地鐵隧道小凈距下穿地下洞室振速控制研究

陳 沛，吳劍鋒，蒙云琪，張兆龍，李小貝，何 理

(1.中鐵四院集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430063；2.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430065)

在《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》的引領(lǐng)下，我國(guó)城市軌道交通迅猛發(fā)展，地下交通隧道的建設(shè)處于繁忙時(shí)期。城市地鐵隧道穿越地下復(fù)雜巖層的工程項(xiàng)目屢見(jiàn)不鮮[1-2]，堅(jiān)硬巖層及破碎軟弱巖層對(duì)地鐵隧道掘進(jìn)帶來(lái)不利影響，但制約地鐵隧道施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素往往為隧道爆破掘進(jìn)引發(fā)周?chē)h(huán)境構(gòu)筑物的不利振動(dòng)[3-4]，譬如地下人防洞室結(jié)構(gòu)、地下淺表城市管線、地表林立的城市建筑等。為有效減弱地鐵隧道爆破對(duì)鄰近建筑物的影響，大多可采用數(shù)碼電子雷管精確延時(shí)控制隧道掌子面的單段藥量[5]，如此能夠有效控制爆破振動(dòng)效應(yīng)。數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用在交通隧道爆破掘進(jìn)的振動(dòng)影響研究中[6-7],研究表明，有限元數(shù)值模擬能夠較為貼近的表明隧道掘進(jìn)爆破對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊戁厔?shì)與重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于地鐵隧道爆破對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響研究，吳昊[8]以工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為例，介紹了2 m內(nèi)凈距的地鐵隧道的爆破掘進(jìn)方案，并以加固支護(hù)為主，輔以數(shù)值模擬手段取得了較好工程效果。薛憲彬[9]研究了地鐵隧道爆破振動(dòng)影響下多層砌體結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律，汪平等[10]研究了淺埋隧道爆破振動(dòng)傳播的規(guī)律和監(jiān)測(cè)技術(shù)。陳桂龍等[11]以工程實(shí)際與數(shù)值模擬結(jié)合，研討了不同影響因素下，地鐵隧道爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑群的影響規(guī)律，諸如此類的研究較多。然而地鐵隧道小凈距下穿地下人防結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)研究不夠全面。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于武漢市地鐵5號(hào)線彭劉楊站～司門(mén)口站區(qū)間隧道下穿武漢市人防工程爆破施工項(xiàng)目，最近距離僅4.2 m，首先利用ANSYS-Lsdyna動(dòng)力有限元軟件建立高精度毫秒延時(shí)掏槽起爆模型，探究距離人防工程小凈距下地鐵隧道掏槽孔起爆的最佳延時(shí)時(shí)間。通過(guò)在鄰近人防洞室布設(shè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并精確控制起爆網(wǎng)路的起爆時(shí)序和最大單段藥量進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。而將數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證有限元方法的有效性。最后總結(jié)得出堅(jiān)硬巖石鄰近地下人防洞室小凈距爆破開(kāi)挖的最佳爆破參數(shù)與數(shù)碼雷管網(wǎng)路延時(shí)時(shí)間設(shè)置參數(shù)。

1 工程項(xiàng)目概況

1.1 工程背景

武漢地鐵5號(hào)線彭劉楊站～司門(mén)口站區(qū)間左右線隧道分別開(kāi)挖，區(qū)間左、右線間距為15～19 m(凈距7.8～11.8 m)，雙線隧道設(shè)計(jì)軌面高程右線10.96～10.31 m，左線10.99～10.31 m，隧道開(kāi)挖直徑7.1 m。

開(kāi)挖隧道區(qū)間在蛇山景區(qū)處下穿既有防空洞和繁忙的京廣鐵路。區(qū)間隧道頂部與此處防空洞間距約為4.2 m，距離京廣鐵路26.3 m，與黃鶴樓主樓底層地坪垂直高差約42.1 m，水平距離約74.65 m；與圣像寶塔地坪垂直高差約35.25 m，水平距離約33.22 m。爆破施工時(shí)，控制爆破振動(dòng)，減少對(duì)既有人防工程和黃鶴樓景區(qū)運(yùn)營(yíng)的影響為爆破振動(dòng)控制的重點(diǎn)。地鐵暗挖隧道與周?chē)ㄖY(jié)構(gòu)相對(duì)位置及與人防結(jié)構(gòu)高程相對(duì)位置如圖1、圖2所示。

注：1-圣像寶塔；2-人防洞室；3-黃鶴樓；4-左線隧道；5-右線隧道。圖1 地鐵隧道與周?chē)ㄖY(jié)構(gòu)相對(duì)位置Fig.1 Relative position between the metro and surrounding building structures

圖2 地鐵隧道與人防結(jié)構(gòu)高程相對(duì)位置Fig.2 Relative position of elevation between the metro tunnel and civil air defense structures

1.2 爆破設(shè)計(jì)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

地鐵5號(hào)線彭劉楊站～司門(mén)口站區(qū)間下穿蛇山人防及京廣鐵路段全部位于強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖及中風(fēng)化石英砂巖層中，隧道圍巖分級(jí)為II、III級(jí)，圍巖強(qiáng)度較高。下穿人防工程區(qū)段隧道采用上下臺(tái)階法爆破開(kāi)挖，盡量拉開(kāi)同時(shí)爆破的工作面距離，減小爆破振動(dòng)的疊加，上下臺(tái)階距離5～10 m間隔開(kāi)挖。左、右線隧道典型爆破斷面為直徑7.1 m。上臺(tái)階采用楔形掏槽方式，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線布置周邊孔及輔助孔，爆破采用2#巖石乳化炸藥，起爆網(wǎng)路采用電子數(shù)碼雷管組網(wǎng)；下臺(tái)階采用水平結(jié)合垂直鉆孔方式來(lái)控制爆破振動(dòng)，以減小爆破振動(dòng)疊加的可能。上下臺(tái)階炮孔布置如圖3所示。

注：序號(hào)1～13為起爆順序。圖3 上下臺(tái)階炮孔Fig.3 Blast hole of upper and lower bench

在按照設(shè)計(jì)爆破方案實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，對(duì)鄰近人防工程洞室設(shè)置移動(dòng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)跟隨每次隧道掌子面移動(dòng)而移動(dòng)，同一位置設(shè)置2臺(tái)儀器，避免偶然故障發(fā)生。監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置位置選取在人防洞室靠近地鐵隧道一側(cè)堅(jiān)硬地面處，隧道掘進(jìn)過(guò)程人防洞室監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中規(guī)定交通隧道，采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，其振動(dòng)最大允許值為10～20 cm/s。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中因人防工程與新建隧道凈距僅為4.2 m，且人防工程結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗沖擊能力較強(qiáng)，截面小，故選取安全振動(dòng)控制值為20 cm/s，經(jīng)過(guò)爆破參數(shù)優(yōu)化及選用適宜的數(shù)碼電子雷管網(wǎng)路延時(shí)時(shí)間，隧道爆破振動(dòng)對(duì)人防洞室振動(dòng)影響大大降低。

圖4 人防洞室監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points in civil air defense cavern

爆破施工過(guò)程中，研究振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，引起人防洞室結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要振源是由掏槽孔爆破所致，因此研究如何減弱掏槽孔炸藥爆炸引起的振動(dòng)是降低地鐵5號(hào)線隧道爆破振動(dòng)危害的關(guān)鍵。

2 質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減規(guī)律

對(duì)于爆破應(yīng)力波對(duì)中、遠(yuǎn)區(qū)的振動(dòng)破壞效應(yīng)，利用薩道夫斯基公式計(jì)算所得出的振動(dòng)速度分布與實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)分布存在一定誤差[12]，因此許多學(xué)者對(duì)爆破引起的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式做了進(jìn)一步改進(jìn)[13]。

對(duì)于柱狀裝藥，在C-J爆轟條件下，炸藥爆炸的平均爆轟壓力表示為

(1)

式中：pe為炸藥平均爆轟壓力；ρe為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度；γ為炸藥的等熵指數(shù)。

假設(shè)爆生氣體為多方氣體，則其狀態(tài)方程為

(2)

式中：p為某一狀態(tài)下的爆生氣體壓力；ρa(bǔ)為某一狀態(tài)下爆生氣體的密度；A為常數(shù)；ν0為爆生氣體的等熵指數(shù)。

當(dāng)p≥pk時(shí)，取ν0=γ=3.0；當(dāng)p

對(duì)于耦合裝藥條件，有p0=pe；對(duì)于不耦合裝藥條件，如果裝藥時(shí)的不耦合系數(shù)b/a值較小(a為裝藥直徑)，則爆生氣體的膨脹只經(jīng)過(guò)p>pk一個(gè)狀態(tài)，則此時(shí)由式(2)得到炮孔初始平均壓力p0為

(3)

如果裝藥的不耦合系數(shù)值較大，此時(shí)爆生氣體的膨脹需經(jīng)歷p≥pk及p

(4)

把式(3)或者式(4)代入炮孔壁上質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度公式：u0=p0/ρcp中去，則可得到不耦合裝藥條件下炮孔壁上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度u0。

在多孔同時(shí)起爆的條件下，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度公式可反應(yīng)諸如炸藥種類、炸藥特性、鉆孔孔徑、裝藥結(jié)構(gòu)及巖石性能參數(shù)等因素對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的影響，其修正公式為

(5)

式中：k′為多孔同時(shí)起爆條件下的修正系數(shù)，主要與同時(shí)起爆的炮孔個(gè)數(shù)、振速測(cè)算點(diǎn)與同時(shí)起爆炮孔連線的相對(duì)位置等參數(shù)有關(guān)。

3 數(shù)值模型的建立

3.1 材料模型及載荷輸入

基于動(dòng)力有限元ANSYS-Lsdyna平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)于人防洞室和隧道周?chē)鷰r石均采用HJC材料模型，該材料模型能夠比較好的模擬巖石及混凝土材料在高應(yīng)變率下的大變形相關(guān)問(wèn)題，對(duì)于巖石在高速碰撞下的力學(xué)行為相關(guān)問(wèn)題上表現(xiàn)較好[14]。該材料模型通常適用于Lagrange算法及Euler算法中。HJC僅有材料模型，無(wú)狀態(tài)方程，主要包括狀態(tài)方程、屈服面方程以及演化方程3個(gè)方程[15]。HJC材料模型的方程形式以及各項(xiàng)材料參數(shù)含義在此不多贅敘(見(jiàn)表1)。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

模型中爆破荷載的加載方式以炮孔壁面施加沖擊荷載的方式實(shí)現(xiàn)，將炮孔內(nèi)部炸藥爆炸的壓力時(shí)程曲線簡(jiǎn)化為三角形荷載。為研究掏槽孔延時(shí)爆破的振動(dòng)效應(yīng)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選取掏槽孔施加爆破沖擊荷載的順序如圖5所示，圖中數(shù)字1～5代表掏槽孔荷載施加順序。

圖5 掏槽孔施加荷載順序Fig.5 Loading sequence of cut hole

3.2 隧道毫秒延時(shí)掏槽有限元模型

炸藥在巖體中爆破是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，由于炸藥在炮孔內(nèi)部爆炸的機(jī)制難以被現(xiàn)在的有限元數(shù)值方法模擬，尤其是炮孔內(nèi)部炸藥爆轟、爆轟波及爆生氣體將巖石粉碎進(jìn)而發(fā)展到激發(fā)彈性地震波這一復(fù)雜的過(guò)程，因此需要一種等效模擬辦法。地鐵隧道毫秒延時(shí)掏槽有限元模型是采用等效彈性邊界的模擬方法[16-17]，炮孔周?chē)膸r體根據(jù)破壞程度可分為 3類：粉碎區(qū)、破碎區(qū)、彈性振動(dòng)區(qū)，將整個(gè)非彈性區(qū)作為爆源，在掏槽孔群孔起爆時(shí)的等效邊界即為各孔各自所形成的破碎區(qū)的包絡(luò)線。則在模擬時(shí)，將隨時(shí)間變化的壓強(qiáng)荷載施加在掏槽孔非彈性區(qū)形成的包絡(luò)線的面上(見(jiàn)圖6)。

圖6 隧道毫秒延時(shí)掏槽有限元模型Fig.6 Finite element model of millisecond delay cutting in metro tunnel

根據(jù)人防洞室與新建地鐵隧道的相對(duì)位置關(guān)系建立精細(xì)化數(shù)值模型，掏槽孔等效邊界范圍近似取r=10r0(r0為實(shí)際炮孔半徑)，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×28 m×3.6 m，為防止模型邊界反射應(yīng)力波，巖體外包面均采用非反射邊界條件設(shè)置。等效邊界爆破荷載施加在掏槽孔等效彈性邊界面上，沖擊荷載壓力峰值為56 MPa，載荷上升時(shí)間為0.7 ms，持續(xù)時(shí)間為8.0 ms。根據(jù)圖5中掏槽孔延時(shí)起爆的順序，設(shè)置各個(gè)掏槽孔群的等效彈性邊界，利用*DEFINE_ELEMENT_DEATH_SOLID_SET關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)等效彈性邊界內(nèi)單元。計(jì)算模型單元總數(shù)為203 970個(gè)，具體三維有限元模型如圖6所示。

4 結(jié)果對(duì)比分析

為初步驗(yàn)證所建立的有限元數(shù)值模型對(duì)人防洞室結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律的有效性，將現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和與之對(duì)應(yīng)工況的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所參照的掏槽孔的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為：圖5中所示掏槽序號(hào)，1所示主掏槽與2所示一級(jí)掏槽間隔時(shí)間t1=150 ms，2所示一級(jí)掏槽孔與3所示一級(jí)掏槽間隔時(shí)間t2=10 ms，3所示一級(jí)掏槽與4所示二級(jí)掏槽間隔時(shí)間t1=150 ms，4所示二級(jí)掏槽與5所示二級(jí)掏槽間隔時(shí)間t2=10 ms。選取人防洞室靠近新建隧道一側(cè)洞室底角的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬x方向上振動(dòng)速度時(shí)程曲線(見(jiàn)圖7)可知，兩者數(shù)據(jù)曲線分布規(guī)律接近，峰值大小接近，表明所建立的有限元數(shù)值模型能夠較真實(shí)地反映地鐵5號(hào)線隧道掘進(jìn)掏槽爆破對(duì)人防結(jié)構(gòu)影響的振動(dòng)特性。

圖7 人防洞室振動(dòng)時(shí)程Fig.7 Vibration time history of civil air defense cavern

為了探尋對(duì)人防洞室振動(dòng)影響最小情況下的最佳掏槽延時(shí)時(shí)間，設(shè)置了11種模擬工況(見(jiàn)表2)，得到數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生的峰值振速分布情況如圖8所示。由結(jié)果分析可知，隨著不同掏槽起爆延時(shí)時(shí)間以及同一級(jí)掏槽起爆延時(shí)時(shí)間的增加，掏槽孔對(duì)人防洞室所造成的振動(dòng)是呈減小趨勢(shì)，且隨著延時(shí)時(shí)間的增加，人防結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度逐漸趨于平穩(wěn)，變化不大?？紤]到爆炸沖擊波在近處傳播，延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，爆炸沖擊波基本不疊加，相當(dāng)于單個(gè)沖擊波對(duì)人防洞室作用，再增加延時(shí)時(shí)間意義不大。由圖8中可知，在地鐵5號(hào)線工程背景下的不同級(jí)別掏槽起爆適宜延時(shí)時(shí)間為10 ms，同一級(jí)別掏槽起爆適宜延時(shí)時(shí)間為6 ms。

表2 不同延時(shí)時(shí)間下的人防結(jié)構(gòu)振動(dòng)值Table 2 Vibration value of civil air defense structure under different delay time

圖8 數(shù)值模擬峰值振速分布情況Fig.8 Distribution of peak velocity by numerical simulation

在地鐵5號(hào)線的爆破掘進(jìn)項(xiàng)目中，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的各級(jí)掏槽最佳延時(shí)時(shí)間的結(jié)果開(kāi)展爆破施工，實(shí)際裝藥參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面情況不同而進(jìn)行調(diào)整，得到地鐵5號(hào)線隧道爆破對(duì)鄰近人防洞室振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表3所示結(jié)果可知，在地鐵5號(hào)線工程地質(zhì)條件下，數(shù)碼電子雷管組網(wǎng)參數(shù)采取上文所述最佳延時(shí)時(shí)間的前提下，合理的最大單段起爆藥量為0.6 kg。在采取該單段藥量，人防結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最低為12.76 cm/s，在施工過(guò)程中保障了相鄰人防洞室的安全。

表3 人防振速監(jiān)測(cè)Table 3 Monitoring of civil air defense vibration velocity

5 結(jié)論

1)采用等效彈性邊界載荷加載的有限元數(shù)值模擬方法，模擬復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道掏槽爆破振動(dòng)是合理的，能夠較好地模擬爆破振動(dòng)對(duì)小凈距下的人防洞室的振動(dòng)規(guī)律。

2)通過(guò)數(shù)值模擬方法和工程實(shí)踐結(jié)果可以得出，在武漢地鐵5號(hào)線工程背景下，對(duì)掏槽孔而言，隧道不同級(jí)別掏槽起爆適宜延時(shí)時(shí)間為10 ms，同一級(jí)別掏槽起爆適宜延時(shí)時(shí)間為6 ms。

3)經(jīng)5號(hào)線工程實(shí)踐總結(jié)，在隧道圍巖分級(jí)為II、III級(jí)情況下，采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，在地鐵隧道與鄰近人防洞室僅相距4.2 m的小凈距隧道爆破適宜最大單段掏槽藥量為0.6 kg，可為類似小凈距隧道爆破提供借鑒和參考。