大跨度小凈距隧道爆破振動響應研究*

梁 琨，王樹欣，張憲堂，焦淑軍，王海亮

(1.山東科技大學 a.山東省土木工程防災減災重點實驗室；b.土木工程與建筑學院；c.安全與環(huán)境工程學院， 青島 266590;2.日照市政工程集團，日照 276800)

濟南市順河快速路南延(英雄山立交至南繞城高速)建設工程，是構建濟南市快速路路網骨架的重要組成部分，隧道施工過程中上方道路保持高流量通行狀態(tài)，道路兩側的居民區(qū)、學校等 建筑物密集復雜，考慮到對周圍環(huán)境的保護，需要采取隧道爆破減振措施降低對周圍環(huán)境的破壞。近年來國內外研究者對小凈距隧道爆破振動進行深入研究，研究方式主要包括現場監(jiān)測、數值模擬及模型試驗，影響小凈距隧道爆破振動的因素較多，主要包括爆破參數、圍巖性質和隧道間距等。蔚立元等分別采用FLAC3D軟件模擬及現場振動監(jiān)測，得到爆破掌子面前方的振動強度大于后方，振動速度峰值出現在先行洞迎爆側邊墻位置[1,2]。孫振等采用ANSYS/LS-DYNA模擬研究得到三向振速中水平徑向振速最大[3-5]。林從謀等采用監(jiān)測數據及仿真模擬得到迎爆側邊墻隧道振速最大[6-8]。陸偉等結論表明，小凈距隧道開挖采用臺階法施工對中夾巖柱穩(wěn)定性擾動最小[9-11]。王春梅等通過對現場監(jiān)測數據進行統計及線性回歸，確定了爆心距以及分段裝藥量對于爆破振速傳播規(guī)律影響[12]。仇文革等采用現場監(jiān)測和數值模擬結合的方法研究新建隧道對既有隧道爆破的影響，表明新建隧道爆破引起的振動強度與單段藥量和監(jiān)測點相對位置有關[13]。以濟南順河南延隧道工程為背景，結合現場實測數據及ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件，對先行洞爆破振動響應進行分析，同時將現場采取的爆破減振措施進行總結，擬對現場爆破施工、襯砌施工及類似工程的研究提供一定的參考價值。

1 工程概況及監(jiān)測方案

1.1 工程概況

濟南市順河快速路南延(英雄山立交至南繞城高速)建設工程，承擔著主城區(qū)對外進出交通的快速集散任務，同時承擔重要的公共交通走廊功能。下道路工程暗挖段采用小凈距隧道的形式，雙向分離式6車道，隧道最小間距為5 m，最大間距25 m，隧道暗挖段長度1.47 km，隧道單洞斷面輪廓為單心圓斷面，建筑限界凈高4.5 m，凈寬13.25 m，并且設置車行橫通道及人行橫通道，路緣側設置防撞側石，路面設置單面橫坡，橫向披度1.5%，隧道標準段輪廓如圖1所示。

圖 1 隧道標準段輪廓圖(單位:cm)Fig. 1 Standard section outline of tunnel(unit:cm)

工程沿線屬山前沖洪枳平原地貌單元，局部屬剝蝕殘丘，工程沿線地勢總體南高北低,現狀地面標高一般介與128.0～198.3 m，南北高差約70 m。隧道圍巖分級為V級，為了降低隧道爆破振動效應的影響，主要采用CD法開挖，分三臺階，上臺階擬采用綜掘機配合人工開挖的冷開挖、鉆爆法相結合方式開挖施工；下臺階擬采用鉆爆法施工，同時考慮建筑物、管線保護，不具備爆破條件地段采用綜掘機配合人工開挖的冷開挖方式。

1.2 爆破振動監(jiān)測方案

本次爆破振動采用的是TC-4850爆破測振儀，監(jiān)測系統是由信號調理電路、A/D轉換電路、CPU等組成，其工作原理主要是傳感器把爆破引起的地震波速度轉換成電壓信號，通過A/D轉換為數字信號，記錄到儀器中的存儲器里，測試完成后由數據線傳送到計算機上，由計算機對信號進行計算處理，最后以報告的形式輸出到打印機。

為了研究隧道爆破引起的振動效應，以隧道先行洞掌子面為中軸面，在后行洞靠近爆破掌子面沿隧道掘進方向設置了五個監(jiān)測點，并且測點位置隨隧道掌子面進尺移動，保持監(jiān)測點與掌子面的相對距離不變，測點間距為15 m左右，每個監(jiān)測點均布置了垂直方向、水平方向及切向方向的振動速度傳感器，監(jiān)測傳感器通過快粘粉固定在中夾巖層墻上，距離地面高度在1.5～2 m，監(jiān)測方案及測點位置如圖2所示。

圖 2 先行洞監(jiān)測點布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the layout of the monitoring points of the advance tunnel

2 有限元模擬參數選取及建模仿真

2.1 模型尺寸及邊界條件

建模時依據實際工程背景，進行適當簡化，左洞為上下臺階開挖，右洞為先行隧道，隧道長度均為75 m，后行洞開挖到距離洞口20 m，先行洞全部開挖完畢，兩隧道間距為5 m。根據查閱的文獻及規(guī)范，爆破振動速度大小主要取決于最大單段藥量，模擬時將全部藥量等效為三個上下排列的炮孔，炮孔直徑選擇20 mm，長度為1.5 m，炮孔間距75 cm，裝藥量為每孔10 kg。

當模型邊界大于開挖洞徑的3～5倍時，邊界效應的影響，尤其是爆破開挖對于振動效果的峰值影響幾乎忽略不計，隧道縱向方向為X軸，Y軸為豎直方向，Z軸為隧道掘進方向。根據實際的工程條件所有的模型的埋深統一取為30 m，模型的尺寸為140 m×70 m×110m，最大開挖寬度為15 m，高度10 m，隧道底部距離下邊界30 m，隧道左右邊界均選擇50 m，采用映射網格劃分法，對后行洞的掌子面部位進行網格細化，從而保證計算的精度。模型上表面模擬地面設為自由面，模型的底部設置豎向約束，側面設置法向約束，并將計算模型的四周和底面均設為無反射邊界條件。

2.2 材料參數及計算方程選取

濟南順河南延隧道使用的是二號巖石乳化炸藥，密度為0.95～1.30 g/cm3，爆速為>=3200 m/s,藥卷直徑為32 mm，重量為300 g，針對混凝土結構和巖石在侵徹和爆炸載荷作用下的大變形、高應變率和高壓行為，Holmquist等提出了HJC混凝土本構模型，采用狀態(tài)方程描述靜水壓力和體積應變之間的關系，并分為三個階段即彈性段、過渡段和壓實段。

ANSYS/LS-DYNA根據不同工況提供了不同的工程算法，其中主要的算法為拉格朗日算法、歐拉算法和流固耦合算法三種，他們均有各自的優(yōu)缺點，但是爆破模擬時，存在爆破產生的應力波及爆生氣體的沖擊作用，因此本次模擬采用的是流固耦合算法，即ALE法。ANSYS/LS-DYNA提供的模擬時采用的炸藥參數為二號乳化炸藥材料參數，采用的模擬圍巖為Ⅴ級圍巖參數，選取LS-DYNA中彈塑性材料中的塑性隨動硬化模型，是對于應變率相關的且可考慮失效的混合模型，材料參數見表1及表2。

表1 2號乳化炸藥材料參數Table 1 Material parameters of No.2 emulsion explosive

表2 Ⅴ級圍巖材料參數Table 2 Material parameters of grade V surrounding rock

3 數值模擬結果及現場數據分析

3.1 現場監(jiān)測結果及分析

針對隧道先行洞進行了將近30次爆破監(jiān)測，現場爆破藥量在30～40 kg之間，炮孔數量在25～45個之間，分段同時起爆，部分數據由于現場儀器布置及連接失誤等原因不可采用，典型的振動矢量合成圖及振速數據如圖3及表3所示。

圖 3 典型數據振速矢量合成圖Fig. 3 Typical data vibration vector synthesis diagram

表 3 振動速度峰值監(jiān)測數據(單位：cm·s-1)Table 3 Peak vibration monitoring data(unit：cm·s-1)

由現場監(jiān)測結果可以看得出來，隧道振速矢量合成達到第一段峰值時間約為40 ms，第一段峰值矢量合成約為0.3 cm/s，隧道振速矢量合成達到最大值時間約為130 ms，最大值約為0.89 cm/s，并未超過預警值1.0 cm/s，隧道爆破方案較好，對隧道及附近建筑物損傷較小；眾多研究中，部分學者認為爆破振動三向振動中垂直方向Z速度最大[14,15]，本次監(jiān)測數據匯總得到的三方向振速峰值占比情況如表4所示(表中數據已去除部分測量失真數據)，三向振速中，X水平徑向方向振速最大，占比達到64.4%，Y水平軸向方向振速最小，僅占比8.4%，因此現場監(jiān)測應實時關注X水平徑向的監(jiān)測數據，對現場爆破方案進行調整；掌子面后方的振速均大于掌子面前方的振速，矢量合成圖存在疊加現象，主要是未設置分段延時爆破的因素。見表4。

表4 三向振速峰值占比表Table 4 Three-way vibration velocity peak ratio

3.2 模擬結果及分析

3.2.1 先行洞隧道爆破振動響應

從模型中選擇與實際監(jiān)測圖1位置相對應的節(jié)點，繪制出如圖4所示的三向振速及合速度。

由于建模坐標系設置問題，此處的Z方向對應實際工況中的Y水平軸向方向，由圖5可知，三向振速中X水平徑向振速最大，Z水平軸向方向振速最小，合速度基本與X水平徑向振速接近，這也與實際情況基本吻合，由X水平徑向方向、Y垂直方向及合速度的監(jiān)測點對比可以得到，關于掌子面對稱測點，振速變化趨勢為掌子面后方2號測點振速最大，向外衰減，呈現出由內向外減小的變化趨勢，這也符合大多學者提出的“空洞效應”現象[16-18]，這主要是因為掌子面后方爆破能量的傳播直接通過巖石傳播到先行洞迎爆側的，掌子面前方的巖石已經開挖成行型，爆破能量通過空氣快速向外傳遞部分能量且將巖石破碎拋擲出去導致先行洞迎爆側掌子面前方的巖石可傳遞的能量減少。

3.2.2 先行洞不同截面爆破應力效應規(guī)律

提取典型時刻有效應力如圖5所示，隨爆破應力波及爆生氣體共同產生的爆破能量在t=8.5 ms傳遞至后行洞隧道拱頂，能量繼續(xù)向兩側拱底傳播；t=21 ms時，能量傳遞至兩側拱腰及拱底部位，提取后行洞靠近中夾巖層拱腰位置，此處最大主應力達到了1.4 MPa,然后能量通過中夾巖層傳遞至先行洞迎爆側拱腰位置;t=35 ms時，能量傳遞至先行洞迎爆側，之后應力波繼續(xù)向四周傳播；t=38 ms時，拱頂及底部位置也受到了爆破沖擊的影響，其中拱頂位置應力變化范圍更大。

圖 4 三向振速及合速度曲線Fig. 4 Three-way vibration speed and closing speed curve

圖 5 不同時刻有效應力云圖Fig. 5 Effective stress clouds at different times

4 爆破減振措施

隧道兩側建筑物及管道線路密集復雜，其中隧道北出口位置一側為中學，隧道施工過程中，上方快速路保持通行，為了保障隧道周圍既有結構及人員安全，因此設計爆破時需要考慮爆破振動對既有結構影響，施工過程中應根據實測數據調整爆破方案及參數等，濟南隧道采取的減振措施如下：

(1)開挖工法選擇及優(yōu)化。一般來說隧道開挖洞口處間距最小，考慮到隧道北口出存在中學及建材批發(fā)市場，隧道北口暗挖段進尺達到30 m后才可進行鉆爆法施工。為保證隧道施工正常施工進度及對周圍既有建筑物使用安全，采用CD法施工，減少開挖面積，同時對現場爆破振動進行實時監(jiān)測，必要時采取雙側壁導洞法施工，對于靠近管道及圍巖等級較差位置可采用機械開挖方式。

(2)爆破參數優(yōu)化。隧道爆破單段藥量對爆破振動存在很大影響，現場將實際爆破單段藥量控制在50 kg內，掏槽眼、輔助孔采用連續(xù)裝藥，炮眼剩余部分必須填滿炮泥。掏槽眼和底眼連續(xù)裝藥。周邊眼采用間隔不耦合裝藥結構，炮泥封口，炮孔深度控制在1.4 m內，采用毫秒延時導爆管雷管起爆網路，逐孔起爆；重點保護對象附近可以考慮采用電子雷管起爆網路，減少爆破振動效應疊加。

(3)隧道襯砌結構等。采用復合式襯砌即以系統錨桿、鋼筋網、噴射混凝土、型鋼鋼架或格柵鋼架等作為初期支護，并根據不同的圍巖級別輔以管棚、超前小導管、超前錨桿等超前支護措施，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，在兩次襯砌之間敷設防水層。隧道上方道路保持高速通行，為保證隧道施工安全，隧道上方道路采取限高及大型貨車繞行等分流措施，隧道兩個出口位置采用超前錨桿、鋪設鋼板等進行措施加固，充分保證隧道安全施工。

5 結論

(1) 現場監(jiān)測及隧道爆破模擬均表明三向振速中，X水平方向振速最大，且與合速度大小接近，先行洞振速由掌子面后方至隧道入口處呈現衰減趨勢，因此隧道爆破監(jiān)測應時刻注意X水平方向振速變化，著重觀察掌子面后方監(jiān)測數據，根據實際情況調整現場爆破藥量、炮孔數量及炮孔深度等參數。

(2)模擬結果表明，t=35 ms時爆破能量傳遞至先行洞迎爆側，t=38 ms時，拱頂及拱底位置也受到了爆破沖擊的影響；提取不同時刻位移云圖，可以觀察到，隧道拱頂最先出現應力集中。

(3)對濟南隧道采用的減振措施進行總結，該隧道主要通過施工工法的選擇、合理設置分段藥量及襯砌等支護措施的控制降低了隧道施工對周圍環(huán)境的影響。事實證明，控制措施效果明顯，有效降低了隧道施工的爆破振動，并保證了安全施工及隧道上方道路的通行。