連拱隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)與減振技術(shù)研究

和振海 孫印國(guó) 羅忠榮 姜成業(yè) 于建新

(云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司1) 普洱 665000) (中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司2) 昆明 650500) (中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 武漢 430071) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)4) 北京 100000) (河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院5) 焦作 454003)

0 引 言

連拱隧道可以有效利用空間資源，但也面臨著一些施工難題，尤其是鉆爆法施工對(duì)中隔墻及臨近隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小間距隧道爆破振動(dòng)開展了大量監(jiān)測(cè)與分析.Feng等[1-2]通過超聲波試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：先行開挖隧道中間巖體的破壞范圍在1.2～1.4 m，后行開挖隧道中間巖石的破壞范圍約為先行開挖隧道的1.71～1.83倍.王春梅[3]對(duì)間距15.8～30.6 m的隧道進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，將爆破振動(dòng)對(duì)隧道襯砌安全性影響分為4級(jí).趙明階等[4]研究表明：掏槽眼爆破引起的振動(dòng)最大，不同類別的圍巖應(yīng)力波衰減均可用薩式公式擬合.王繼槐等[5]運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)基本理論分析得出：全斷面施工對(duì)既有隧道的影響大于臺(tái)階法施工；隧道爆破開挖對(duì)既有隧道迎爆側(cè)的邊墻影響最大；爆破對(duì)既有隧道的振速與應(yīng)力的影響與隧道間距密切相關(guān).Song等[6]將傳統(tǒng)爆破技術(shù)與預(yù)切削工藝相結(jié)合，通過模擬得出：隨著預(yù)切削自由面深度的增加，爆破振動(dòng)速度明顯減小，開挖損傷深度較淺.徐世祥等[7]通過LS-DYNA建立三維隧道計(jì)算模型并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)最大齊發(fā)藥量達(dá)到2 kg時(shí)，爆破對(duì)臨近隧道產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，最大壓應(yīng)力為2.73 MPa.譚忠盛等[8]通過DYNA-2D研究了復(fù)線隧道爆破對(duì)既有隧道的影響，得出了既有隧道迎爆側(cè)直墻中部和上部主要以拉伸破壞為主，迎爆側(cè)底板剪切應(yīng)力較大，并指出迎爆直墻應(yīng)進(jìn)行降振加固.杜峰等[9]通過三車道大斷面小凈距隧道的研究，在施工中應(yīng)保持后行洞與先行洞隧道二襯距離至少10 m，以減小爆破對(duì)二襯拉伸的破壞.李飛等[10]運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行起爆加載，模擬了不同裝藥量對(duì)既有隧道的影響，得到了隧道迎爆側(cè)底板剪應(yīng)力較大的結(jié)論.岳旭光等[11]研究表明：既有隧道迎爆側(cè)拱腰部位是振速峰值、位移最大值的發(fā)生區(qū)，隧道間距小于12 m施工時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小開挖進(jìn)尺以減弱對(duì)既有隧道的影響.吳進(jìn)科等[12]研究了不同施工工序后行隧道對(duì)先行隧道的影響，獲得了小間距隧道應(yīng)力集中易出現(xiàn)的部位，以及隧道質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度出現(xiàn)的部位，及對(duì)危險(xiǎn)部位的加固與監(jiān)測(cè).孫振等[13]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)闻藕碗p排減震孔布置減震率低，在小間距隧道爆破中雙排梅花形減震孔布置效果較好.

文中以某復(fù)合式連拱隧道為背景，采用上下臺(tái)階法爆破施工，結(jié)合ANSYS/LS-DYNA建立數(shù)值仿真模型，分析后行洞在不同爆破方案、不同進(jìn)尺爆破對(duì)先行洞及中隔墻的影響規(guī)律，并提出采用設(shè)置隔振層進(jìn)行控制減振.

1 工程概況

云南某復(fù)合式連拱隧道全長(zhǎng)130 m，為短隧道，最大埋深39.580 m.隧道區(qū)海拔高程介于1 214.082～1 250.341 m，相對(duì)高差36.259 m.隧道左洞采用超前小導(dǎo)管注漿加固，右洞為錨桿加鋼拱架支護(hù)，為減小后行洞爆破對(duì)先行洞的影響，在連拱處提高支護(hù)強(qiáng)度，增設(shè)鋼筋網(wǎng)和EVA泡沫減振層.支護(hù)形式具體為：錨桿(小導(dǎo)管)按梅花形布置，沿徑向設(shè)置，并考慮與巖層層面的關(guān)系.基地加設(shè)注漿小導(dǎo)管，并注漿.注漿材料采用水泥漿，水灰比0.5∶1～1∶1，注漿壓力為0.6～1.0 MPa.鋼筋網(wǎng)待開挖面初噴2 cm混凝土后進(jìn)行設(shè)置，并緊貼噴混凝土面掛設(shè)，其設(shè)置范圍為拱部及邊墻.隧道開挖后及時(shí)做初期支護(hù)，初期支護(hù)采用鋼架，支護(hù)參數(shù)見圖1.

圖1 連拱隧道橫截面圖 (單位：cm)

圖2為施工程序示意圖.該連拱隧道左洞為先行洞，右洞為后行洞.左洞開挖后，進(jìn)行初期支護(hù)，并對(duì)左洞仰拱進(jìn)行二次襯砌、仰拱填充.左、右幅先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不得小于40 m.左、右洞中下臺(tái)階兩側(cè)開挖錯(cuò)開，錯(cuò)開長(zhǎng)度為5～10 m.

圖2 施工程序示意圖

隧道采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，以便更好地控制爆破振動(dòng)，先行洞與后行洞掌子面相差至少120 m.右洞(后行洞)施工具體步驟：①右洞上臺(tái)階開挖；②右洞上臺(tái)階初期支護(hù)；③右洞上臺(tái)階核心土開挖；④右洞下臺(tái)階開挖；⑤右洞下臺(tái)階初期支護(hù)；⑥澆筑右洞仰拱二次襯砌、仰拱填充；⑦鋪設(shè)防水層、澆筑右洞拱墻二次襯砌.現(xiàn)場(chǎng)采用光面爆破，1～19段非電毫秒雷管和塑料導(dǎo)爆管起爆，周邊眼采用25 mm小直徑藥卷不耦合裝藥方式，其余炮眼采用連續(xù)裝藥，富水地段采用乳化防水炸藥，廠制炮泥堵塞，炮孔布置見圖3，爆破參數(shù)見表1～2.

圖3 爆破方案

表1 Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階爆破參數(shù)

表2 Ⅳ級(jí)圍巖下臺(tái)階1.2 m進(jìn)尺爆破參數(shù)

2 連拱隧道的建模與求解

2.1 隔振層的設(shè)計(jì)

連拱小間距隧道相距較近，爆破施工時(shí)不免造成已建成隧道的振動(dòng)，為減小振動(dòng)，在已開挖隧道內(nèi)增加隔振層進(jìn)行減振.經(jīng)過初期的建模計(jì)算發(fā)現(xiàn)，3 cm減振層減振效果不明顯，故建模分別設(shè)計(jì)5與8 cm減振層厚度來對(duì)比分析減振效果，選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行臨近小間距隧道的爆破模擬.模型尺寸根據(jù)工程實(shí)際尺寸相似原則建立，模型為直角梯形，寬85.36 m，短邊高52 m，高邊高89.18 m，長(zhǎng)20 m.前后兩面沿隧道軸向加約束，左右兩面和底面加非反射邊界條件，上面為自由面.隔振層在已開挖隧道初襯和二襯交界處，采用泡沫塑料填充.1.2 m進(jìn)尺爆破方案，各段裝藥量分別為20.32，6.22，12.4，9.33 kg；建模時(shí)如若按實(shí)際爆破方案，整個(gè)爆破時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算量大，考慮到各段爆破應(yīng)相互不影響，各段間隔設(shè)為25 ms.裝藥結(jié)構(gòu)堵塞長(zhǎng)度為0.6 m；整體模型采用不等距網(wǎng)格劃分，隧道及中隔墻劃分較細(xì).

2.2 模型參數(shù)的選取

巖石采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，該模型適用于各向同性和運(yùn)動(dòng)塑性硬化模型，具體參數(shù)見表3.

表3 巖石主要力學(xué)參數(shù)

初期支護(hù)、支護(hù)加強(qiáng)區(qū)、超前小導(dǎo)管加固區(qū)域及二次襯砌的參數(shù)，依照文獻(xiàn)[14]中支護(hù)指標(biāo)進(jìn)行選取，材料模型選取MAT_PLASTIC_KINEMATIC.隔振層泡沫材料采用MAT_SOIL_AND_FOAM狀態(tài)方程確定，可在模擬過程中對(duì)固氣二相介質(zhì)的耦合問題進(jìn)行有效的描述，材料密度為1.8 g/cm3，彈性模量為1.601×107Pa.

3 連拱隧道爆破振動(dòng)控制與減振

3.1 上臺(tái)階爆破對(duì)中墻隧道振動(dòng)的影響

由于現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件較差，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土分部爆破開挖的施工方法，主要研究上下臺(tái)階爆破開挖對(duì)先行洞的影響.

王明年等[15]研究小間距隧道爆破對(duì)臨近隧道的影響時(shí)，認(rèn)為在爆破監(jiān)測(cè)過程中，振速指標(biāo)是一個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)，因此在選擇分析對(duì)象時(shí)，主要針對(duì)振速進(jìn)行分析.選擇與炸藥中心在同一水平面上(即xy平面)上的隧道截面進(jìn)行分析，見圖4，首先在截面上選取A、B、C、D、E、F、G、H等8個(gè)位置上的單元節(jié)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)隧道截面進(jìn)行整體振速分析，并研究隔振層后對(duì)先行隧道二襯的振動(dòng)影響，見圖5.

圖4 隧道斷面測(cè)點(diǎn)選取位置圖

圖5 隧道橫截面不同位置測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線

由圖5可知：1.2 m進(jìn)尺爆破各位置振動(dòng)速度大小由大到小依次為：VA>VB>VH>VC>VD>VG>VE>VF，可知振動(dòng)速度大小的變化規(guī)律是從先行洞迎爆側(cè)向拱頂和拱腳轉(zhuǎn)移，最后在左拱腳處，振動(dòng)速度降到最小.A測(cè)點(diǎn)到爆點(diǎn)距離最近，受到最強(qiáng)的應(yīng)力波即振速最大，X方向振速為66.9 cm/s.同理，應(yīng)力波隨距離而減小致使F測(cè)點(diǎn)位置振速最小，X方向振速為1.22 cm/s.研究表明不同位置處，不同的炸藥段數(shù)造成的振動(dòng)影響不同.

3.2 上臺(tái)階不同爆破方案下最大振速的對(duì)比分析

分別對(duì)比分析1.2 m進(jìn)尺與0.6 m進(jìn)尺爆破方案下，后行洞爆破對(duì)先行洞的影響.由于迎爆側(cè)振動(dòng)速度較大，主要從隧道迎爆側(cè)選取振動(dòng)速度最大的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比.0.6 m進(jìn)尺振動(dòng)速度最大的測(cè)點(diǎn)在距離底板4.07 m處，1.2進(jìn)尺振動(dòng)速度最大的測(cè)點(diǎn)在距離底板4.2 m處.由于爆破引起臨近結(jié)構(gòu)X向振速最大，對(duì)比分析兩種進(jìn)尺下X向振速時(shí)程曲線，見圖6.

圖6 不同進(jìn)尺下最大振速時(shí)程對(duì)比圖

由圖6可知：兩種爆破方案最大振動(dòng)速度出現(xiàn)的位置相近，都在中隔墻頂端處，其中1.2 m進(jìn)尺的最大振速位置略高于0.6 m進(jìn)尺.0.6 m進(jìn)尺最大振動(dòng)速度為9.6 cm/s，而1.2m進(jìn)尺最大振動(dòng)速度為66.9 cm/s.1.2 m進(jìn)尺裝藥量為0.6 m進(jìn)尺的1.22倍，最大振動(dòng)速度為0.6 m進(jìn)尺的9.1倍，因起爆能量不同，先行洞的巖體受到應(yīng)力波擾動(dòng)大小也隨之不同，所以為確保先行洞巖體的擾動(dòng)安全需嚴(yán)格進(jìn)尺與裝藥量.

3.3 上臺(tái)階與下臺(tái)階爆破對(duì)連拱隧道的影響

下臺(tái)階爆破是在上臺(tái)階爆破施工后進(jìn)行的爆破，有較大的自由面導(dǎo)致應(yīng)力波的反射消散，爆破能量可以進(jìn)行充分的釋放，即對(duì)臨近隧道造成的振動(dòng)較小，1.2 m進(jìn)尺上下臺(tái)階爆破振動(dòng)的對(duì)比，見圖7.

圖7 上下臺(tái)階1.2 m進(jìn)尺下最大振速對(duì)比

由圖7可知：下臺(tái)階爆破振動(dòng)速度明顯小于上臺(tái)階.對(duì)比選取的八個(gè)測(cè)點(diǎn)，上臺(tái)階最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在A點(diǎn)，為66.9 cm/s，下臺(tái)階最大振動(dòng)速度同樣出現(xiàn)在A點(diǎn)，為25.7 cm/s；上臺(tái)階最小振動(dòng)速度F點(diǎn)處為1.59 cm/s，下臺(tái)階最小振動(dòng)速度出現(xiàn)在E點(diǎn)處，為1.17 cm/s.在上下臺(tái)階爆破開挖時(shí)，下臺(tái)階由于自由面的存在，臨近隧道襯砌的振動(dòng)較小，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)上臺(tái)階爆破開挖對(duì)臨近隧道的振動(dòng)影響.

3.4 隔振層參數(shù)對(duì)復(fù)合式中墻隧道爆破振動(dòng)的影響

由于兩隧道采用復(fù)合式中墻設(shè)計(jì)，相距較近，通過以上分析計(jì)算，后行洞爆破對(duì)先行洞影響較大，需在控制爆破進(jìn)尺的同時(shí)，采取一定的減振技術(shù)措施，因此，在初襯與二襯之間設(shè)置隔振層，減小爆破振動(dòng)的影響，采用兩種隔振層厚度(5，8 cm)進(jìn)行計(jì)算，不同隔振層參數(shù)下的振動(dòng)速度時(shí)程曲線見圖8.

圖8 不同隔振厚度下振速時(shí)程曲線

由圖8可知：5和8 cm的減振層對(duì)于振動(dòng)速度的減振具有非常明顯的效果.未加隔振層時(shí)，A點(diǎn)最大振速為66.9 cm/s，加上5 cm的減振層后，速度降到6.63 cm/s，降低了10倍多.采用8 cm減振層，速度降到4.48 cm/s，減振效果顯著.

圖9為不同隔振層的減振效果.由圖9可知：兩種隔振厚度下，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)的位置沒有太大變化，在5 cm的隔振厚度下，最大振動(dòng)速度為13.3 cm/s，能控制在15 cm/s以內(nèi).在8 cm的隔振厚度下，最大振動(dòng)速度為9.35 cm/s，降至10 cm/s以內(nèi)，留有極大的安全空間.由此可見，增加隔振層厚度能明顯降低振動(dòng)速度，能夠保證施工的順利實(shí)施.

圖9 不同隔振層的減振效果

4 結(jié) 論

1) 連拱隧道后行洞爆破引起先行洞的振動(dòng)速度，從先行洞迎爆側(cè)邊墻向拱頂和拱腳轉(zhuǎn)移，背爆側(cè)拱腳處，振動(dòng)速度最小.

2) 0.6 m進(jìn)尺和1.2 m進(jìn)尺爆破方案引起的最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在迎爆側(cè)中隔墻頂端處，控制爆破的重點(diǎn)為裝藥量.

3) 下臺(tái)階由于自由面的存在，引起連拱隧道先行洞襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)較上臺(tái)階小，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)為上臺(tái)階爆破開挖.

4) 采用初襯與二襯之間設(shè)置隔振層的措施，可以有效減小爆破振動(dòng)，5 cm厚減振層可降減振10倍，8 cm減振層可將振動(dòng)速度降到5 cm/s以內(nèi)，可以通過設(shè)置合理厚度的隔振層達(dá)到減振的效果.