城市淺埋小凈距隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

徐世祥 韋漢 于建新 王帥帥 代義昌

摘 ?要：以福州軌道交通2號(hào)線洋里站南端區(qū)間隧道為工程背景，當(dāng)右線隧道開挖至50m，左線隧道開挖至25m時(shí)，通過有限元分析軟件Ls-dyna建立三維隧道計(jì)算模型，分析左線隧道爆破開挖對(duì)右線隧道的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：當(dāng)最大齊發(fā)藥量為2kg，左線隧道爆破開挖對(duì)右線隧道產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為1.28MPa，最大壓應(yīng)力為2.73MPa，最大壓應(yīng)力滯后于最大拉應(yīng)力產(chǎn)生;右線迎爆側(cè)拱腰部位處的最大振速值為33.0cm/s，對(duì)右線隧道造成的影響較大;現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果比較接近，距離爆源最近的振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向振速最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速隨掌子面距離逐漸減小。

關(guān)鍵詞：小凈距 ?爆破施工 ?襯砌應(yīng)力 ?振速 ?數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（b）-0039-05

Abstract： Taking the tunnel at the southern end of Yangli Station of Fuzhou Rail Transit Line 2 as the engineering background， when the right tunnel is excavated to 50m and the left tunnel is excavated to 25m， the three-dimensional tunnel calculation model is established by the finite element analysis software Ls-dyna. The impact of the blasting excavation of the left-line tunnel on the right-line tunnel is verified with the on-site monitoring data. The results show that when the maximum flushing dose is 2kg， the maximum tensile stress generated by the blasting excavation of the left-line tunnel to the right-line tunnel is 1.28MPa， the maximum compressive stress is 2.73MPa， and the maximum compressive stress lags behind the maximum tensile stress; The maximum vibration velocity at the side of the side arch is 33.0cm/s， which has a great impact on the right-line tunnel. The results of the on-site blasting vibration monitoring are close to the simulation results， and the vibration monitoring points near the source are vibrated in all directions. The speed is the largest， and the vibration speed of the monitoring point gradually decreases with the distance of the face.

Key Words： Small clearance; Blasting construction; Lining stress; Vibration velocity; Numerical simulation

小凈距隧道是在特定地形條件下修建隧道的理想選擇之一，其優(yōu)點(diǎn)明顯，在隧道建設(shè)中發(fā)揮了積極作用。目前我國小凈距隧道施工大多采用的是鉆爆法施工，當(dāng)間距過小時(shí)，爆破開挖會(huì)對(duì)先建隧道造成一定的擾動(dòng)，影響已建隧道結(jié)構(gòu)的安全[1]。因此，小凈距隧道后建隧道對(duì)先建隧道之間相互影響問題的研究就顯得尤為重要。鑒于數(shù)值模擬分析獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等手段對(duì)小凈距隧道合理凈距、隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)分析、施工方法優(yōu)化、安全爆破控制方法等進(jìn)行了大量的研究工作[2-14]，取得了一定的研究成果，但目前總體還缺乏較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等經(jīng)驗(yàn)。

福州軌道交通2號(hào)線工程礦山法段兩隧道為小凈距隧道，埋深淺，地層復(fù)雜，區(qū)間隧道下穿和側(cè)穿福馬路、涵洞、古藏萬一禪師簡(jiǎn)易房、乾達(dá)婆王廟、福馬路路堤下民房等多處建構(gòu)筑物，距離均在20m以內(nèi)，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，如何將振動(dòng)控制在有效范圍內(nèi)，保證近鄰既有結(jié)構(gòu)、設(shè)施和左右洞的安全，優(yōu)化施工組織，實(shí)現(xiàn)安全快速施工，是該工程亟需解決的工程技術(shù)和現(xiàn)實(shí)難題。因此，開展該工程相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊應(yīng)用前景。該文結(jié)合福州2號(hào)線十標(biāo)礦山法段隧道工程，利用 ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件，主要針對(duì)后行修建隧道爆破開挖對(duì)先行修建隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 ?工程概況

福州軌道交通2號(hào)線工程洋里站南端礦山法段，隧道左線長71.934m，隧道右線長73.251m。兩隧道凈距僅1.6～3.5m，屬小凈距隧道，雙洞爆破施工時(shí)相互影響程度較高。隧道覆土厚度約9.0～11.2m，相對(duì)較淺，圍巖級(jí)別為Ⅵ～Ⅴ，又存在軟弱土巖交界面。區(qū)間隧道下穿和側(cè)穿多處建（構(gòu)）筑物，隧道距離既有建（構(gòu)）筑物最近處僅4.7m。

福州地鐵2號(hào)線十標(biāo)段隧道開挖方式主要采用鉆爆法，軟弱圍巖段也可采用機(jī)械開挖或人工開挖。開挖方法根據(jù)圍巖級(jí)別和隧道埋深情況分別采用全斷面開挖法、上下臺(tái)階法施工。施工時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制每循環(huán)開挖進(jìn)尺的長度，一般進(jìn)尺不得大于3m，采用上下臺(tái)階法開挖施工，其中上臺(tái)階最大齊發(fā)藥量為2kg（掏槽1段、周邊13及15段），下臺(tái)階最大齊發(fā)藥量為2kg（7段及11段）。

2 ?有限元模型的建立

2.1 計(jì)算工況說明

隧道右線為先行隧道，當(dāng)右線隧道開挖至50m時(shí)，左線隧道開挖至25m，兩隧洞相對(duì)位置如圖1所示。

根據(jù)斷面及圖解法進(jìn)行布孔，洞口斷面圖見圖2，上臺(tái)階炮孔布置圖所圖3和表1所示，分析可知，掏槽1段為最大齊發(fā)段，且其臨空面少，巖石的夾制作用比較大，其產(chǎn)生的振動(dòng)影響最大，單段最大藥量為2.0kg，故數(shù)值模型重點(diǎn)關(guān)注掏槽1段對(duì)右線隧道影響。為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬分析的復(fù)雜性，將多孔掏槽簡(jiǎn)化為單孔掏槽模擬，但掏槽總藥量不變。

2.2 模型尺寸及邊界條件

隧道開挖輪廓水平最大開挖寬度7.1m，高8.4m，隧道斷面為五心圓斷面。為減少模型邊界反射作用的影響，模型左右邊界各取斷面的兩倍寬度，下邊界為模型的一倍高度，上表面距離為實(shí)際地面至隧道拱頂距離，炮孔掌子面為實(shí)際開挖斷面，即隧道埋深9.0m，右洞已先行開挖50m，左洞上臺(tái)階開挖25m，下臺(tái)階開挖20m，模型尺寸約為42200mm×50000mm×25400mm。上表面取自由邊界，其他表面設(shè)為無反射邊界。實(shí)體模型見圖4以及劃分網(wǎng)格如圖5所示，其中網(wǎng)格劃分約為82萬個(gè)單元。

2.3 材料參數(shù)的選取

該模型中炸藥、混凝土襯砌和巖石均采用Langrange單元，共節(jié)點(diǎn)算法。炸藥選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及*EOS_JWL狀態(tài)方程，襯砌采用MAT_ELASTIC，巖石采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。炸藥材料參數(shù)如表2所示，襯砌及巖石參數(shù)如表3所示。

3 ?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 襯砌單元應(yīng)力分析

重點(diǎn)分析了爆炸開始后襯砌不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖，從圖6可以看出，1.2ms時(shí)襯砌拉應(yīng)力達(dá)到最大值為1.28MPa，最大拉應(yīng)力發(fā)生在靠近左線拱腰部位。隨后最大拉應(yīng)力逐漸減小，且最大拉應(yīng)力逐漸向拱肩拱頂移動(dòng)，但值得說明的是，最大拉應(yīng)力在減小的過程中出現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)。最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力不是發(fā)生在同一時(shí)刻，最大壓應(yīng)力滯后于最大拉應(yīng)力，其最大值為2.73MPa，同樣發(fā)生在靠近左線拱腰部位。

3.2 右線隧道測(cè)點(diǎn)振速分析

由于實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于下臺(tái)階半拱腰處，為對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在右線隧道對(duì)應(yīng)開挖掌子面前后沿縱向選下臺(tái)階拱腰取5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系如圖7所示。

各測(cè)點(diǎn)各個(gè)方向振速圖如圖8至圖10所示。分析可知，各向最大振速并不是發(fā)生在同一時(shí)刻，但各項(xiàng)最大振速發(fā)生在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)上。徑向、切向和縱向最大振速分別為33.0cm/s、21.0cm/s、32.0cm/s，其中徑向振速最大，縱向振速次之，切向振速較小。各向振速出現(xiàn)最大值之后呈衰減趨勢(shì)，由于只研究掏槽孔的爆破，所以振速圖并未出現(xiàn)振速疊加的現(xiàn)象。對(duì)于同一方向振速，離爆源最近的測(cè)點(diǎn)振速最大，沿著前后兩側(cè)振速最大值逐漸衰減，可見振速的傳播符合薩道夫斯基公式的傳播規(guī)律。

4 ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為了真實(shí)反映后行隧道爆破施工對(duì)先行隧道的影響程度，同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，主要監(jiān)測(cè)先行隧道迎爆側(cè)振速及混凝土初襯應(yīng)變，振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)按5m間距依次布置在先行隧道迎爆側(cè)隧道拱腰上，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示，測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖12所示。

襯砌應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置在振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)旁，測(cè)點(diǎn)編號(hào)與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)一致，應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司的高性能動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)DH8302，如圖13、圖14所示。

4.2 振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

隧道右線先行開挖50m，左線上臺(tái)階開挖25m，下臺(tái)階開挖20m時(shí)進(jìn)行左線爆破施工，得到右線隧道迎爆側(cè)拱腰上振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表4。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果比較接近，距離爆源最近的振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)速度最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速隨掌子面距離逐漸減小，掌子面后方振速衰減比掌子面前方要快。

4.3 襯砌應(yīng)力分析

左線隧道爆破施工得到右線隧道迎爆側(cè)拱腰附近襯砌應(yīng)力峰值見表5。

結(jié)果表明，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果比較接近，距離爆源最近的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力最大，最大拉、壓應(yīng)力隨掌子面距離逐漸減小。

5 ?結(jié)論

該文分別對(duì)右線隧道襯砌的應(yīng)力和右線隧道振速進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，評(píng)價(jià)左線爆破開挖對(duì)右線隧道的影響。

（1）爆破開始后1.2ms時(shí)刻對(duì)右線隧道產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為1.28MPa，最大壓應(yīng)力滯后于最大拉應(yīng)力，其最大值為2.73MPa，初襯混凝土的抗拉強(qiáng)度比較低，該范圍將可能產(chǎn)生隧道既有初襯結(jié)構(gòu)受拉破壞，故最大齊發(fā)藥量應(yīng)小于2kg為宜。

（2）右線迎爆側(cè)對(duì)應(yīng)開挖掌子面處的最大振速值為33.0cm/s，對(duì)先行隧道影響較大，應(yīng)減少藥量或減小一次開挖進(jìn)尺，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果比較接近，距離爆源最近的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大、振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)速度最大，最大應(yīng)力以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速隨掌子面距離逐漸減小。

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