guān)系來(lái)反映的。一般情況下，振動(dòng)速度幅值是隨炸藥量的增加而增加的，隨爆心距的增加而減小。這一規(guī)律可通過(guò)工程中常用的薩道夫斯基公式定量描述，即：

式（2）中：Qmax為單段最大裝藥量，kg；Rmin為測(cè)點(diǎn)與爆破位置間最小距離，m（本工程中約為25 m）；K為場(chǎng)地系數(shù)；α為衰減系數(shù)。

式（2）中關(guān)鍵參數(shù)K和α的取值如表3所示。

由于本工程洞室所穿越的圍巖跨越Ⅱ～Ⅴ類(lèi)四個(gè)等級(jí)，所以，理論分析時(shí)，針對(duì)不同的圍巖類(lèi)別，應(yīng)結(jié)合引水隧洞穿越的具體地質(zhì)情況選取不同的K值和α值，具體情況如表4所示（需要說(shuō)明的是，考慮到工程中巖質(zhì)條件比較好，所以，Ⅱ，Ⅲ類(lèi)圍巖取值時(shí)，分別按堅(jiān)硬巖石、中堅(jiān)硬巖石的偏小值選取；考慮到Ⅳ類(lèi)圍巖巖體性狀比Ⅱ，Ⅲ類(lèi)圍巖要差，但又好于Ⅴ類(lèi)圍巖，所以，取值時(shí)，按中堅(jiān)硬巖石與軟巖石的臨界值選??；Ⅴ類(lèi)圍巖因巖體性狀較差，所以，取值時(shí)按軟巖石的中間值選取）。

2.2 各級(jí)圍巖單段最大藥量計(jì)算

利用式（2）獲取各類(lèi)圍巖下單段最大段藥量為：Ⅱ級(jí)圍巖10.69 kg，Ⅲ級(jí)圍巖8.19 kg，Ⅳ級(jí)圍巖8.16 kg，Ⅴ級(jí)圍巖9.16 kg。由計(jì)算可知，理論計(jì)算的各類(lèi)圍巖下單段最大裝藥量均大于爆破設(shè)計(jì)中的掏槽眼單段最大藥量，所以，判斷爆破設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。

3 爆破施工對(duì)既有隧洞動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立說(shuō)明

根據(jù)1#、4#引水隧洞二者間的相對(duì)位置關(guān)系建立二維數(shù)值仿真模型，模型依據(jù)隧洞的實(shí)際尺寸建立，地表依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際埋深考慮（約150 m）。考慮到本工程以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，基本采用全斷面法施工，且由于全斷面施工開(kāi)挖面積最大，誘發(fā)的振動(dòng)影響也最為劇烈，所以，數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，以Ⅲ類(lèi)圍巖施工爆破作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

在數(shù)值仿真模型中，巖體物理力學(xué)參數(shù)的取值按照表1中Ⅲ類(lèi)圍巖選取。數(shù)值分析計(jì)算爆破對(duì)既有隧洞產(chǎn)生的水平x方向振速Vx和豎直y方向振速Vy。

3.2 振動(dòng)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的選取

為了獲得爆破施工過(guò)程中1#引水隧洞的振動(dòng)速度，特在拱頂、拱腰、拱腳、邊墻、底板等典型部位布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，為了分析爆破振動(dòng)速度在1#、4#隧洞間地層中的傳播規(guī)律，獲取質(zhì)點(diǎn)振速與震源距離關(guān)系曲線，在相鄰兩隧洞的邊墻上布置測(cè)線進(jìn)行模擬爆破監(jiān)控和分析。

3.3 爆破沖擊荷載確定

在數(shù)值仿真分析時(shí)，爆破的模擬是在新建隧洞上施加爆破沖擊荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其大小和位置是由爆破設(shè)計(jì)資料中掏槽孔等位置綜合考慮而得。

在隧洞開(kāi)展爆破施工的過(guò)程中，由于第一段位炸藥爆破是在基于一個(gè)臨空面的條件下進(jìn)行的，所以，能量損失比較小，而后續(xù)爆破時(shí)臨空面比較多。與第一段位炸藥相比，能量損比失較大。一般情況下，第一段位炸藥爆破作用在圍巖上的能量是最大的，產(chǎn)生的地震波效應(yīng)也是最大的。因此，本次數(shù)值模擬時(shí)，主要模擬掏槽孔在設(shè)計(jì)段藥量下爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)既有1#隧洞的影響。

根據(jù)爆破振動(dòng)理論分析，炸藥引發(fā)的荷載可簡(jiǎn)化為圖1所示的荷載曲線。依據(jù)表2的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，爆破沖擊荷載的確定過(guò)程如下。

在確定爆破峰值荷載時(shí)，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求解而得。依據(jù)Hsinyu low，Hong hao對(duì)現(xiàn)有眾多爆破荷載峰值公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，如圖2所示，爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax（作用在開(kāi)挖邊界）可采用經(jīng)驗(yàn)公式求解，即：

根據(jù)式（3）和式（4）估算Ⅲ類(lèi)圍巖采用全斷面工法開(kāi)挖時(shí)掏槽爆破荷載峰值，進(jìn)尺2 m左右，掏槽眼單段最大炸藥量據(jù)表3可知為7.8 kg，R*采用等效面積法，近似取1 m，進(jìn)而得到Z為0.507，爆破荷載峰值Pmax為20.4 MPa。

3.4 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算過(guò)程中獲取1#既有水工隧洞各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振速如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

經(jīng)過(guò)相關(guān)分析總結(jié)如下：①1#既有隧洞在4#隧洞爆破施工過(guò)程中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大振速始終處于25 mm/s以下，其中，右拱腰和右邊墻相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)測(cè)到的最大水平振速Vx略大，達(dá)到18 mm/s，但是，仍在25 mm/s的要求線之下，因此，整體處于安全狀態(tài)。②將最大水平振速與最大豎向振速合成后，獲得最大測(cè)點(diǎn)振速如圖5所示（需要說(shuō)明的是，水平振速與豎向振速并不一定會(huì)同時(shí)達(dá)到最大，因此，本計(jì)算偏于安全）。從圖中可以看出，合成后，最大振速為23 mm/s，仍處于25 mm/s的控制線之下，因此，符合安全控制基準(zhǔn)要求。③從圖6中可以看出，在距離震源10 m之內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)振速隨距離的增大衰減速度十分快，但是，當(dāng)其超過(guò)10 m以后，質(zhì)點(diǎn)的振速衰減逐漸趨緩。以25 mm/s為控制線，可得在距離震源16 m開(kāi)外時(shí)，所得到的質(zhì)點(diǎn)振速都符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于薩道夫斯基公式計(jì)算出的各類(lèi)圍巖下單段最大藥量均大于爆破設(shè)計(jì)中的掏槽眼單段最大藥量，所以，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。

爆破設(shè)計(jì)參數(shù)滿足安全控制基準(zhǔn)的要求，所以，可以按照此參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工。

在數(shù)值仿真和理論分析過(guò)程中作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，同時(shí)，現(xiàn)有的地勘資料并不能全面反映1#、4#引水隧洞的實(shí)際巖體狀況，所以，上述分析僅可作為前期施工參考。在施工過(guò)程中，應(yīng)編制詳細(xì)的爆破振動(dòng)監(jiān)控技術(shù)方案，并依據(jù)施工進(jìn)度同步監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)的情況，及時(shí)與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，適時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以確保工程安全。

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〔編輯：白潔〕