爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的振動(dòng)響應(yīng)研究

李小貝

(中鐵四院集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430063)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市規(guī)模的發(fā)展，現(xiàn)有的鐵路干線不能滿足日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸需求，迫切的需要對(duì)原有的線路進(jìn)行改造或擴(kuò)建。由于受到地形地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)和節(jié)約土地等方面限制，在工程實(shí)際中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)新建隧道鄰近既有隧道物或新建隧道上(下)穿既有隧道的情況[1,2]。由于新建隧道與既有隧道的設(shè)計(jì)距離較近，其施工會(huì)破壞既有隧道的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重的甚至影響到既有隧道的正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)增加了新建隧道施工難度和工程風(fēng)險(xiǎn)。新建隧道對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響主要表現(xiàn)在兩方面[3,4]：一方面是土方開(kāi)挖引起既有隧道圍巖應(yīng)力重新分布；另一方面，傳統(tǒng)鉆爆法施工時(shí)所形成的爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)造成損傷及強(qiáng)度弱化，尤其是凈距偏小且有病害情況的隧道。因此，最大限度的減小新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響，以確保既有隧道的安全和新建隧道的順利施工，成為鄰近隧道爆破施工的核心問(wèn)題。

圍繞著新建隧道爆破施工對(duì)鄰近隧道的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并在理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、數(shù)值模擬等方面取得了豐碩的成果。研究爆破對(duì)鄰近隧道影響的理論研究思想主要借鑒于巖土體中建筑物受地震或動(dòng)荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的理論方法[5]，該理論方法主要借助波動(dòng)力學(xué)。Tan采用彈性動(dòng)力互等定理對(duì)柱形散射體彈性波的散射進(jìn)行了較深入的研究[6]；陳志剛運(yùn)用復(fù)變函數(shù)和多極坐標(biāo)方法研究了穩(wěn)態(tài)水平剪切(SH)波作用下含有圓柱形孔洞的各向異性彈性半空間的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題[7]。由于隧道地下結(jié)構(gòu)受動(dòng)荷載響應(yīng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)解析法數(shù)學(xué)計(jì)算與處理上的困難決定了它只能適用于影響條件較簡(jiǎn)單情況下的情形。20世紀(jì)40年代，爆破地震測(cè)試儀器開(kāi)始用于爆破地震波的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得了大量的測(cè)試結(jié)果，爆破監(jiān)測(cè)的研究也開(kāi)始步入定量分析階段。國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者以及工程技術(shù)人員從工程實(shí)際出發(fā)，利用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)爆破地震波的傳播規(guī)律及其對(duì)隧道或者其它地下建筑物的影響進(jìn)行了較為全面的研究[8]；在對(duì)監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了大量以薩道夫斯基公式為參考的區(qū)域性的經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)探討分析了影響爆破地震波傳播的因素。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用有限元分析軟件在科學(xué)合理的選擇爆破參數(shù)、介質(zhì)力學(xué)參數(shù)的前提下，建立符合實(shí)際的有限元模型，通過(guò)模擬爆破過(guò)程，掌握各種變量之間的關(guān)聯(lián)，從而設(shè)計(jì)具體工程背景下的具體爆破參數(shù)[9,10]。應(yīng)用較廣泛的數(shù)值模擬軟件主要有ANASYS/LS-DYNA、FLAC3D、MIDAS/GTS等。結(jié)合目前的研究成果，部分工程在臨近既有結(jié)構(gòu)的條件下施工時(shí)，圍繞著降低爆破擾動(dòng)、及時(shí)支護(hù)薄弱區(qū)域，爆破與機(jī)械開(kāi)挖結(jié)合等幾種形式對(duì)施工方法改進(jìn)，也取得了一定效果[11,12]。

目前，針對(duì)新建隧道爆破荷載對(duì)既有隧道的影響，現(xiàn)有的學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐為解決問(wèn)題積累了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)，但仍存在一定程度的不足，主要表現(xiàn)在:一是實(shí)際工程結(jié)構(gòu)條件下新建隧道與既有結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系復(fù)雜，無(wú)法直接套用理論成果，同時(shí)工程巖體結(jié)構(gòu)隨機(jī)性大，目前多數(shù)研究?jī)H考慮了基本巖體性質(zhì)，而忽視了節(jié)理構(gòu)造等因素，造成結(jié)果的不精確；二是檢測(cè)觀測(cè)手段的不完善，目前常規(guī)的隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)手段僅能對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于響應(yīng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化等細(xì)節(jié)還難以觀測(cè)；三是評(píng)判手段的不完善，目前在工程實(shí)際中可供參考的適用性規(guī)范僅有《爆破安全規(guī)程》的部分規(guī)定，但規(guī)程的條件較為寬泛，難以具體到實(shí)際工程進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)。爆破施工對(duì)既有隧道的影響，是一項(xiàng)非常重要和復(fù)雜的問(wèn)題。為盡可能全面地考慮的各種定量和定性影響因素，在衢州至寧德鐵路五都隧道爆破工程施工期間，通過(guò)開(kāi)展有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，在考慮圍巖級(jí)別、隧道間距、單響藥量情況下分析爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道的影響，優(yōu)化爆破施工設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)保障鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)的完整安全及正常的運(yùn)營(yíng)具有非常重要的工程意義。

1 工程概況

新建衢州至寧德鐵路工程QNFJZQ-5標(biāo)五都隧道，起止里程DK388+210～DK388+515，全長(zhǎng)305 m，設(shè)置為單線隧道。進(jìn)口軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高23.866 m，出口軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高22.066 m，隧道最大埋深約43.4 m。五都隧道Ⅳ級(jí)圍巖70 m，Ⅴ級(jí)圍巖235 m。

隧道施工采取由進(jìn)口向出口單向掘進(jìn)的方式開(kāi)挖。隧道出口洞門(mén)明挖采用機(jī)械開(kāi)挖；隧道洞身Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法爆破開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，每次爆破規(guī)模控制在總裝藥量53 kg以?xún)?nèi)，最大一段藥量控制在12 kg以?xún)?nèi)；隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法爆破開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，每次爆破規(guī)?？刂圃诳傃b藥量54 kg以?xún)?nèi)，最大一段藥量控制在11 kg以?xún)?nèi)。

新建衢州至寧德鐵路工程QNFJZQ-5標(biāo)五都隧道，爆破施工鄰近的既有杭深鐵路設(shè)施為既有杭深鐵路下坂一號(hào)隧道(K790+112～K791+085)和既有杭深鐵路下坂二號(hào)隧道(K791+293～K791+783)。新建五都隧道進(jìn)口明挖施工已完成，洞門(mén)距離既有杭深鐵路下坂一號(hào)隧道出口最近處約408 m；五都隧道距離既有杭深鐵路下坂二號(hào)隧道最近距離為35 m。五都隧道與既有鐵路平面關(guān)系及五都隧道圍巖分級(jí)詳見(jiàn)圖1。

圖 1 五都隧道與既有杭深鐵路平面關(guān)系示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the plane relationship between the Wudu tunnel and the existing Hangzhou-Shenzhen railway

2 爆破振動(dòng)估算

2.1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)指爆破引起傳播介質(zhì)沿其平衡位置作直線或曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。根據(jù)實(shí)際情況可知：爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)如不加以控制，可能對(duì)鄰近既有杭深鐵路設(shè)施產(chǎn)生影響。因此，爆破施工前需要評(píng)估爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)周邊建筑物的影響。

《爆破安全規(guī)程》[13](GB6722—2014)規(guī)定：評(píng)估爆破對(duì)不同類(lèi)型建(構(gòu))筑物、設(shè)施設(shè)備和其他保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)影響，應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。地面建筑物、電站(廠)中心控制室設(shè)備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對(duì)象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率[14]，但鐵路設(shè)施沒(méi)有明確的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到鐵路設(shè)施安全特殊性，參照《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)范》[15]中爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合五都隧道設(shè)計(jì)規(guī)定(爆破振動(dòng)速度不大于5 cm/s)和既有線旁類(lèi)似工程振動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鄰近既有杭深鐵路隧道、橋梁、涵洞、軌道(路基)及接觸網(wǎng)支柱基座的爆破振動(dòng)控制值進(jìn)行選取(見(jiàn)表1)。

表 1 不同類(lèi)型建(構(gòu))筑物爆破振動(dòng)控制值Table 1 Blasting vibration control value of buildings(structures) with different types

2.2 爆破振動(dòng)估算

爆破振動(dòng)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，可按下式計(jì)算

(1)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定或參考相關(guān)規(guī)范選取。

根據(jù)該工程周?chē)h(huán)境、工程地質(zhì)情況，公式(1)參數(shù)選取如下：

(1)爆源至保護(hù)建筑的最近距離：

隧道Ⅴ級(jí)圍巖：取R1=36 m；R2=408 m；

隧道Ⅳ級(jí)圍巖：取R1=35 m；R2=508 m。

(2)最大一段藥量：

隧道Ⅴ級(jí)圍巖；取Q=11 kg；

隧道Ⅳ級(jí)圍巖；取Q=12 kg。

(3)不同類(lèi)型建(構(gòu))筑物爆破振動(dòng)控制值詳見(jiàn)表1。

(4)與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，取K=200、取α=1.65。

代入公式(1)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表 2 爆破震動(dòng)速度估算值Table 2 Estimation of blasting vibration velocity

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，五都隧道爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)符合安全要求，爆破不會(huì)對(duì)鄰近既有杭深鐵路橋梁、軌道路基、接觸網(wǎng)桿架和通信信號(hào)等設(shè)備的安全造成影響。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 建立模型

五都隧道全長(zhǎng)532 m，斷面尺寸為高9.12 m，寬7.19 m。既有杭深鐵路下坂二號(hào)隧道正洞采用混凝土襯砌，其模型尺寸設(shè)與新建隧道相同，二者間距35 m。計(jì)算模型取水平尺寸61 m，豎向尺寸18 m，作為計(jì)算分析范圍，圍巖等級(jí)分別設(shè)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，采用HJC本構(gòu)模型模擬，圍巖采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變等參單元，隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧?，模型總?72914個(gè)單元。數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖 2 數(shù)值計(jì)算模型Fig. 2 Numerical calculation model

3.2 圍巖及混凝土物理力學(xué)參數(shù)

表 3 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

表 4 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of concrete materials

3.3 爆破荷載

本次數(shù)值模擬采用三角形脈沖波代替爆破荷載[5]

(2)

(3)

式中：Pω為三角形荷載的波峰壓力；ρω為裝藥密度，取30 g/cm3；D為炸藥爆速，取二號(hào)巖石乳化炸藥爆速3200 m/s；k為等熵指數(shù)，取3。

爆破荷載確定后，將荷載以壓力形式作用在施工隧道洞周壁上，壓力的作用方向垂直于隧道洞周[6]。三角形爆破荷載如圖3所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)試算將結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比從而不斷調(diào)整阻尼參數(shù)，使地震波正常衰減，得到合適模型。對(duì)既有隧道迎爆側(cè)襯砌振動(dòng)速度進(jìn)行考察[7]，考察點(diǎn)分布如圖4所示。

主要觀察缼齒蓑蘚的枝葉形態(tài)和細(xì)胞性狀，并參照Yu等[7]的方法進(jìn)行測(cè)量。缼齒蓑蘚配子體枝葉13個(gè)形態(tài)性狀具體見(jiàn)表2。

圖 3 爆破荷載加載波形Fig. 3 Loading waveform of blasting load

圖 4 既有隧道考察點(diǎn)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of existing tunnel inspection points

沿既有隧道掘進(jìn)方向選取不同斷面，對(duì)各斷面考察點(diǎn)(拱頂A、拱腳B、墻腰C、底邊D)的振動(dòng)速度和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各考察點(diǎn)振動(dòng)速度峰值。圖5為Ⅳ級(jí)和Ⅴ圍巖狀態(tài)下所測(cè)振動(dòng)速度。

對(duì)圖5進(jìn)行分析可知：

圖 5 沿掘進(jìn)方向既有隧道襯砌截面各考察點(diǎn)振動(dòng)速度Fig. 5 Vibration velocity at each inspection point of the existing tunnel lining section along the direction of excavation

(1)既有隧道墻腰部位振動(dòng)速度最大，在爆炸沖擊荷載作用下，墻腰部位所受破壞程度最大，但隨著與爆源距離的增加，振動(dòng)速度衰減至于其他部位相近的水平。

(2)Ⅳ級(jí)圍巖條件下，拱頂與拱腳初始振動(dòng)速度相近，隨著距離的增加，拱腳峰值振動(dòng)速度衰減比拱腳更為迅速，在距離爆源較遠(yuǎn)處，各考察點(diǎn)峰值振動(dòng)速度相近，已無(wú)明顯差距。

(3)在相同爆炸沖擊荷載作用下，Ⅴ級(jí)圍巖較Ⅳ級(jí)圍巖既有隧道各考察點(diǎn)具有更高峰值振動(dòng)速度，故其產(chǎn)生的破壞效果更嚴(yán)重。

(4)計(jì)算所得的振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》中，關(guān)于在爆破振動(dòng)時(shí)，構(gòu)筑物振動(dòng)速度控制值(3 cm/s)，故不會(huì)既有隧道安全性造成影響。

對(duì)既有隧道初始截面各觀察點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同圍巖級(jí)別下各考察點(diǎn)應(yīng)力峰值，如圖6所示。

圖 6 既有隧道初始斷面各觀察點(diǎn)最大峰值應(yīng)力Fig. 6 Maximum peak stress at each observation point of the initial section of the existing tunnel

對(duì)圖6進(jìn)行分析可知：

(1)各考察點(diǎn)中，墻腰部位所受應(yīng)力峰值最大，主要承受X方向的拉應(yīng)力作用，由此可見(jiàn)，在爆炸沖擊荷載作用下，墻腰混凝土的破壞主要為X方向產(chǎn)生的拉伸破壞，因此，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在隧道墻腰部位的橫向會(huì)出首先現(xiàn)拉伸裂紋。

(2)拱頂、拱腳、墻腰和底邊所受剪切應(yīng)力均較小，在爆炸沖擊荷載作用下，拱頂、拱腳和墻腰主要承受拉應(yīng)力作用，底板主要承受壓應(yīng)力作用。

(3)隨著圍巖級(jí)別的增加，各考察點(diǎn)的最大峰值應(yīng)力有一定下降，表明巖體質(zhì)量對(duì)于隧結(jié)構(gòu)抗爆破擾動(dòng)性能有顯著作用，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)注意對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)薄弱段的防護(hù)，必要時(shí)，需對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步控制。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)狀，在五都隧道爆破施工初始階段，在鄰近既有杭深鐵路下坂二號(hào)隧道內(nèi)對(duì)應(yīng)爆破掌子面處，布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行爆破施工振動(dòng)測(cè)試。爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在隧道內(nèi)迎爆側(cè)邊墻位置，其中測(cè)點(diǎn)A、B、D、E、F采用自動(dòng)觸發(fā)爆破振動(dòng)采集儀，測(cè)點(diǎn)C采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試采集儀。測(cè)點(diǎn)布置詳圖7所示。

圖 7 既有杭深鐵路隧道爆破測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖Fig. 7 The layout diagram of the blasting points in the existing Hangzhou-Shenzhen Railway Tunnel

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)，在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域內(nèi)進(jìn)行試爆，最大單段藥量為6.5 kg，測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)值見(jiàn)表5。

表 5 震動(dòng)速度實(shí)測(cè)值Table 5 Measured values of vibration speed

對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可知：

(1)爆破斷面處(測(cè)點(diǎn)C)振動(dòng)速度最大，且振動(dòng)速度沿爆破掘進(jìn)方向逐漸降低。

(2)既有隧道迎爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)水平切向的振動(dòng)主頻沿爆破方向逐漸增大。

(3)同一點(diǎn)在徑向、切向及縱向三個(gè)方向的同一時(shí)間測(cè)得的振動(dòng)速度表明，質(zhì)點(diǎn)在縱向振動(dòng)速度最大。

(4)爆破振動(dòng)能量主要沿掘進(jìn)方向傳播，在既有隧道迎爆側(cè)的爆破斷面附近測(cè)得的振動(dòng)速度明顯高于其他方位，因此，要預(yù)先加固需要保護(hù)的地段。

5 結(jié)論

通過(guò)建立新建五都隧道小凈距隧道爆破振動(dòng)數(shù)值模型和分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)新建隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)存在一定影響，其中，既有隧道襯砌迎爆側(cè)墻腰部位所受影響最為顯著，其振動(dòng)速度和所受應(yīng)力峰值最大。

(2)振動(dòng)速度隨距離增加而逐漸降低，各質(zhì)點(diǎn)在縱向振動(dòng)速度最大。

(3)在爆炸沖擊荷載作用下，拱頂、拱腳和墻腰主要承受拉應(yīng)力作用，底板主要承受壓應(yīng)力作用。

(4)在相同爆炸沖擊荷載作用下，既有隧道破壞程度隨圍巖級(jí)別的提高而增大，故在新建隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)薄弱段的防護(hù)和監(jiān)測(cè)。

(5)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：在合理炸藥當(dāng)量的情況下，新建五都隧道爆破施工不會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生破壞。