淺埋隧洞下穿既有建筑物爆破施工振動分析*

黃俊樹，秦天戈，陳水和，吳明澤，李麗平，吳 立

(1.浙江省隧道工程集團有限公司，杭州 310030；2.中國地質(zhì)大學(武漢)，武漢 430074)

隨著我國水利水電以及其他地下工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，下穿地表的工程在進行爆破掘進時引起的振動會對既有建筑物產(chǎn)生很大的負面影響，因此爆破方案安全性成為了爆破作業(yè)中應該重視的關(guān)鍵一環(huán)，需要我們進行更加深入的探討。

由于爆破作業(yè)具有極大的破壞性，因此需要對爆破方案進行安全性評價，在實施控制爆破之前進行數(shù)值模擬計算成為一種趨勢，許紅濤、楊建華、盧文波等在圣維南原理基礎(chǔ)上分析了數(shù)值模擬方法在不同加載方式條件下的優(yōu)勢[1,2]，研究結(jié)果為數(shù)值模擬加載方式提供了不同的選擇；吳昊利用有限差分軟件模擬了復雜地層淺埋暗挖隧洞下穿地下商業(yè)街的過程[3]，驗證了工程利用超長大管棚的支護辦法、深孔注漿地層加固和減振爆破等技術(shù)的有效性；另外，劉彥濤利用ANSYS/LS-DYNA，在爆轟理論及爆轟壓力算法的基礎(chǔ)上采用等效荷載的加載方式模擬了隧洞下穿寺廟的爆破振動效應[4]，為控制爆破方案提供了參考意見；康永全等利用ANSYS/LS-DYNA，通過共節(jié)點加載的方法[5]，在炮眼中添加高性能炸藥材料，基于JWL狀態(tài)方程進行運算，模擬淺埋隧洞爆破振動效應，驗證了電子雷管微差控制爆破的減振效果；葉宇等利用MIDAS/GTS-NX研究了相對位置不同的下穿隧洞爆破施工對擋墻和路基的振動規(guī)律[6]，為擋墻加固提供了有效信息。

本文結(jié)合寧波輸水淺埋隧洞下穿公路(經(jīng)壽山禪寺、壽峰寺段)工程，提出了控制爆破方案，其次，通過數(shù)值模擬采用三角等效荷載的加載方式模擬了爆破振動效應，并評價了控制爆破方案的安全性。最后由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)佐證實施方案的控制爆破效果及數(shù)值模擬預測評價的可行性，并擬合薩氏公式反映了輸水隧洞爆破開挖影響下建筑物地表振動衰減規(guī)律，為后續(xù)的施工和相似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

寧波至杭州灣新區(qū)引水工程(頭部工程至興慈五路段)位于浙江省寧波市中北部，輸水主線長69.3 km，主要建筑物由隧洞、管道、調(diào)節(jié)站、沿線閥井及附屬設(shè)施等組成。本項目整體上基本呈南北向展布。地貌屬侵蝕-剝蝕丘陵、山麓溝谷、沖海積平原，場地內(nèi)地形復雜。主洞隧洞巖層主要為侏羅系西山頭組(J3b)熔結(jié)凝灰?guī)r；地表標高22～96 m，基巖為侏羅系上統(tǒng)高塢組流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，為III級圍巖，滲透性較差，洞身穩(wěn)定性良好。

引水工程主隧洞在輸8+798.099～輸9+321.24段將緊鄰古建筑施工，距壽山禪寺和壽峰寺的水平距離分別為50 m和100 m，如圖1所示。為了減少隧洞爆破有害效應對壽山禪寺、壽峰寺主體建筑物產(chǎn)生不利影響，需要針對相應工程段進行控制爆破。

圖 1 隧洞線路Fig. 1 Tunnel route map

2 控制爆破方案

2.1 炮眼布置

控制爆破范圍總長度500.431 m，研究區(qū)域內(nèi)均為III級圍巖。隧洞爆破開挖采用全斷面方法，隧洞斷面為的底寬2.6 m×高3.2 m的割底馬蹄形斷面；炮眼直徑為42 mm，根據(jù)設(shè)計輪廓線布置間距為50～70 cm的周邊炮眼、間距為60 cm的輔助眼。采用直眼掏槽，并設(shè)置中心空眼。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)合式(1)得出炮眼取值，以達到最佳爆破效果

(1)

式中:q為炸藥單耗量；r為線裝藥密度，2號巖石乳化炸藥r=1 kg/m；η為炮眼裝藥系數(shù)，考慮到周邊眼的布置，總眼數(shù)取36個(不含中空眼)，炮眼布置圖如圖2所示。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

裝藥量的確定依靠公式(2)

Q=ηLr

(2)

式中:η為炮眼裝藥系數(shù)；L為眼深實際，取2.1 m；r為線裝藥密度，由公式(2)計算得到掏槽眼、輔助眼、周邊眼和底板眼裝藥量分別為7.2 kg、14.4 kg、6.75 kg、4.8 kg。

現(xiàn)場采用直徑為32 mm的2號巖石乳化炸藥，單個藥卷長度為200 mm，重150 g；掏槽眼、輔助眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔不耦合裝藥，末端用炮泥堵塞，詳細爆破參數(shù)如表1所示。起爆方式采用毫秒延期導爆管雷管起爆，導爆管連線為簇聯(lián)法，裝藥順序為先兩側(cè)后中間，并按照掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底眼的順序微差起爆。

圖 2 炮眼布置(單位：cm)Fig. 2 Hole arrangement(unit:cm)

表 1 爆破參數(shù)

3 振動效應的數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為研究上述控制爆破方案對緊鄰建筑物的影響，通過surfer繪制了研究區(qū)域的等高線地形模型，精確展示出了隧洞周圍的地形條件，如圖3所示。將地形模型導入LS-DYNA軟件中，模擬隧洞爆破開挖過程，分析得到隧洞爆破地震波對緊鄰建筑物的影響。

圖 3 山體模型Fig. 3 The mountain model

建立的隧洞爆破動力有限元模型尺寸為30 m×100 m×50 m，其中隧洞斷面為2.6 m×3.2 m，如圖4所示。由于夾制效應的影響，掏槽眼的單段藥量最大引起峰值振速，因此模型重點模擬掏槽爆破效應，掏槽眼爆破參數(shù)如表1所示。隧洞圍巖采用非線彈性隨動強化材料，參數(shù)如表2所示。模型采用SI國際m-kg-s單位制。

圖 4 數(shù)值模擬模型Fig. 4 Numerical simulation model

3.2 動力荷載計算

采用炮眼壁上施加等效的三角脈沖荷載方法模擬爆破。根據(jù)圣維南彈性理論，將荷載施加在炮眼中心的連線上，不用考慮炮眼的形狀[2]，如圖5所示。荷載確定利用爆破荷載換算公式

P(t)=Pmf(t)

(3)

式中：Pm為脈沖峰值，f(t)為時間滯后指數(shù)函數(shù)。在不耦合連續(xù)裝藥和C-J爆轟條件下，Pm可根據(jù)式(4)進行計算[7-10]

(4)

式中：ρe為炸藥裝藥密度；D為炸藥爆速；γ為炸藥的等熵指數(shù)；dc為等效藥卷直徑；db為炮眼直徑；η為爆轟氣體碰撞孔壁時壓力增大倍數(shù)。

為了簡化表現(xiàn)衰減規(guī)律，f(t)計算可近似按照三角形處理，爆炸脈沖荷載時程曲線如圖6所示。

表 2 巖體參數(shù)

圖 5 爆破荷載等效施加示意圖Fig. 5 Equivalent application of blasting load

圖 6 三角脈沖荷載作用時程曲線Fig. 6 Time history curve of pulse load

荷載與時間的關(guān)系表示為

(5)

爆破荷載的升壓時間和正壓作用時間由Zhan-Ping Song、陳士海等提出的公式(12-13)計算[11,12]

(6)

(7)

式中：K為體積模量，K=E/3(1-2μ)；μ為巖體的泊松比；Q為炮眼的裝藥量，kg；r為耦合系數(shù)。

由上述理論公式支撐可得出本次模擬的三角等效爆轟峰值荷載，具體參數(shù)如表3所示；可得爆轟力峰值Pm=5.775e+6 Pa；升壓時間t升=200 μs，tb=300 μs。

表 3 等效荷載計算參數(shù)

3.3 振動速度特征分析

為了分析隧洞爆破對壽山禪寺和壽峰寺的影響，分別在于實際情況相同點設(shè)置監(jiān)測點。各監(jiān)測點的振速時程曲線如圖7～8所示，各方向峰值振速及合速度統(tǒng)計如表4所示。

圖 7 壽山禪寺測點振動速度Fig. 7 Vibration velocity in Shoushan Zen temple

圖 8 壽峰寺測點振動速度Fig. 8 Vibration velocity in Shoufeng

由表4可知，在隧洞爆破作用下，爆心距50 m處的壽山禪寺峰值約為1.04 cm/s，爆心距100 m處的壽峰寺振速峰值約為0.42 cm/s。根據(jù)爆破安全規(guī)程，兩處寺廟的安全振速為2.5 cm/s，模擬結(jié)果表明隧洞爆破對兩處建筑物影響較小，爆破振動均處于安全振速范圍內(nèi)。由圖7～8可知，由于爆區(qū)巖體介質(zhì)以應力波形式傳播擾動，介質(zhì)中的部分單元產(chǎn)生塑性變形，傳播過程經(jīng)歷進入塑性區(qū)單元數(shù)量的增加[13]，隨著時間的遞增、傳播距離增大振速不斷降低。此外，垂直方向的振速(Z方向)大于徑向(X方向)和縱向(Y方向)，這是由于在淺埋中遠區(qū)入射縱波與豎直方向的夾角及爆心距共同作用導致的結(jié)果。

表 4 質(zhì)點峰值振速

通過上述分析，可知擬定的控制爆破方案對既有建筑物的振動影響較??；雖然掏槽部分需要克服圍巖的夾制作用所造成的振動較大，但峰值振動速度仍然處于規(guī)范要求的安全界限內(nèi)，滿足爆破安全要求。

4 爆破振動監(jiān)測分析

4.1 測點布置

為了進一步論證數(shù)值模擬方案對預測振動模擬的可行性，對下穿既有建筑物隧洞爆破施工進行監(jiān)測，將監(jiān)測信號與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。結(jié)合現(xiàn)場情況，采用TC-4850高精度爆破測振儀對被保護建筑物角點地表進行振動監(jiān)測，壽山禪寺布置監(jiān)測點D1，壽峰寺布置監(jiān)測點D2，如圖9所示。

圖 9 監(jiān)測布點(單位：m)Fig. 9 Monitoring placement(unit:m)

4.2 振動監(jiān)測結(jié)果分析

共進行了7次爆破監(jiān)測，壽山禪寺布置監(jiān)測點D1和壽峰寺布置監(jiān)測點D2獲得的實測典型振動如圖10～11所示。

圖 10 壽山禪寺實測振速Fig. 10 Shoushan Zen temple monitoring vibration velocity

圖 11 壽峰寺實測振速Fig. 11 Shoufeng temple monitoring vibration velocity

由圖10～11可知，隧洞爆破作用下壽山禪寺實測峰值振速為1.01 cm/s，與模擬結(jié)果相差0.03 cm/s，誤差為3.7%；壽峰寺實測峰值振速為0.41 cm/s，與模擬結(jié)果相比誤差為2.3%。說明實測結(jié)果與模擬結(jié)果較吻合，考慮到工程地質(zhì)條件的復雜性及模擬的理想性等因數(shù)，在允許的范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差是合理的。爆破地震波到達地面時由于爆心距的不同，表現(xiàn)不同，隨著距離的增加，由于巖體阻尼較大，巖土體介質(zhì)對信號有一定的吸收作用，且?guī)r體中的節(jié)理裂隙及軟弱夾層的影響導致波傳播過程產(chǎn)生能量損耗，使其振速不斷衰減，監(jiān)測點衰減規(guī)律與數(shù)值模擬具有很好的一致性；由圖可知，由于采用了毫秒電子雷管，減少了波峰的疊加效應，具有良好的降振作用。

為了進一步分析衰減規(guī)律，對實測的14組數(shù)據(jù)采用薩氏公式進行非線性擬合，結(jié)果如圖12所示。擬合系數(shù)R2=0.932，表明了具有較好的擬合精度，反映了輸水隧洞爆破開挖影響下地表振動衰減規(guī)律。研究表明數(shù)值模擬方法預測振動效應是可行的，能夠有效地評價隧洞爆破作用對建筑物的不利影響。綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果，本工程采用的控制爆破方案能夠有效地降低爆破對緊鄰建筑物的地震效應，確保建筑物穩(wěn)定和輸水隧洞施工的順利進行。

圖 12 峰值振速擬合曲線Fig. 12 Fitting curve of vibration velocity

5 結(jié)論

通過對寧波至杭州灣引水工程主洞隧洞下穿公路(經(jīng)壽山禪寺、壽峰寺段)控制爆破方案的研究分析可得到以下結(jié)論：

(1)有限元模擬分析表明，擬定的控制爆破方案是安全可行的，爆破振速峰值滿足爆破規(guī)程安全范圍(<2.5 cm/s)，地震波在介質(zhì)中傳遞時，由于塑性區(qū)單元的作用，振速隨著時間推移及爆心距的增加而不斷衰減；三向振速中，垂直方向引起的振動效應最明顯，振速峰值最大，這是淺埋中遠區(qū)入射縱波與豎直方向的夾角及爆心距共同作用導致的結(jié)果。

(2)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析，對比可知數(shù)值模擬的振速峰值及衰減規(guī)律均與監(jiān)測結(jié)果具有一致性，壽山禪寺和壽峰寺振速峰值誤差分別為3.7%、2.3%，且由于巖體阻尼較大對信號具有一定的選擇吸收作用，信號在巖體中傳遞的過程產(chǎn)生能量損耗，振速不斷衰減，兩者結(jié)果較吻合。

(3)基于監(jiān)測結(jié)果進行薩氏公式回歸分析，其擬合系數(shù)R2=0.932表明線性回歸分析精確度高，反映了輸水隧洞爆破開挖影響下地表振動衰減規(guī)律，進一步表明了數(shù)值模擬方法對提前預測振動效應具有可行性，結(jié)論為后續(xù)爆破施工方案設(shè)計提供參考借鑒。