頻繁爆破條件下既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

李紅澤

（中鐵十九局集團(tuán)工程檢測有限公司 遼寧遼陽 111000）

1 引言

受地形地貌、線路選線、交通量趨于飽和等因素制約，越來越多的新建隧道施工鄰近既有隧道或其他結(jié)構(gòu)物［1－4］。新建隧道的爆破開挖不可避免地改變鄰近既有隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、受力模式，甚至是薄弱支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性和受力平衡，造成既有隧道承載能力降低、二襯脫落，乃至坍塌等不利影響［5－6］。尤其是鄰近既有隧道采用多導(dǎo)洞分步開挖的大斷面隧道，推進(jìn)式、往復(fù)、多次的頻繁爆破中，爆炸荷載造成既有隧道的這種負(fù)面效應(yīng)更為顯著。為確保鄰近隧道支護(hù)體系的安全穩(wěn)定，必須采取有效措施減少上述負(fù)面效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響。新建大斷面隧道爆破導(dǎo)致鄰近既有隧道的振動(dòng)效應(yīng)及評(píng)價(jià)是一個(gè)重要課題。文獻(xiàn)［7］研究了導(dǎo)流洞爆破引起的振動(dòng)對(duì)鄰近鐵路隧道的影響，揭示了爆破振動(dòng)與藥量、爆炸源的關(guān)系，優(yōu)化了導(dǎo)流洞的爆破參數(shù)。文獻(xiàn)［8］通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究了爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道的影響，揭示了襯砌的振動(dòng)速度，并基于爆炸位置、隧道深度和炸藥量的參數(shù)研究，提出了爆破防護(hù)區(qū)的指導(dǎo)原則。文獻(xiàn)［9］提出小凈距隧道先行洞迎爆側(cè)振速值明顯大于背爆側(cè)振速值，小凈距隧道先行洞迎爆側(cè)拱腰部位和洞口方向均出現(xiàn)爆破振速極大值，爆破振速衰減速度與隧道圍巖的特性有顯著關(guān)系。文獻(xiàn)［10］和［11］發(fā)現(xiàn)垂直峰值振動(dòng)速度比兩個(gè)水平方向的振動(dòng)速度大，且隧道頂部和底部為主要承受動(dòng)拉應(yīng)力的部位，建議通過分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力來控制爆破，確保既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。文獻(xiàn)［12］結(jié)合錦屏一級(jí)水電站左岸隧洞爆破效果，研究了爆破振動(dòng)對(duì)不同圍巖類型、隧道間距、炸藥量的既有隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

上述研究大多集中于新建隧道與鄰近既有隧道相互作用的靜態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估，而新建隧道爆破開挖對(duì)鄰近既有隧道二襯和圍巖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征研究較少。此外，多數(shù)監(jiān)測和數(shù)值分析都集中在襯砌支護(hù)系統(tǒng)振動(dòng)速度上，而忽略了對(duì)相鄰既有隧道圍巖的破壞。本研究以保和村隧道為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，研究新建隧道爆破開挖時(shí)鄰近既有隧道二襯和圍巖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

2 保和村隧道概況

保和村隧道屬新建鐵路敘永至畢節(jié)線工程，全長1483 m，穿越地段屬溶蝕侵蝕中低山谷地貌，地形起伏較大，植被茂盛。隧道圍巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組三段白云巖、泥質(zhì)白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r，巖溶中度發(fā)育。其中，洞口段Ⅴ級(jí)圍巖為侏羅系泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，節(jié)理裂隙水滲出。既有畢節(jié)隧道修建于2016年，屬成貴高鐵隧道。兩條隧道中線間距為50 m。

新建隧道設(shè)計(jì)采用新奧法、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。Ⅴ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖，Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖采用中隔壁十字交叉法開挖。過程中，隨著右上Ⅰ導(dǎo)洞、右下Ⅲ導(dǎo)洞的開挖以及推進(jìn)式爆破次數(shù)的增加，既有隧道迎爆側(cè)二襯裂縫加固的封堵材料逐漸脫落，并且沿裂縫緩慢滲水。

上述病害表明新建隧道施工對(duì)相鄰既有隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著不利影響。二襯封堵材料脫落表明二襯結(jié)構(gòu)承受較大拉應(yīng)力；地下水滲出表明既有隧道圍巖發(fā)生損傷，形成大量貫穿裂隙。

3 既有隧道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

（1）二襯振動(dòng)速度監(jiān)測

CRD法開挖時(shí)，4個(gè)導(dǎo)洞交替爆破掘進(jìn)，施工過程呈現(xiàn)推進(jìn)式、往復(fù)、頻繁爆破的特點(diǎn)，近接既有隧道的任意斷面遭受兩次由遠(yuǎn)到近再到遠(yuǎn)的爆炸荷載。

為監(jiān)測既有隧道襯砌的動(dòng)力響應(yīng)，選取既有隧道樁號(hào)為YK459＋786作為監(jiān)測斷面。監(jiān)測斷面上布設(shè)8個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，分別在拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳和線路中心。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)見圖1。

圖1 斷面YK459+786監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)斷面（單位：m）

在Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞開挖過程中（樁號(hào)YK459＋773～YK459＋800），爆破振動(dòng)速度監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 爆破振動(dòng)速度

圖2監(jiān)測結(jié)果表明，最大爆破振動(dòng)發(fā)生在掌子面和監(jiān)測斷面平齊時(shí)，第Ⅰ導(dǎo)洞和第Ⅲ導(dǎo)洞通過監(jiān)測斷面時(shí)，其最大振動(dòng)速度分別為33.85 cm/s和34.79 cm/s，第Ⅲ導(dǎo)洞爆破導(dǎo)致的振動(dòng)較Ⅰ導(dǎo)洞大。左拱肩處監(jiān)測的爆破振動(dòng)作用規(guī)律與左拱腰相同，但Ⅰ導(dǎo)洞爆破導(dǎo)致的振動(dòng)較Ⅲ導(dǎo)洞大。當(dāng)Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞掌子面與監(jiān)測斷面齊平時(shí)，既有隧道測點(diǎn)記錄的振動(dòng)速度見圖3。

圖3 既有隧道周圍振動(dòng)速度包絡(luò)圖

如圖3所示，既有隧道內(nèi)迎爆側(cè)振動(dòng)要大于背爆側(cè)。當(dāng)Ⅰ導(dǎo)洞爆破時(shí)，拱肩上振動(dòng)最大，拱腰次之。拱肩處記錄的最大振動(dòng)發(fā)生在掏槽孔爆炸時(shí)。Ⅲ導(dǎo)洞爆破時(shí)，拱腰上的振動(dòng)最大，拱肩次之。拱腰處記錄的最大振動(dòng)發(fā)生在周邊孔爆炸時(shí)。因此，在新建隧道施工過程中，近接既有隧道迎爆側(cè)拱肩到拱腰部位振動(dòng)最強(qiáng)烈、最危險(xiǎn)，其振動(dòng)速度應(yīng)嚴(yán)格加以控制。

（2）圍巖損傷監(jiān)測

針對(duì)既有隧道圍巖損傷進(jìn)行研究，開展爆破前后現(xiàn)場圍巖聲波波速監(jiān)測。聲波監(jiān)測孔由既有隧道迎爆側(cè)拱肩向新建隧道延伸，鉆孔深度為3.0 m，孔徑50 mm，下傾10°。以孔口為測量基準(zhǔn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)（初噴混凝土和二襯）與圍巖交界面在0.4 m處，孔底在3.0 m處。

Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞在里程YK459＋773～YK459＋800之間的每一次爆破均開展聲波波速監(jiān)測，每10 cm采樣一次，每次采樣位置一致。監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 每次爆破后聲波波速監(jiān)測結(jié)果

由圖4可知，0.4～0.8 m范圍內(nèi)沒有采集到聲波波速，這是由于此段巖體緊靠既有隧道的開挖輪廓線，受既有隧道爆破影響，巖體強(qiáng)烈損傷已呈破碎狀，導(dǎo)致聲波快速衰減無法穿透，此范圍為損傷帶Ⅰ；0.8～1.6 m范圍內(nèi)巖體的聲波波速隨爆破次數(shù)的增加而下降，此范圍為損傷帶Ⅱ。其中，斷面Ⅰ775、Ⅲ785爆破時(shí)巖體聲波波速降幅最大，表明此時(shí)巖體發(fā)生顯著損傷，既有隧道圍巖損傷主要是相同斷面處Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞爆破造成。1.6 m以外聲波波速變化較小，圍巖損傷微弱，基本保持原狀。由此可見，已經(jīng)發(fā)生損傷的既有隧道圍巖，受鄰近大斷面隧道的頻繁爆破影響，其損傷范圍擴(kuò)大，損傷程度進(jìn)一步惡化。

4 數(shù)值計(jì)算及分析

基于爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果，在研究近接既有隧道的振動(dòng)規(guī)律和最大動(dòng)應(yīng)力時(shí)，為簡化分析和計(jì)算過程，僅考慮導(dǎo)致最大振動(dòng)的爆炸事件，即Ⅰ導(dǎo)洞的掏槽孔和Ⅲ導(dǎo)洞的周邊孔爆炸。

爆炸沖擊波呈球狀傳播，是三維空間的沖擊載荷。但由于爆破頻繁、計(jì)算復(fù)雜，進(jìn)行精確地三維建模也就非常復(fù)雜。因此，本文采用了考慮三維效應(yīng)和最大振動(dòng)的二維建模方法，重點(diǎn)研究爆炸載荷的三維沖擊模型。

4.1 爆炸荷載

由于爆炸能量其大部分是通過爆生氣體產(chǎn)生裂縫而耗散，只有小部分爆炸能量以彈性波的形式向周圍巖體傳播。為確定數(shù)值分析所需的輸入爆炸載荷，采用爆壓修正，其爆壓方程和動(dòng)壓力修正方式為：

式中，Pd為爆壓；ρ為密度（g/cm3）；De為爆速（m/s）；PD為非耦合爆轟壓力時(shí)間序列；PB為耦合爆轟壓力時(shí)間序列；dc為裝藥直徑（mm）；dh為炮孔直徑（mm）；B為經(jīng)驗(yàn)荷載系數(shù)（取16.338）；t為時(shí)間（s）。

文獻(xiàn)［8］和［13］研究發(fā)現(xiàn)5%～50%的爆炸能量穿過巖體散失，因此，改變爆壓需要考慮能量損失。為了在二維中表示三維現(xiàn)象，還需要計(jì)算二維中的等效荷載。假設(shè)當(dāng)量載荷與爆壓成正比，只需對(duì)爆壓乘以折減系數(shù)即可。因此，爆轟壓力的彈性部分，即等效二維爆炸動(dòng)壓力為：

式中，α為考慮能量耗散和幾何等效性的組合折減系數(shù)。α理論上無法確定，本研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出。假設(shè)乳化炸藥比重為1.4 g/cm3，速度為5 500 m/s。評(píng)價(jià)的最大爆炸壓力為50.1 MPa，持續(xù)時(shí)間為0.001 s。

4.2 計(jì)算結(jié)果

本研究的重點(diǎn)是鄰近既有隧道的最大振動(dòng)效應(yīng)，因此，計(jì)算中只考慮引起最大振動(dòng)的爆破。導(dǎo)洞Ⅰ裝藥量為4.0 kg時(shí)，對(duì)既有隧道同一斷面上拱肩的振動(dòng)時(shí)程曲線，在不同的折減系數(shù)下進(jìn)行模擬試驗(yàn)的數(shù)值分析。當(dāng)采用折減系數(shù)0.62時(shí)，數(shù)值模擬的最大振動(dòng)速度與監(jiān)測記錄相同，可以很好地模擬實(shí)際的爆轟過程。

（1）振動(dòng)速度

應(yīng)用此數(shù)值模型，計(jì)算Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞爆破時(shí)既有隧道振動(dòng)速度，其水平速度場見圖5。

圖5 既有隧道爆破振動(dòng)速度場

由圖5可以看出，Ⅰ、Ⅲ導(dǎo)洞爆破造成既有隧道迎爆側(cè)二襯和巖體產(chǎn)生極大振動(dòng)，且振動(dòng)隨與爆源距離的增大而降低，迎爆側(cè)附近巖體的振動(dòng)速度大于32 cm/s。Ⅰ導(dǎo)洞爆破時(shí)，迎爆側(cè)拱肩和拱腰部位及Ⅲ導(dǎo)洞爆破時(shí)拱腰部位的振動(dòng)速度均大于32 cm/s。

研究進(jìn)一步模擬不同炮孔藥量下的振動(dòng)變化，并與現(xiàn)場試驗(yàn)得到的拱肩處的振動(dòng)變化進(jìn)行比較，見圖6。

圖6 不同藥量下振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，振動(dòng)速度隨裝藥量的增加而明顯增大。表明此計(jì)算模型能較好地模擬既有隧道的振動(dòng)。依據(jù)此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以通過調(diào)整裝藥量來控制既有隧道的爆破振動(dòng)。

（2）動(dòng)應(yīng)力

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元計(jì)算分析，既有隧道二襯結(jié)構(gòu)可以承受的壓應(yīng)力增量和拉應(yīng)力增量分別為4.42 MPa和0.92 MPa。

當(dāng)Ⅰ導(dǎo)洞掏槽段裝藥量為4.0 kg時(shí)，數(shù)值計(jì)算得到拱肩處的拉應(yīng)力最大，t＝14.5 ms最大水平拉應(yīng)力為0.78 MPa，此時(shí)二襯應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 二次襯砌最大水平拉應(yīng)力位置

由圖7可以看出，既有隧道的迎爆側(cè)均承受拉應(yīng)力，背爆側(cè)和底部以壓應(yīng)力為主。其中，拱肩部拉應(yīng)力值最大，拱腰部、拱頂部次之；迎爆側(cè)拱腳處壓應(yīng)力最大。

通過壓應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，最大壓應(yīng)力發(fā)生在Ⅲ導(dǎo)洞爆破時(shí)迎爆側(cè)的拱腳處，15.3 ms最大壓應(yīng)力為1.46 MPa。

二襯結(jié)構(gòu)破壞以材料局部拉裂為主，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，而作用在二襯上的最大壓應(yīng)力又遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，因此壓應(yīng)力對(duì)二襯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響與拉應(yīng)力相比可以忽略。

研究進(jìn)一步模擬不同炮孔裝藥量下拱肩拉應(yīng)力增量的影響，并提出了兩者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，見圖8。

圖8 不同裝藥量時(shí)對(duì)應(yīng)的拱肩拉應(yīng)力擬合曲線

結(jié)果表明，拉應(yīng)力增量隨裝藥量的增加而增大。當(dāng)裝藥量達(dá)到4.4 kg時(shí)，拉應(yīng)力增量超過二襯混凝土可接受值。依據(jù)此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谝欢ǖ目刂茦?biāo)準(zhǔn)下，可以調(diào)整裝藥量來控制拉應(yīng)力增量。

5 結(jié)論

（1）新建大斷面隧道推進(jìn)式、往復(fù)、頻繁爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的二襯和圍巖產(chǎn)生顯著影響，主要表現(xiàn)在二襯結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和圍巖的累積損傷。

（2）爆破振動(dòng)速度監(jiān)測結(jié)果表明，在新建隧道施工過程中，近接既有隧道迎爆側(cè)的拱肩到拱腰部位振動(dòng)最強(qiáng)烈、最危險(xiǎn)，其振動(dòng)速度應(yīng)嚴(yán)格加以控制。

（3）圍巖聲波波速監(jiān)測結(jié)果表明，新建隧道推進(jìn)式往復(fù)爆破開挖導(dǎo)致鄰近既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的損傷、破壞，尤其是迎爆側(cè)。

（4）推進(jìn)式、往復(fù)、多次爆破過程可簡化為導(dǎo)致最大振動(dòng)的幾次爆炸事件，每次爆破過程的多個(gè)爆炸荷載可簡化為造成顯著影響的單次荷載。

（5）采用現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測對(duì)爆轟壓力進(jìn)行修正，計(jì)算出既有隧道襯砌的振動(dòng)速度和拉應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬。