近距離爆破作用下既有襯砌動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析

王 偉，江 鴻，袁 青，楊 林，陳培帥

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100088；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430040；4.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求量大。特別是山嶺地區(qū)，受地形、地質(zhì)等因素限制，公路隧道改擴(kuò)建工程大量涌現(xiàn)[1]?？紤]線路整體線型及高差條件，一般情況下在建隧道與既有隧道的設(shè)計(jì)間距較小，在建隧道施工中由于開挖擾動(dòng)或爆破控制不當(dāng)?shù)纫蛩赝鶗?huì)造成既有隧道襯砌的開裂及損傷等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著既有隧道的運(yùn)營安全[2]。因此，如何有效地控制在建隧道爆破對(duì)既有隧道的影響，仍然是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。任登富等[3]依托貴陽地鐵暗挖隧道工程對(duì)數(shù)碼電子雷管錯(cuò)峰減振技術(shù)進(jìn)行研究，數(shù)碼雷管可精準(zhǔn)授時(shí)實(shí)現(xiàn)各炮孔錯(cuò)相減振，確保鄰近建筑物的安全；趙志剛等[4]依托大斷面黃土隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)光面爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了既有隧道安全運(yùn)營；吳慧等[5]依托某擴(kuò)建隧道工程，通過精細(xì)化炮孔設(shè)計(jì)控制了爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的危害；林立宏等[6]依托樓山隧道擴(kuò)挖工程對(duì)鄰洞隧道振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行研究，鄰洞隧道迎爆側(cè)振動(dòng)強(qiáng)度大于背爆側(cè)，而既有隧道空間對(duì)振動(dòng)衰減效果明顯；蔣楠等[7]依托某緊鄰隧道工程對(duì)爆破振動(dòng)作用下既有襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行研究，得出振速峰值衰減經(jīng)驗(yàn)公式；汪平等[8]依托京張高鐵隧道工程對(duì)小近距隧道爆破下緊鄰既有隧道迎爆側(cè)洞內(nèi)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并提出針對(duì)掏槽孔的控爆措施。

綜上，目前有關(guān)改擴(kuò)建隧道爆破對(duì)既有建(構(gòu))筑物的影響研究較多，主要集中在爆破振動(dòng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律、爆破控制技術(shù)等方面，而有關(guān)既有結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及安全控制標(biāo)準(zhǔn)研究還不全面，缺乏普遍適用性。鑒于此，本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法研究在建隧道爆破對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，確定適合于該在建隧道爆破對(duì)既有襯砌結(jié)構(gòu)的安全控制閾值，確保既有隧道的運(yùn)營安全，以期為類似隧道施工爆破控制提供借鑒。

1 工程概況及重難點(diǎn)

某在建隧道為單向三車道城市主干道，設(shè)計(jì)車速50 km/h。隧道長(zhǎng)度為630 m，最大埋深為145 m，最大開挖寬度為16.32 m，最大開挖高度為10.45 m，隧道洞身圍巖主要以Ⅴ級(jí)強(qiáng)～中風(fēng)化砂、泥巖為主，呈黃褐色～灰褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有水平層理，層狀構(gòu)造，局部存在薄層狀構(gòu)造，遇水易軟化，開挖后不及時(shí)支護(hù)存在坍塌施工風(fēng)險(xiǎn)，施工開挖時(shí)先做好超前支護(hù)，部分V級(jí)圍巖段現(xiàn)場(chǎng)采用臺(tái)階法開挖，上下臺(tái)階間距控制在(1～2)D(D為開挖洞徑)。由于在建隧道與既有隧道之間的凈距較小(見圖1)，為27.3 m，按照《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》[9]的要求，屬于小凈距一般影響程度。為了減小在建隧道在施工時(shí)對(duì)既有隧道的影響，需要對(duì)在建隧道爆破進(jìn)行嚴(yán)格控制。上臺(tái)階掏槽孔的形式為傾斜掏槽孔，掏槽孔垂直深度比循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)0.3 m，為1.5 m，炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，掏槽孔總裝藥量最大為16.80 kg，各類炮孔之間采用毫秒延時(shí)爆破，相鄰炮孔時(shí)間間隔不小于100 ms。

圖1 在建隧道與既有襯砌位置關(guān)系

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模型建立

為研究在建隧道爆破對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示，整個(gè)計(jì)算模型尺寸為80 m×120 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中假設(shè)x為水平方向，y為隧道掘進(jìn)方向，z為垂直方向。模型主要由巖體、既有襯砌、空氣、炸藥4部分組成，均采用Solid164實(shí)體單元。為提高計(jì)算速度，模型單元?jiǎng)澐謺r(shí)隧道近區(qū)網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)區(qū)網(wǎng)格相對(duì)稀疏，模型四周及底部均采用無反射邊界，地表采用自由邊界，采用kg-m-s統(tǒng)一單位制。由于在建隧道掏槽孔的裝藥量最大，爆破產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)越大，爆破分析模型建立時(shí)僅考慮掏槽孔爆破作用，炸藥等效作用位于隧道開挖斷面中心位置[10]。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型參數(shù)選取

巖體與既有襯砌視為均質(zhì)體，采用塑性隨動(dòng)模型本構(gòu)關(guān)系(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，部分計(jì)算參數(shù)如表1所示，其他參數(shù)見文獻(xiàn)[11-12]；炸藥采用高能炸藥模型本構(gòu)(*MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN)及相應(yīng)狀態(tài)方程(*EOS_JWL)描述，炸藥模擬參數(shù)分別為：V′為初始相對(duì)體積，取1.0；A、B、R1、R2、ω為炸藥材料參數(shù)，一般通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行修正，分別取42 GPa、0.44 GPa、3.55、0.16、0.41；炸藥密度ρ取1 100 kg/m3；爆速D取為3 400 m/s；已開挖區(qū)域及既有襯砌內(nèi)部空氣采用空材料模型本構(gòu)(*MAT_NULL)及相應(yīng)狀態(tài)方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)狀態(tài)方程進(jìn)行模擬，相關(guān)參數(shù)為：E為初始能量密度，取2.5×106Pa；比體積μ取1.4；狀態(tài)方程常數(shù)C0～C3、C6取0；狀態(tài)方程常數(shù)C4～C5取0.4；空氣密度密度ρ取1.25 kg/m3。

表1 巖體及既有襯砌參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬對(duì)比分析

為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬參數(shù)進(jìn)行修正，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置在與爆破源中心線在同一斷面的既有襯砌迎爆側(cè)邊墻位置，如圖3所示。為進(jìn)一步研究在建隧道爆破對(duì)既有襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，分別提取了爆破源同斷面既有襯砌8個(gè)不同位置(拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右拱腳、仰拱)的振動(dòng)速度及爆破影響最大的迎爆側(cè)縱向邊墻位置測(cè)點(diǎn)的爆破振速，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為2 m，其中：vx、vy、vz、v合分別代表x、y、z方向振速及三向合振速。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬合振速對(duì)比驗(yàn)證分析如圖4所示。從圖中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試振速曲線表現(xiàn)出明顯階段性峰值振速，與隧道炮孔裝藥量和所用雷管段位相匹配，各毫秒雷管所對(duì)應(yīng)的階段性振速峰值依次減小，表明隧道爆破開挖由內(nèi)向外逐層進(jìn)行，依次為掏槽孔→輔助孔→崩落孔→周邊孔，各炮孔最大段裝藥量也逐級(jí)減小。而同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試爆破合振速與數(shù)值模擬合振速最大值相接近，相對(duì)誤差為4.37%，其中掏槽孔(雷管段位為MS1)爆破振動(dòng)作用下合振速峰值最大為4.35 cm/s，爆破時(shí)程曲線與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說明數(shù)值模擬結(jié)果能較好地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爆破振動(dòng)影響。

注：MS1～MS13分別表示延時(shí)毫秒雷管段別。

3.2 爆破振速分析

既有襯砌合振速分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出，隧道爆破振動(dòng)波首先傳播到與爆破源同斷面的既有襯砌，且既有襯砌迎爆側(cè)左邊墻位置先產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，并形成振動(dòng)圈沿隧道襯砌逐步向外擴(kuò)展，在距離最近的迎爆側(cè)左邊墻合振速達(dá)到最大值(t=12 ms時(shí))，此刻圖中紅色區(qū)域代表合振速最大區(qū)域，即為爆破振動(dòng)影響最大位置。隨著時(shí)間推移，振動(dòng)圈逐漸擴(kuò)大(t=15 ms時(shí))，合振速不斷衰減，合振速峰值呈現(xiàn)先急劇增大，后逐漸衰減的變化趨勢(shì)，此刻云圖色譜顏色變淡(t=18、22 ms時(shí))，迎爆側(cè)合振速明顯大于背爆側(cè)的現(xiàn)象，因此，既有襯砌迎爆側(cè)為爆破振動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)。

圖5 既有襯砌合振速分布云圖

既有襯砌爆破振速分布規(guī)律如圖6所示。從圖6a既有襯砌各向振速分布曲線中可以看出，整體表現(xiàn)出迎爆側(cè)位置爆破振速明顯大于背爆側(cè)，迎爆側(cè)振速約為背爆側(cè)振速的4～7倍，其中迎爆側(cè)左邊墻位置各向振速均最大，vx、vy、vz、v合分別為4.13、1.83、0.86、4.54 cm/s，其值均小于規(guī)范[9]控制標(biāo)準(zhǔn)值8～10 cm/s，而背爆側(cè)右邊墻和右拱腳位置爆破振速最小。爆破荷載作用下，既有襯砌結(jié)構(gòu)主要以水平徑向振速(x方向)為主，水平切向振速與垂向振速次之，整體合振速與水平徑向振速變化規(guī)律基本一致，且數(shù)值相差不大，因此，在監(jiān)測(cè)過程中以水平徑向振速(x方向)峰值大小來評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)影響程度是合理的。

圖6 既有襯砌爆破振速分布規(guī)律

此外，既有襯砌左拱腳至左拱腰位置各向振速大小依次為vx>vy>vz，拱頂至右邊墻至仰拱位置各向振速大小依次為vx>vz>vy，從既有襯砌拱頂位置開始迎爆側(cè)垂向振速大于水平切向振速，而背爆側(cè)則相反，說明迎爆側(cè)主要受到爆炸應(yīng)力波的垂直入射作用，水平徑向振速與水平切向振速表現(xiàn)突出；而背爆側(cè)主要受到應(yīng)力波通過上部拱頂和下部仰拱的繞射作用，水平徑向振速與垂向振速表現(xiàn)較為突出。

為研究迎爆側(cè)既有襯砌邊墻位置縱向分布規(guī)律，對(duì)既有襯砌邊墻位置測(cè)點(diǎn)各向振速進(jìn)行提取(0斷面為與爆破源的位于同斷面的既有襯砌斷面)，如圖6b所示。從圖中可以看出，各向爆破峰值振速基本關(guān)于爆破中心斷面呈對(duì)稱分布狀態(tài)，隨著爆心距的增大而逐漸衰減，在距離爆破中心斷面(1～2)D范圍內(nèi)各向峰值差振速異明顯，大于此距后各向爆破峰值振速較接近。而已開挖方向既有襯砌迎爆側(cè)邊墻位置爆破振速衰減速率略大于未開挖方向，說明已開挖方向掌子面后方由于空洞的存在導(dǎo)致爆破振動(dòng)傳播過程中爆破能量損失較大，爆破振速減小速率加快。

3.3 爆破應(yīng)力分析

既有襯砌應(yīng)力分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，在建隧道爆破作用下，爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律與爆破振速傳播規(guī)律相吻合，均由爆破源近區(qū)產(chǎn)生逐漸向周圍傳播，先到達(dá)既有襯砌迎爆側(cè)，后逐漸向背爆側(cè)擴(kuò)散，故迎爆側(cè)受到較高的沖擊拉應(yīng)力，其中最大拉應(yīng)力主要集中在迎爆側(cè)邊墻、拱腳及拱頂位置，最大值為0.41 MPa，因此迎爆側(cè)拱腳至拱頂位置在爆破施工過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖7 既有襯砌應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)果與討論

綜上分析，爆破荷載作用下既有襯砌結(jié)構(gòu)振速與應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。選取了41組迎爆側(cè)邊墻位置爆破合振速v合與最大拉應(yīng)力σt進(jìn)行線性擬合(見圖8)，可得：

圖8 最大拉應(yīng)力與合峰值振速擬合

σt=0.076 1v合+0.023 5，R2=0.869 9

(1)

既有襯砌隧道采用50 cm厚的C30鋼筋混凝土，在動(dòng)荷載作用下既有襯砌抗拉強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，但考慮爆破損傷及服役年限等不利因素影響，既有襯砌極限抗拉強(qiáng)度取1.30 MPa[13]。為保證既有襯砌結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，需要考慮一定安全系數(shù)1.7[14]，根據(jù)式(1)可得在建隧道爆破條件下，既有襯砌的安全振速閾值為9.87 cm/s。因此，在隧道爆破施工過程中應(yīng)根據(jù)爆破安全振速閾值對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，避免影響既有襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

1)掏槽孔裝藥爆破條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，兩者合峰值振速曲線變化規(guī)律相吻合，峰值振速較接近，相對(duì)誤差僅為4.37%，說明數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好地反映現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)響應(yīng)。由于不同炮孔之間的裝藥量和延時(shí)雷管段別存在較大差異，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試峰值振速曲線表現(xiàn)出明顯的階段性。

2)爆破荷載作用下既有襯砌迎爆側(cè)峰值振速明顯大于背爆側(cè)，約為背爆側(cè)的4～7倍，其中迎爆側(cè)邊墻位置峰值振速最大，而背爆側(cè)邊墻及拱腳位置振速相對(duì)較小，且主要以水平徑向振速為主，因此，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)以水平徑向峰值振速大小來評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)影響程度也是合理的。迎爆側(cè)邊墻位置縱向振速分布表現(xiàn)為隨著爆心距的增大而逐漸減小，距離爆破中心斷面(1～2)D范圍內(nèi)各向峰值振速存在較大差異，而后較接近。

3)既有襯砌最大拉應(yīng)力與爆破峰值振速分布規(guī)律基本一致，通過線性擬合建立了爆破峰值振速與最大拉應(yīng)力之間的關(guān)系式，確定既有襯砌的安全振速閾值為9.87 cm/s，因此，應(yīng)根據(jù)此安全振速閾值對(duì)爆破施工進(jìn)行控制。