隧道爆破開挖產(chǎn)生地表震動(dòng)效應(yīng)研究

楊開江

(中鐵十五局集團(tuán)遼吉黑蒙指揮部，吉林 長(zhǎng)春 130123)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，交通運(yùn)輸量日益增多。作為交通運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)分支，隧道交通運(yùn)輸具有占地少、速度快、克服高程障礙等優(yōu)點(diǎn)，而在一定深度范圍內(nèi)隧道開挖施工會(huì)對(duì)地面的已有建(構(gòu)) 筑物產(chǎn)生一定影響?，F(xiàn)如今，采用爆破開挖的礦山法仍然是隧道修建的主要方法，此種方法輕則噪聲擾民，重則對(duì)地表的房屋建筑造成震動(dòng)甚至產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的破壞。截至2018 年底，中國(guó)共建設(shè)有交通隧道36 103 km。其中，鐵路隧道15 177 座，長(zhǎng)度16 331 km;公路隧道16 500 座，長(zhǎng)度15 940 km; 城市軌道交通隧道5 766 km，其中地鐵約4 511 km[1]。隨著隧道建設(shè)總長(zhǎng)的不斷增加，其爆破開挖對(duì)地面建筑物造成的負(fù)面影響問題已經(jīng)得到了工程界和學(xué)術(shù)界的重視，科研人員通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)[2]、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]、數(shù)值模擬[4]等方法和技術(shù)手段進(jìn)行了廣泛研究，取得了一些研究成果。

楊云凌[5]依托長(zhǎng)沙市地鐵二號(hào)線的一段隧道，結(jié)合爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析模擬，闡述了隧道埋深與振速放大系數(shù)之間的關(guān)系; 龍?jiān)吹萚6]通過從不同角度對(duì)大量的深孔爆破地震動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得到了巖石中爆破地震波傳播的頻率、幅值和持續(xù)時(shí)間等主要參數(shù)的變化規(guī)律以及它們的影響因素; 王蕊等[7]以某公路隧道工程掘進(jìn)開挖爆破的震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為依托，運(yùn)用數(shù)值三維模型實(shí)體建模研究，隧道下穿村莊時(shí)當(dāng)?shù)孛裼媒ㄖA(chǔ)、圈梁、樓板、柱等不同的速度響應(yīng)時(shí)程，分析得出響應(yīng)規(guī)律。還有一些學(xué)者就隧道爆破開挖對(duì)其鄰近隧道的影響做了分析研究[8-9]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托愛民山隧道，利用ANSYS 有限元分析軟件，分析其爆破開挖在地表產(chǎn)生的震速波形圖，總結(jié)地表的震動(dòng)規(guī)律，判斷地面建筑物的安全性。目前，通常以建筑物的震動(dòng)速度作為衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)，震動(dòng)速度的安全合理范圍和標(biāo)準(zhǔn)遵照GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程。

1 工程概況

愛民山隧道位于丹東市郊附近，屬于丹東市四號(hào)干線(花園路至寶山大街段) ，呈北東走向展布，設(shè)計(jì)為兩條小凈距單行線曲線隧道，屬短隧道; 隧道左線全長(zhǎng)500 m，右線全長(zhǎng)42 m，采用暗挖鉆爆法施工。隧道區(qū)地表覆蓋層較厚，大部分都被殘積土、全風(fēng)化變粒巖等所覆蓋，露頭較少，變粒巖節(jié)理裂隙以風(fēng)化、構(gòu)造裂隙為主。隧道入口段及出口段為Ⅴ2，Ⅴ1級(jí)圍巖，洞身段為Ⅳ3，Ⅳ2級(jí)圍巖。愛民山頂距隧道約50 m，且有民用建筑;隧道寶山大街端左線線位左側(cè)約60 m 處為元寶區(qū)抗美援朝烈士陵園，這就要求隧道的爆破施工不能對(duì)山頂?shù)拿裼媒ㄖ土沂苛陥@產(chǎn)生影響。

隧道巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 模型建立

本文利用ANSYS 軟件的LS-DYNA 模塊建立實(shí)體三維模型并進(jìn)行運(yùn)算，模型圖如圖1 所示。由于隧道的爆破開挖會(huì)對(duì)周圍巖體及地表產(chǎn)生一定的影響，為減小邊界效應(yīng)的影響，選取長(zhǎng)度方向?yàn)?50 m，高度為100 m，隧道頂部距地表45 m，隧道距左側(cè)的隧洞為40 m，縱向深取107．5 m，其中包括前部已開挖的50 m，中部5 個(gè)1．5 m正在開挖的小段以及后部未開挖的50 m。數(shù)值模擬采用位移邊界條件，將模型的4 個(gè)側(cè)面和底部均設(shè)為無反射的固定邊界，固定邊界位移滿足ux=uy=uz=0; 地表及隧道已開挖區(qū)周邊設(shè)為自由邊界。靜力分析時(shí)其計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求，動(dòng)力計(jì)算時(shí)的計(jì)算時(shí)間主要依據(jù)動(dòng)力荷載時(shí)間來確定。

圖1 隧道模型圖

3 爆破荷載及時(shí)間的確定

采用ANSYS 分析爆破震動(dòng)的一項(xiàng)重要工作就是建立一個(gè)合理的爆破加載模型，這就需要確定爆破激振力的大小、方向、作用位置、峰值時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)間等內(nèi)容。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，巖體內(nèi)的爆破波多以三角形荷載為主，即壓力經(jīng)過一個(gè)上升段后到達(dá)峰值后急劇衰減。根據(jù)工程資料，爆破壓峰值取15 MPa，荷載以壓力形式均布荷載作用在隧道壁和掌子面上，加載時(shí)間為12 ms，卸載時(shí)間為78 ms，取計(jì)算時(shí)間為1 s，如圖2 所示。

圖2 爆破荷載時(shí)刻圖

4 計(jì)算結(jié)果與分析

在介質(zhì)中傳播的擾動(dòng)稱為波，炸藥在巖體等介質(zhì)中爆炸所激起的應(yīng)力擾動(dòng)的傳播稱為爆炸應(yīng)力波。大多數(shù)巖石中激起的爆炸應(yīng)力波在距離爆炸點(diǎn)不同距離處表現(xiàn)為沖擊波、爆炸應(yīng)力波和地震波。

4．1 地表震速波形分析

本部分取爆源正上方地表的44569 號(hào)節(jié)點(diǎn)，已開挖段距爆源15 m 處地表的27380 號(hào)節(jié)點(diǎn)以及未開挖段距爆源15 m 處地表的76614 號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 取點(diǎn)位置平面示意圖

輸出各節(jié)點(diǎn)在此1 s 的爆破過程的震速波形圖如圖4 ～圖9 所示。

圖4 爆源后方15 m 處地表X 方向v-t 圖

圖5 爆源后方15 m 處地表Y 方向v-t 圖

圖6 爆源上方地表X 方向v-t 圖

圖7 爆源上方地表Y 方向v-t 圖

圖8 爆源前方15 m 處地表X 方向v-t 圖

圖9 爆源前方15 m 處地表Y 方向v-t 圖

爆破地震波有縱波(P 波) 和橫波(S 波) 之分，縱波傳播速度快，振幅小。從以上震速時(shí)程波形圖可以看出，對(duì)于爆源正上方及其后15 m 和前15 m 處地表節(jié)點(diǎn)來說，X方向震速較大的部分主要集中在0．2 s ～0．4 s 之間，最大震速為爆源后方15 m 處地表0．48 cm/s，0．4 s后速度峰值逐漸衰減，但相鄰的波峰和波谷之間有小幅的波動(dòng)。由于縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度快于橫波的傳播速度，所以我們可以看出，X方向的震速峰值出現(xiàn)有滯后性，滯后約100 ms。Y方向的震動(dòng)速度較大時(shí)刻出現(xiàn)在0 s ～0．2 s，0．2 s 后震速逐步衰減，且衰減的波形較X方向更為“規(guī)則”，即幾乎未出現(xiàn)波峰和波谷之間的小幅波動(dòng)，最大震速為爆源后方15 m 處地表1．3 cm/s。

4．2 地表震速衰減規(guī)律

4．2．1爆破震動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》) ，測(cè)點(diǎn)震速與測(cè)點(diǎn)距爆破區(qū)域距離和炸藥使用量有關(guān)，同時(shí)與爆破區(qū)域地形地質(zhì)、爆破方法等因素亦有明顯關(guān)系，可按式(1) 計(jì)算，式(1) 亦可稱為薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式:

其中，V為爆破地震波質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)速度，cm/s;K，α分別為與爆破點(diǎn)至測(cè)點(diǎn)之間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定;在無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，可參考表2 選取;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;R為爆破中心到測(cè)點(diǎn)之間的距離。

表2 爆區(qū)不同巖性的K，α 值

4．2．2地表節(jié)點(diǎn)震速分析

我們以爆源(掌子面) 為中心，在地表沿隧道開挖掘進(jìn)的方向取17 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖10 所示。相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為15 m，其中，爆源正上方的為9 號(hào)節(jié)點(diǎn)，1 號(hào)～8 號(hào)節(jié)點(diǎn)位于隧道已開挖段正上方的地表，10 號(hào)～17 號(hào)節(jié)點(diǎn)位于隧道未開挖段正上方的地表。

圖10 取點(diǎn)位置平面示意圖

取各節(jié)點(diǎn)在爆破過程中的三個(gè)方向最大的震速峰值繪制曲線，如圖11 所示。

圖11 地表節(jié)點(diǎn)震速峰值

從圖11 中可見，在隧道開挖掘進(jìn)方向取的節(jié)點(diǎn)中，處于已開挖段(1 號(hào)～8 號(hào)) 和未開挖段(10 號(hào)～17 號(hào))的節(jié)點(diǎn)震速峰值衰減呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律。對(duì)于未開挖段，節(jié)點(diǎn)震速峰值隨著與爆源距離的增大而逐漸減小，且衰減的速率較為緩慢，符合《規(guī)程》給出的經(jīng)驗(yàn)公式; 對(duì)于已開挖段，節(jié)點(diǎn)震速峰值隨著與爆源距離的增大而先增大后減小，且在距離爆源25 m ～30 m 處震速峰值衰減較快，因此，不符合《規(guī)程》給出的經(jīng)驗(yàn)公式。從圖11 中看到，震速峰值的最大值并非出現(xiàn)在爆源正上方的地表位置，而是在已開挖區(qū)距離爆源10 m 左右的位置，最大值為3．23 cm。隧道在爆破開挖施工中，地表質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度存在空洞放大效應(yīng)。隧道掘進(jìn)爆破震動(dòng)空洞效應(yīng)是指已開挖區(qū)形成的空洞導(dǎo)致其上部地表震動(dòng)速度大于未開挖部分的地表震動(dòng)速度的現(xiàn)象?？斩葱?yīng)導(dǎo)致地表震動(dòng)速度存在區(qū)域性變化的特點(diǎn)，使得處于隧道已開挖區(qū)的地表震動(dòng)速度大于未開挖區(qū)地表的震動(dòng)速度，且二者的爆破地震波衰減規(guī)律亦不一致。

5 結(jié)論

本文利用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)丹東市愛民山隧道進(jìn)行爆破掘進(jìn)開挖的數(shù)值模擬，通過對(duì)一些地表特殊節(jié)點(diǎn)的震速波形分析，得出以下結(jié)論:1) 根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程規(guī)定: 建(構(gòu)) 筑物的爆破地震震動(dòng)速度應(yīng)小于50 mm/s。在隧道掘進(jìn)方向選取的地表16 個(gè)節(jié)點(diǎn)中，最大的震速峰值為32． 3 mm/s，這個(gè)數(shù)值小于規(guī)定的50 mm/s，所以山頂?shù)拿裼媒ㄖ前踩摹?) 在隧道爆破掘進(jìn)過程中，由于縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度快于橫波，所以地表同一個(gè)節(jié)點(diǎn)不同方向的震速峰值的時(shí)刻不同，橫波有明顯的滯后性。爆破地震波的震速在到達(dá)峰后逐漸衰減，但橫波會(huì)有小幅波動(dòng)。3) 由于空洞效應(yīng)的存在，導(dǎo)致處于隧道已開挖區(qū)的地表震動(dòng)速度大于未開挖區(qū)的地表震動(dòng)速度，在距離爆源15 m ～30 m 處空洞放大效應(yīng)最為明顯。因此，在隧道爆破開挖的過程中，應(yīng)該控制炸藥用量，采用合理的爆破施工方案，做好已開挖隧道的支護(hù)和襯砌工作。