隧道爆破開挖產(chǎn)生地表震動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬

王海軍， 李業(yè)聞， 趙曉全， 魏 華

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

現(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，此種方法輕則是噪聲擾民，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，我國(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)面影響已經(jīng)得到了工程界和學(xué)術(shù)界的重視，科研人員通過(guò)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.

當(dāng)炸藥在巖石、土壤和其他介質(zhì)中爆炸時(shí)，必須將一部分能量轉(zhuǎn)換為地震波，并且從爆炸源迅速傳播到周圍的介質(zhì)中，從而導(dǎo)致表面和建(構(gòu))筑物的振動(dòng)，在一定范圍內(nèi)對(duì)非爆破目標(biāo)的建(構(gòu))筑物造成不同程度的破壞.隧道爆破開挖影響區(qū)振動(dòng)激勵(lì)下地震波的傳播規(guī)律和地震動(dòng)速度的衰減規(guī)律是當(dāng)前研究的重點(diǎn).

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；鄒新寬等[6]通過(guò)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[8-10].

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托愛民山隧道，利用ANSYS有限元分析軟件建立三維隧道模型，經(jīng)過(guò)瞬時(shí)爆破分析后，得到距離掌子面不同位置的地表震速波形圖，總結(jié)地表的震動(dòng)規(guī)律，判斷地面建筑物的安全性，給出了爆破空洞放大效應(yīng)影響區(qū)域的地表震動(dòng)速度傳播和衰減規(guī)律.本研究為類似工程中小凈距單行線隧道爆破施工對(duì)先行隧道影響提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，也為類似隧道工程的爆破掘進(jìn)在理論上和施工方法上提供參考借鑒.

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；隧道寶山大街段左線線位左側(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.

2 模型建立

2.1 單元類型選取

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.由于隧道爆破是一個(gè)瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并且需要輸出節(jié)點(diǎn)的速度波形圖，所以圍巖采用三維實(shí)體單元(solid164)；初期支護(hù)采用殼單元(shell163)，此單元有大變形、大應(yīng)變能力；錨桿采用三維桿單元(link8)，因?yàn)槠淇沙惺軉屋S的壓力或拉力，符合錨桿在初支的受力特征.隧道不同層巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 隧道巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of tunnel rock and soil

2.2 邊界選取

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，實(shí)踐和理論分析表明，對(duì)于地下洞室開挖后的應(yīng)力應(yīng)變，僅在洞室周圍距洞室中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖寬度(或高度)的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響.在3倍寬度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，在5倍寬度處一般在5%以下[11].因此，計(jì)算邊界可確定在3～5倍的寬度.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)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.

2.3 約束施加

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(wú)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.

2.4 求 解

靜力分析時(shí)，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(lái)確定.劃分完網(wǎng)格的模型如圖1所示.

圖1 隧道模型圖Fig.1 Tunnel model diagram

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(guò)一個(gè)上升段到達(dá)峰值后急劇衰減.根據(jù)工程資料，爆破壓力峰值取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.爆破荷載時(shí)刻圖如圖2所示.

圖2 爆破荷載時(shí)刻圖Fig.2 Blasting load time diagram

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.通過(guò)分析爆炸應(yīng)力波在地表產(chǎn)生的震速波形圖，掌握其震動(dòng)規(guī)律，可以對(duì)地面的建筑物及時(shí)采取合理的保護(hù)措施，或者及時(shí)調(diào)整爆破施工方案.

4.1 地表震速波形分析

本文取爆源正上方地表的44 569號(hào)節(jié)點(diǎn)，已開挖段距爆源15 m處地表的27 380號(hào)節(jié)點(diǎn)以及未開挖段距爆源15 m處地表的76 614號(hào)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)施加爆破荷載后，對(duì)其震動(dòng)速度進(jìn)行分析，輸出各節(jié)點(diǎn)在此1 s爆破過(guò)程的震速波形圖.各個(gè)節(jié)點(diǎn)的震速波形圖如圖3～8所示.

圖3 爆源后方15 m處地表X方向v-t圖Fig.3 X-direction v-t diagram of ground surface at 15 m behind blasting point

圖4 爆源后方15 m處地表Y方向v-t圖Fig.4 Y-direction v-t diagram of ground surface at 15 m behind blasting point

圖5 爆源上方地表X方向v-t圖Fig.5 X-direction v-t diagram of ground surface above blasting point

圖6 爆源上方地表Y方向v-t圖Fig.6 Y-direction v-t diagram of ground surface above blasting point

圖7 爆源前方15 m處地表X方向v-t圖Fig.7 X-direction v-t diagram of ground surface at 15 m ahead of blasting point

圖8 爆源前方15 m處地表Y方向v-t圖Fig.8 Y-direction v-t diagram of ground surface at 15 m ahead of blasting point

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(lái)說(shuō)，X方向震速較大的部分主要集中在0.2～0.4 s之間，最大震速為爆源后方15 m處地表且數(shù)值為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，因此，X方向的震速峰值出現(xiàn)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0～0.2 s，0.2 s后震速逐步衰減，且衰減波形較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處地表且數(shù)值為1.3 cm/s.

4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

占城[12]依托重慶市某隧道工程分析了城市隧道爆破對(duì)鄰近建筑物的影響，該隧道采用微差光面爆破上下臺(tái)階法開挖，炮孔布置圖如圖9所示.

圖9 炮孔布置平面圖Fig.9 Layout plane diagram of blasting holes

本工程監(jiān)測(cè)采用中科測(cè)繪TC4850型爆破震動(dòng)測(cè)試儀、TCS-B3三軸向振動(dòng)速度傳感器，測(cè)得掌子面上方X方向和Y方向的一次爆破測(cè)試典型振動(dòng)時(shí)程曲線如圖10所示.

圖10 測(cè)點(diǎn)速度的時(shí)程曲線Fig.10 Time history curve of measuring point velocity

由圖10可知，X方向的震速峰值有一定時(shí)段的滯后性，且峰值小于Y方向的峰值.這與本文模擬結(jié)果類似，說(shuō)明本文模型具有一定的科學(xué)性和可信度.

4.3 地表震速衰減規(guī)律

4.3.1 爆破震動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)，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，可按薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即

(1)

式中：v為爆破地震波質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)速度；K、α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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，如表2所示；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；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Tab.2 K and α values of different lithologies in blasting zone

4.3.2 地表節(jié)點(diǎn)震速分析

隧道爆破時(shí)，已開挖區(qū)域的地表震動(dòng)速度不能完全利用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，且隧道已開挖區(qū)域的地表震動(dòng)速度比未開挖區(qū)的震動(dòng)速度要大，形成爆破空洞放大效應(yīng).對(duì)于隧道爆破空洞放大效應(yīng)，一些研究人員只是對(duì)隧道掌子面前后的地表震動(dòng)速度建立二維模型進(jìn)行對(duì)比研究[13-15]，并未詳細(xì)給出爆破空洞放大效應(yīng)影響區(qū)域的地表震動(dòng)速度傳播和衰減規(guī)律，也未對(duì)已開挖區(qū)和未開挖區(qū)地表質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且預(yù)測(cè)模型較為簡(jiǎn)單，不能較好反應(yīng)實(shí)際隧道工程地質(zhì)情況.因此，分析地鐵隧道爆破開挖過(guò)程中已開挖區(qū)和未開挖區(qū)地表震動(dòng)的傳播衰減規(guī)律，預(yù)測(cè)地表最大震速點(diǎn)的位置，確定隧道爆破開挖施工安全判據(jù)和安全距離很有必要.

以爆源(掌子面)為中心，在地表沿隧道開挖掘進(jìn)方向取17個(gè)節(jié)點(diǎn)，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)，1～8號(hào)節(jié)點(diǎn)位于隧道已開挖段正上方的地表，10～17號(hào)節(jié)點(diǎn)位于隧道未開挖段正上方的地表，如圖11所示.

圖11 取點(diǎn)位置平面示意圖Fig.11 Schematic plane of access positions

取各節(jié)點(diǎn)在爆破過(guò)程中的三個(gè)方向最大震速峰值繪制曲線，如圖12所示.由圖12可知，在隧道開挖掘進(jìn)方向取的節(jié)點(diǎn)中，處于已開挖段(1～8號(hào))和未開挖段(10～17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25～30 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.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)距離爆源約10 m的位置，最大值為3.23 cm/s.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.空洞效應(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)地表震動(dòng)速度，且二者的爆破地震波衰減規(guī)律亦不一致.

圖12 地表節(jié)點(diǎn)震速峰值Fig.12 Peak vibration velocity of ground surface nodes

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)開挖數(shù)值模擬，通過(guò)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)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)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?

2) 在隧道爆破掘進(jìn)過(guò)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)不同方向大道震速峰值的時(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)峰值后逐漸衰減，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15～30 m處空洞放大效應(yīng)最為明顯.因此，在隧道爆破開挖的過(guò)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，同時(shí)對(duì)地表的一些民用建筑采取一定保護(hù)措施.