隧道穿越既有建筑物爆破施工影響及方案優(yōu)化

任永華

(貴州鐵路投資有限責任公司,貴州 貴陽 550000)

隧道開挖主要采用爆破的方式，爆破開挖容易引起爆破振動，可能導致周圍建筑物不同程度的破壞[1-4]，因此控制爆破振動是隧道工程施工中常遇到的難題，也是爆破工程界重要的研究課題。漆泰岳等[5]采用數值分析與現場檢測相結合的方式研究了地鐵隧道爆破開挖和機械開挖的不同振動效應。牛澤林等[6]根據現場試驗建立了大斷面淺埋隧道下穿既有建筑群爆破減振模型。張振等[7]采用數值模擬的方式對隧道下穿文物保護建筑的減振方式進行了研究。樊浩博等[8]采用數值模擬的方式對下穿村莊隧道爆破振動對地表建筑的影響進行了研究。姚勇等[9]采用數值模擬和現場試驗，結合坪鋪隧道對小凈距隧道控爆措施進行了研究。以上研究均對隧道控制爆破技術做出了有益的探索，但是對于隧道不同控爆開挖方案對建筑物影響的研究非常少，本文以在建地宗隧道為工程背景，采用數值模擬與現場試驗相結合的方法，對大斷面隧道3種控爆方案對建筑物的影響進行研究，為類似工程的隧道爆破設計提供借鑒。

1 隧道爆破設計

1.1 工程概況

地宗隧道位于安順西—六枝鐵路，全長 3 045 m，隧址區(qū)穿越構造低中山區(qū)，山體大致呈北西向展布，區(qū)內上覆第四系坡殘積黏土，下覆基巖為灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾泥灰?guī)r，深灰色夾肉紅色，隱晶質結構，中厚層狀構造，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，有方解石填充，可見溶洞?；?guī)r、白云巖強化巖體較完整，屬于V次堅石AB組填料，弱風化泥灰?guī)r屬于Ⅳ級軟巖。本隧道下穿茶山村山區(qū)，在隧道DK42+155—DK42+215標段附近存在建筑民房，具體建筑物與隧道平面關系如圖1所示。

圖1 建筑物與隧道平面關系

該標段隧道開挖斷面高12.6 m，寬15.4 m，圍巖級別Ⅳ級，建筑物距隧道水平距離為5～10 m，距隧道拱頂垂向距離為35～40 m。房屋以1～3層為主，為磚混結構住宅、石灰粉煤灰砌塊石結構，底層為石灰粉煤灰砌塊石。以上房屋均為條形基礎，房屋的結構很不堅固，抗震能力較差。設計單循環(huán)進尺為2 m，為了避免給地表建筑物和隧道圍巖造成較大損傷，必須采取控制振動爆破。

1.2 控振爆破設計

根據上述爆破設計原則，設計了3種控爆方案。方案1(如圖2(a)所示)為兩臺階導洞先行爆破，Ⅰ區(qū)炮孔先行爆炸，Ⅱ區(qū)起爆網絡與Ⅰ區(qū)之間采用MS-3號雷管連接，Ⅱ區(qū)炮孔在Ⅰ區(qū)爆破完成后100 ms后爆破。方案2(如圖2(b)所示)為三臺階爆破方案。方案3(如圖2(c)所示)為兩臺階分幅爆破，Ⅰ區(qū)炮孔先行爆炸，Ⅱ區(qū)起爆網絡與Ⅰ區(qū)之間采用MS-3號雷管連接，Ⅱ區(qū)炮孔在Ⅰ區(qū)爆破完成后100 ms后爆破。爆破炸藥量如表1所示。

圖2 3種爆破方案

表1 3種爆破方案各段位炸藥量

2 爆破振動數值模擬及現場測試

2.1 考慮微差爆破荷載時程曲線計算

炸藥瞬時爆炸時產生巨大的爆轟壓力瞬時作用在巖石上，爆轟壓力使得5倍炮孔直徑左右區(qū)域的巖石壓碎，并形成沖擊波。當沖擊波傳播到距爆源10～15倍炮孔半徑時已逐步衰減為壓縮應力波。隨后壓縮應力波使得巖石產生裂縫發(fā)生破裂，壓縮應力波傳播至距爆源120～150倍炮孔半徑時衰減為地震波，此時地震波強度較小不能引起巖石的破裂，只能引起巖石彈性振動，當地震波傳遞至地面建筑物時，會引起建筑物的振動，導致建筑物破壞[11]。

根據凝聚炸藥爆轟波Chapman-Jouguet理論，對于不耦合的裝藥結構，單炮孔爆破荷載峰值P可按下式計算[12-13]。

(1)

式中：ρe,D分別代表炸藥的密度和爆轟速度;r1為裝藥半徑;r0為炮孔半徑；le為藥柱總長度；lb為炮孔深度；n為轟爆壓力增大系數，通常n取8～11;γ為等熵指數。當ρe<1.2 g/cm3時γ=2.1，當ρe≥1.2 g/cm3時γ=3。

根據圣維南原理，確定同段位炮孔等效爆破荷載峰值，并將計算得到的等效爆破荷載施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面上[14-15]。此時，群孔起爆等效爆破荷載峰值壓力Pb計算公式為

Pb=(2r0/a)P0

(2)

式中：a為炮孔間距；P0為單個炮孔的峰值壓力。

爆破荷載在巖體中的衰減規(guī)律[16]滿足

(3)

式中：P為炮孔壁上的爆破荷載；R為與裝藥中心的距離;α為荷載傳播衰減指數。在沖擊波作用區(qū)α=2+μ/(1-μ)，在應力波作用區(qū)α=2-μ/(1-μ)，μ為巖石的泊松比。

爆破荷載的升壓時間tr和降壓時間ts與裝藥量、巖石力學性質、炸藥距炮孔壁的距離等因素有關?？煞謩e根據以下經驗公式[11]計算。

(4)

(5)

式中：r為對比距離，r=R/r0；K為巖石體積壓縮模量,kg/cm2。

根據式(1)和式(2)可計算得到同段位群孔起爆等效爆破荷載峰值，根據式(3)計算得到衰減至隧道開挖輪廓的荷載，根據式(4)和式(5)計算得到爆破荷載的升壓時間和降壓時間，結合使用雷管延時時間確定爆破荷載時程曲線。采用上述方法計算3個爆破方案荷載時程曲線。方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載時程曲線如圖3所示。

圖3 方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載時程曲線

2.2 建立模型

本隧道爆破模擬采用有限元軟件MIDAS/GTS NX，巖體本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。根據現場建筑物與隧道位置關系建立模型，隧道拱頂垂向距離建筑物32 m，建筑物位于隧道正上方。所建數值模型為100 m(長)×71 m(寬)×50 m(高)。土層簡化為5 m厚人工堆積土和45 m厚強風化灰?guī)r，如圖4所示。模型計算參數如表2所示。以黏性阻尼邊界定義邊界條件模擬地形概貌。

圖4 數值模型

表2 模型計算參數

由于下臺階爆破時上臺階已經為其創(chuàng)造了第二臨空面，因此隧道上臺階爆破引起的振動強度遠大于下臺階。本次爆破模擬主要考慮上臺階爆破對建筑物的影響。假定爆破荷載以均布荷載作用于隧道壁上，作用方向為法線方向。為盡可能地模擬實際爆破過程，方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載加載在爆破輪廓面上，Ⅱ區(qū)荷載加載在隧道輪廓面上；方案2爆破荷載加載在上臺階爆破輪廓面上;方案3的Ⅰ區(qū)爆破荷載加載在右邊爆破輪廓面上，Ⅱ區(qū)荷載加載在左側爆破輪廓面上。采用彈性邊界進行特征值分析，為避免波的反射作用產生較大誤差，采用黏性邊界條件進行時程分析。共進行了5次爆破模擬。

2.3 計算結果分析

根據模擬計算提取距離隧道最近的測點(參見圖4)合速度時程曲線。3種爆破方案合速度時程曲線見圖5—圖7。方案1Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破引起的測點合速度最大值分別為0.657，0.774 cm/s；方案2上臺階引起的測點合速度最大值為1.357 cm/s；方案3Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破引起的測點合速度最大值分別為0.732，0.577 cm/s。表明3種爆破方案均能滿足控振要求，方案1和方案3能夠引起的振動較小，控振效果更好。

圖5 方案1各區(qū)合速度時程曲線

圖6 方案2合速度時程曲線

圖7 方案3各區(qū)合速度時程曲線

方案1Ⅰ區(qū)爆破引起的振動小于Ⅱ區(qū)、方案2上臺階、方案3Ⅰ區(qū)，主要由于方案1Ⅰ區(qū)炸藥量小于上述其他爆破區(qū)，且方案1Ⅰ區(qū)位于整個隧道的中下方，距離建筑物較遠，因此引起的振動較小。方案3Ⅱ區(qū)爆破引起的振動小于方案1Ⅱ區(qū)，主要由于方案3Ⅱ區(qū)爆破體積較小，炸藥量較少，爆破在1 s(Ms-15延時時間為0.88 s)內完成，爆破最大振動速度均在1 s之內出現，1 s之后振動速度迅速衰減。

根據模擬結果提取測點三方向振動速度，如表3所示，爆破方案1Ⅰ區(qū)各方向振動速度時程曲線如圖8所示。由圖8和表3可見：水平方向振動速度遠小于垂向振動速度，且水平方向振動速度變化幅度較小，因此在實際檢測過程中注意垂向速度變化，可將垂向速度作為安全判據。

表3 三方向振動速度

圖8 方案1Ⅰ區(qū)各方向振動速度里程曲線

2.4 現場試驗及分析

根據數值模擬分析，方案1和方案3均能實現較好的控振效果，但方案3Ⅱ區(qū)爆破會對Ⅰ區(qū)圍巖產生二次損傷，因此現場采用方案1進行爆破掘進。采用成都中科測控有限公司生產的增強性TC-4850爆破測振儀進行振動監(jiān)測。該測振儀具有精度高、適用性強等特點，可測得3個方向的速度。監(jiān)測點與數值模擬位置一致。典型合速度時程曲線如圖9(a)所示,典型水平橫向和垂向速度時程曲線如圖9(b)、圖9(c)所示。圖9中出現了2次較大的波峰，峰值分別為0.981,0.906 cm/s。表明方案1Ⅰ和Ⅱ區(qū)延時爆破達到了很好的分區(qū)爆破效果，實現了控振的目標，且Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破中多次出現波峰和波谷，表明微差爆破能夠起到錯峰作用，實現能量的分散。

圖9 實測時程曲線

對比分析圖9(b)和圖9(c)可得:爆破引起的垂向速度遠大于水平速度，垂向振動頻率大于水平振動頻率。對比合速度和分速度時程曲線，兩者基本趨勢一致，均在爆破較早便出現了較大振動，最大振動速度在1 s內出現，1 s后振動速度迅速衰減。由于模擬中對模型和荷載進行了簡化，實際爆破中地質條件和爆破荷載傳播更為復雜，因此模擬所得水平橫向速度、垂向速度較實測振動速度分別小33.0%和14.6%，模擬所得振動曲線波谷波峰較為稀疏，但是從整體上反映了爆破振動規(guī)律。

3 結論

1)采用延時雷管分段爆破原理設計的導洞先行爆破和左右分幅爆破能夠達到分區(qū)延時爆破效果，有效地控制爆破振動。較左右分幅爆破，導洞先行法第一次爆破距離建筑物較遠，產生的爆破振動較小。

2)爆破引起的水平方向振動速度遠小于垂向振動速度，且水平方向振動速度變化幅度較小，因此在監(jiān)測過程中注意垂向速度變化，可以垂向速度作為安全判據。

3)爆破采用國產第一系列雷管(最高15段)，最大振動速度在1 s內出現，1 s后振動速度迅速衰減，微差爆破能夠起到錯峰作用，實現能量的分散。

4)模擬所得水平橫向速度、垂向速度較實測振動速度分別小33.0%和14.6%。主要由于實際爆破中地質條件和爆破荷載傳播更為復雜，但整體上反映了爆破振動規(guī)律。在數值模擬中采用考慮了微差爆破荷載時程曲線，能夠得到爆破振動規(guī)律，從而提前預測爆破對建筑的影響。

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