赤水河特大橋錨碇隧洞開挖爆破振動效應(yīng)特征分析

張 丹，鄭彩英，王 祥，郭 勇

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司，成都 610041；2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都 610045)

特大懸索橋跨過深壑峽谷，隧洞錨碇因內(nèi)在特點[1]成高陡懸崖岸，諸如川藏高速公路瀘定特大橋成都岸，近乎垂直的陡坡上最適宜采用的錨固形式。

隨著高鐵、高速公路網(wǎng)絡(luò)在深谷陡山的西部延伸，隧洞錨碇被廣泛應(yīng)用，涌現(xiàn)出諸多錨碇隧洞爆破開挖研究項目，研究方向集中于針對具體錨碇隧洞特定區(qū)間或斷面、確定的高度點進行爆破開挖振動實驗監(jiān)測，利用信息擬合、數(shù)值模擬等手段，研究中隔巖柱爆破振動累積效應(yīng)、應(yīng)力分布特征[2]，其豐富的錨碇開挖爆破經(jīng)驗與理論研究成果，促進錨碇隧洞及其公路鐵路隧洞開挖爆破技術(shù)的提高。

錨碇隧道開挖存在主要3大問題：①陡坡錨碇隧洞或公路隧道洞口短距離爆破開挖，洞口危石和卸載裂縫或順坡裂縫因爆破振動激勵加強振動而最易被破損而失穩(wěn)或垮塌甚至滑坡。②無論錨碇位于公路路基上或下，錨碇隧洞、公路隧道均為小凈距相鄰，四隧洞爆破開挖振動而中隔巖柱呈現(xiàn)脆性破壞或塑性流變而被損傷，使豎向或水平相鄰隧洞圍巖失穩(wěn)，增加懸索橋的風(fēng)險。③錨碇隧道或公路隧道誰先爆破開挖相互損傷或影響程度較小。

針對錨碇隧洞、公路隧道結(jié)構(gòu)特征、空間位置關(guān)系、圍巖及地表地質(zhì)特征，依據(jù)隨機復(fù)合波動力學(xué)理論，借助已有的數(shù)值模擬、監(jiān)測數(shù)據(jù)進行復(fù)核，從巖石力學(xué)和非平穩(wěn)隨機復(fù)合波動理論研究錨碇隧洞或公路隧道爆破開挖，陡坡洞口不耦合巖層、偏壓套拱孤石，中隔巖柱、隧洞間柱、隧洞圍巖爆破振動響應(yīng)特征進行分析，從而優(yōu)化爆源因素，確定最佳工作面布置幾何尺寸和推進線路，確定先、后錨碇隧洞爆破開挖最小安全間隔，解決錨碇隧道開挖主要3大問題。

赤水河特大橋，目前為亞洲山區(qū)跨徑第一的懸索橋，不但風(fēng)場方向多變，峰值尖銳，而且?guī)r石強烈溶蝕，構(gòu)造發(fā)育。隧洞錨碇爆破開挖效果將直接關(guān)聯(lián)赤水河特大橋風(fēng)險。西部高鐵、高速公路隧洞錨碇類似情況很多，本文以赤水河大橋隧洞錨碇開挖爆破振動效應(yīng)特點作為研究方向，且有重要參考價值。

1 工程概況

江習(xí)古高速公路赤水河特大橋起止樁號為K95+991.656、K96+071.919，主跨1 200 m。赤水河特大橋四川岸地形受地質(zhì)構(gòu)造控制，山脈高聳、切割強烈，嶺谷高差近500 m，隧洞錨碇位于海拔768 m高山腰，四川岸塔高243.5 m(見圖1)，洞口陡坡賦存三套巖層，陡傾順層卸載裂縫離隧洞口10 m，拉張寬度約30 cm，全斷面貫通，且巨大孤石偏壓套拱。

圖1 赤水河特大橋四川岸Fig.1 Sichuan bank of Chishui Rive Super Bridge

錨碇隧洞圍巖巖層由鈣質(zhì)泥巖與灰?guī)r構(gòu)成，互為夾層，巖層產(chǎn)狀由315°∠35°變?yōu)?70°∠15°，單斜構(gòu)造，為Ⅲ、Ⅳ類。錨碇隧洞后錨室最大斷面17 m×27 m，近460 m2，軸長79 m，傾角45°，錨固索力76.607 萬kN，左右錨碇最小距離10 m，最大距離17 m，遠小于規(guī)定最小凈距離54 m。

高速公路毛家寨隧洞位于錨碇隧洞左右斜下側(cè)，與后錨室最近空間距離23 m，遠小于規(guī)定界限值最小凈距54 m(見圖2)。

圖2 錨碇隧洞與公路隧道相互空間關(guān)系Fig.2 The spatial relation between anchorage tunnel and highway tunnel

2 短掘洞口爆破振動響應(yīng)特征分析

2.1 巖體整體性好陡坡洞口爆破開挖振動響應(yīng)效應(yīng)

關(guān)于順層巖質(zhì)邊坡隧洞洞口爆破振動穩(wěn)定性研究，文獻[3]認為洞口坡體安全系數(shù)應(yīng)考慮振動頻率、阻尼、振動頻率特征更為合理。實驗研究坡底前沿爆破開挖，山坡迎爆側(cè)響應(yīng)強于山脊背爆側(cè)放大振動作用，頻域隨淺埋隧洞跨覆比與垮高比增加而變寬，地表響應(yīng)增強，且主頻高移[4-5]，錨碇隧洞或公路隧道開挖為陡坡坡體內(nèi)非坡底前沿地表爆破開挖，且因黏性土濾波作用，本頻率域變窄，主頻低移，而當(dāng)山坡自振頻率偏高，兩者必然回移，因此需研究陡坡洞口爆破振動響應(yīng)特征，以確認誘發(fā)坍塌隱患難易程度。

物理模型被視地質(zhì)體為黏彈體，隧洞輪廓與地表為自由面，其他界面為無限體，對等同爆源因素、等距離、類似的地質(zhì)條件進行地質(zhì)體爆破動力數(shù)值模擬研究，有阻尼受迫動力平衡方程為

(1)

物理力學(xué)模型數(shù)值模擬研究結(jié)果表明洞口振動增強，有放大振動作用。

由于離洞口短距離掘進，地震波傳播路徑短，巖土濾波作用弱，頻率未能降至洞口自振頻率而因共振而出現(xiàn)反彈，出現(xiàn)振動速度隆起，而是下臥巖層牽引上覆蓋層振動，上覆巖層位于遠端或末端，即自由端，地震波入射到地表界面發(fā)生反射而強度加倍增加，振動必然成倍加強，如爆破振動峰值強烈至一定程度，洞口出現(xiàn)淺層卸載裂縫，甚至發(fā)展，上或外巖層即洞口巖體可被甩脫或滑坡。

2.2 陡坡深層卸載裂縫爆破開挖洞口振動效應(yīng)

地震波因以巖土顆粒相互牽引而傳播，而卸載裂縫或斷層巖粒空隙增大致使具有短波長、高頻波難以為繼；或因其充填物黏性較強，其有阻高頻通低頻特征，因此斷層或卸載裂縫濾波作用突出，僅能低頻長波傳播。

因錨碇隧洞或公路隧道近洞口短距離開挖爆破擾動形成地震波主震頻率偏高，波長短，因此上、下或里、外巖層振動特征區(qū)別顯著，出現(xiàn)振型與下臥巖體不一致，振動頻率降低，振幅加大，呈現(xiàn)相對位移，裂縫或斷層層間垂直越大越明顯，相對振動越強烈，裂縫發(fā)展或斷層走滑越快，因而覆蓋層或殘積地層振動響應(yīng)相對加強，存在放大效應(yīng)，導(dǎo)致深層卸載裂縫外層巖體整體大規(guī)模滑坡(見圖3)。

圖3 錨碇隧洞深層陡傾斜順層卸載裂縫Fig.3 Unloading crack of deep steep inclined bedding of anchorage tunnel

2.3 偏壓套拱巨型危石洞口爆破振動力學(xué)特點

洞口賦存豎向“X”交叉次生斷層，形成巨型危巖偏壓套拱，易形成軸向、橫向裂縫發(fā)展，套拱畸變失穩(wěn)。

錨碇隧洞爆破掘進，可加劇惡化孤石偏壓套拱力學(xué)參數(shù)。

偏壓套拱巨型孤石，由于位于遠端或末端，且無受山體牽引作用，僅存推力作用，當(dāng)洞口受爆破地震波地振響應(yīng)，孤石回程可為非觸及，必然出現(xiàn)砸向套拱，損傷套拱，導(dǎo)致洞口巖體失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致洞口崩塌。

赤水河大橋錨碇隧洞洞口深部陡傾斜順層卸載裂縫經(jīng)勘察確認貫通錨碇隧洞，巨型孤石偏壓套拱。因高陡邊坡不適宜削坡，清除危石。

通過對深部順層卸載裂縫注漿錨固支護，地表多級截洪排水治理；孤石偏壓套拱適宜于縫隙灌漿增厚，加長加厚套拱和二襯，同時用砼澆筑以斜坡形式抹平孤石四周進行防治，使洞口形成整體性強的結(jié)構(gòu)體(見圖4)。實踐證明加固效果良好。

圖4 孤石偏壓錨碇隧洞加強套拱Fig.4 Strengthened arch of anchorage tunnel with isolated rock bias

3 中隔巖柱振動響應(yīng)力學(xué)分析

3.1 先行洞中隔巖柱爆破振動特征分析

3.1.1 軸向振動特征分析

數(shù)值模擬和實驗研究隨后行錨碇隧洞爆破開挖推進，先行洞中隔巖柱振動響應(yīng)逐漸增強[6]。中隔巖柱振動響應(yīng)特征必受邊界約束與藥包群包絡(luò)空間激勵因素或特征的影響。沿錨碇隧洞軸線，斷面連續(xù)擴張，中隔巖柱高厚比增大，厚度減小，柔性增強，擺動幅度必然增大，先行洞中隔巖柱振動響應(yīng)也應(yīng)逐漸增強(見圖5)。

圖5 中隔巖柱先行隧洞側(cè)測點分向振動速度Fig.5 Vibration and velocity of the measuring point on the rock pillar in the proceeding tunnel

在中隔巖柱上先行洞側(cè)，與后行洞掌子面0、3、8 m布設(shè)質(zhì)點速度監(jiān)測點(見圖6)，驗證了理論分析正確性(見圖5)，體現(xiàn)了后行洞爆破開挖，中隔巖柱先行洞側(cè)沿軸質(zhì)點振動速度空間分布態(tài)勢。當(dāng)然若振源強度增強，必然整個中隔巖柱擺動增大。

圖6 后行洞單藥包爆破先行洞中隔巖柱質(zhì)點振動速度Fig.6 Particle vibration velocity of rock separation column in the first tunnel of single charge blasting in the rear tunnel

自振模態(tài)頻率是研究的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)在、固有特性，與質(zhì)量反向相關(guān)，與剛度正向相關(guān)，系統(tǒng)剛度與結(jié)構(gòu)自然邊界自由度、邊界約束條件呈正向相關(guān)，受迫振動頻率越接近自振頻率，越接近基頻，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)擺幅越大。

爆破地震波為非平穩(wěn)隨機復(fù)合波動，為多階振型波，越接近巖土自振頻率、基頻，巖土振動幅度越大。由于巖土阻尼作用，地震波高級振型更易衰減，僅在初始時域、近區(qū)域才比較明顯。

但先行洞中隔巖柱振動響應(yīng)，從后行洞開挖斷面處，沿隧洞軸線至出口方向，不是逐漸減小，而是逐漸增大，然后開始逐漸減小至消失。中隔巖柱約束在后行洞開挖斷面處因發(fā)生突變，后行洞對中隔巖柱約束在斷面處發(fā)生突變，解除邊界約束，遠離突變點，中隔巖柱柔度增強，受后行洞開挖斷面約束影響減弱，必然振幅逐漸增大，爆破振動響應(yīng)增強。爆破地震波遠離爆源傳播，因地震波能流耗損與彌散，必然衰減。

中隔巖柱徑向不受約束，暴露面積大，軸向無邊界條件，而豎向上下邊界約束條件較強，相對于爆源特征，徑向、軸向、法向三分量振動響應(yīng)依次減弱。遠離爆源，因地震波能流路徑存在耗損與彌散，三分量逐漸緩慢而傾于一致。

面內(nèi)點陣藥包群爆破地震波主傳播方向為藥包群面中心法線方向，該方向15～20 m內(nèi)衰減很慢，因此前后洞爆破開挖面需拉開距離，確保施工安全。

為避免中隔巖柱出現(xiàn)過度振動響應(yīng)，可通過改善軸向爆破振動響應(yīng)動力分布特征，拉開先、后行洞爆源距離，優(yōu)化爆破參數(shù)而實現(xiàn)，同時調(diào)整原“一”型正臺階為“L”型臺階或垂直梯形掏槽控爆推進(見圖7)，同等條件下，爆破振動測試強度降低，其實質(zhì)增加了中隔巖柱邊界約束。

圖7 優(yōu)化后“L”型臺階控爆、垂直梯形控爆開挖推進Fig.7 Propulsion of “L” bench or vertical trapezoid blasting excavation

相鄰兩輪分別采取普通“一”型臺階與“L”型臺階爆破開挖，采用相同爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方式，在隔巖柱先行洞側(cè)對應(yīng)點使用TC-4850爆破測振儀拾振分析，“一”型臺階爆破振動較“L”型強烈(見圖8)。

圖8 普通臺階爆破與“L”臺階爆破質(zhì)點振動度比較Fig.8 Comparison of particle vibration degree between ordinary bench blasting and “L” bench blasting

3.1.2 斷面振動特征分析

中隔巖柱邊墻從拱腳至柱頂較從拱腳至柱腳振動響應(yīng)峰值更快衰減。

地震波徑向遠離爆源，先行隧洞產(chǎn)生應(yīng)力集中，后逐漸恢復(fù)原有地震波遠行傳播特征。先行洞因應(yīng)力集中，可能被破損，因中隔巖柱為迎爆側(cè)，邊界約束弱，中隔巖柱為應(yīng)力集中峰值點，遠端約束條件強，地震波畸變下降，遠端柱腳圍巖擺幅最弱。

為改善先行錨碇隧洞爆破振動動力分布，可優(yōu)化后行洞爆破參數(shù)。減少上臺階爆破高度，掏槽靠近對側(cè)布置，控制掏槽最大段藥量。

3.2 后行洞爆破開挖形式對振動響應(yīng)特征反應(yīng)分析

3.2.1 爆源因素與距中隔巖柱距離對中隔巖柱影響

炸藥爆速低、沖擊波強度弱、藥包遠離圓形、單藥包量低、單段藥量低、藥包分散大、延時長，重心遠離中隔巖柱，則后行洞中隔巖柱爆破振動相應(yīng)響應(yīng)小。

孔特征、孔網(wǎng)參數(shù)、起爆順序、延時特征、掏槽形式、孔參數(shù)、預(yù)裂狀態(tài)、光爆形式、不耦合系數(shù)等爆破參數(shù)決定了炸藥包特征及其空間點陣狀態(tài)，起爆時間狀態(tài)，裝藥集中度、裝藥量、藥包集中度、夾制系數(shù)，與中隔巖柱空間位置關(guān)系，最終決定和影響中隔巖柱、隧洞圍巖響應(yīng)程度，破損與圍巖與中隔巖柱的穩(wěn)定。應(yīng)避免使用近球形、較大藥包、藥包群高度集中，耦合裝藥和近中隔巖柱掏槽。

3.2.2 改變爆破開挖形式

為降低隧洞圍巖、中隔巖柱振動損傷、控制失穩(wěn)，確保開挖進度，可改原臺階開挖、中間掏槽爆破為遠離中隔巖柱，不對稱豎向梯形掏槽，且預(yù)裂孔與光面孔錯開增大距離[7]結(jié)合使用(見圖7)，靠近中隔巖柱可采用逐孔起爆，降低最大段藥量，控制振動，保護中隔巖柱。

在同一錨碇隧道先后進行“一”型、垂直梯形不對稱掏槽同循環(huán)進尺爆破開挖，盡管因“一”型斷面較垂直梯形不對稱掏槽斷面稍小，爆破藥量相對較少，其他條件不變情況下，但在隔巖柱先行洞側(cè)對應(yīng)點拾振分析，垂直梯形不對稱掏槽爆破振動較“一”型小(見圖9)。

圖9 振動監(jiān)測Fig.9 Vibration monitoring

3.3 先行洞爆破開挖中隔巖柱爆破振動響應(yīng)分析

先行洞與后行洞工作面間最小要求間隔距離取決于先行洞爆破開挖激勵振動標準距離與后行洞爆破開挖激勵振動所確定的距離中較大值。由于后行洞開挖激勵先行洞中隔巖柱迎爆側(cè)振動響應(yīng)受到邊界約束沿掘進方向傳播更加自由，爆破地震能流密度減小，剛度更好，穩(wěn)定性高。先行洞爆破開挖中隔巖柱剛度更弱，能流密度傳播更加狹窄，能流更加集中，剛度更弱(見圖10)，因此由先行洞爆破開挖，確定間隔距離。

圖10 振動響應(yīng)速度Fig.10 Vibvation response speed

4 爆破開挖公路隧道與錨碇隧洞間的相互影響分析

4.1 公路隧道先行掘進振動響應(yīng)力學(xué)特征分析

分離式和小凈距公路隧道呈豎直平面對稱，均勻位于錨碇隧洞左、右斜下側(cè)，與后錨室最近空間距離23 m，遠小于規(guī)定的小凈距54 m，且后錨室地下空間斷面面積甚至達到460 m2。

離散數(shù)值模擬研究認為，爆破振動在垂直方向較水平衰減更快[8]，上跨或下穿隧洞實驗研究均認為拱頂振動響應(yīng)最為強烈[9]，因此需對爆破振動激勵錨室與公路隧道間間柱、錨室間中隔巖柱的振動響應(yīng)進行研究。先后分別在對側(cè)錨碇隧道、公路隧道采用相同爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方式進行開挖爆破，在對應(yīng)在靠的最近公路隧道、錨碇隧道點拾振分析，公路隧道開挖爆破在錨碇隧道產(chǎn)生振動較錨碇隧道開挖爆破在公路隧道強烈(見圖11)。

圖11 同厚中隔巖柱同藥量振動監(jiān)測Fig.11 Vibration monitoring of the same thickness of intermediate rock pillar with the same charge

小斷面較大斷面具有更優(yōu)的力學(xué)剛度，且有更強的抗冒頂、片幫、底鼓力學(xué)性質(zhì)。錨碇隧洞后行開挖，對公路隧道影響較小。

巖體應(yīng)力場主要由自重應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場以及因采掘工作引起的次生應(yīng)力場構(gòu)成，大多數(shù)情況下原巖水平應(yīng)力遠比垂直方向主應(yīng)力大，因而自重應(yīng)力場不是決定隧道上下開挖順序的決定因素。

4.2 錨碇隧洞先行掘進振動響應(yīng)力學(xué)特征分析

因錨碇隧洞小凈距位于公路隧道其斜上方，后錨室端面積460 m2，疑因公路隧道掘進爆破致使錨碇隧洞圍巖、中隔巖柱與公路隧道間柱激烈振動響應(yīng)而損傷。

離公路隧道近端錨碇隧洞振動強烈，尤其間柱突出，拱頂有加大趨勢。振動速度較公路隧道先行掘進強烈。

為避免兩類隧洞因爆破掘進損傷，可通過公路隧道施工先行，同時優(yōu)化爆源因素實現(xiàn)。

5 結(jié)論

1)高陡峭壁卸載順坡裂縫貫穿隧道、巨型孤石偏套拱，爆破開挖加劇洞口振動，易導(dǎo)致滑坡、洞口坍塌。采取錨固注漿，加強套拱，截洪，可達到維護洞口穩(wěn)定效果。

2)后行洞爆破開挖，中隔巖柱先行洞側(cè)沿軸質(zhì)點振動速度呈現(xiàn)先逐漸增后減小的趨勢。為避免中隔巖柱塑化，降低振動，結(jié)合預(yù)裂與光面技術(shù)，遠離巖柱垂直梯形掏槽或“L”臺階爆破來實現(xiàn)。

3)苛刻的小凈距公路隧道、錨碇隧洞爆破開挖，公路隧道應(yīng)先于錨碇隧洞開挖。