小凈距隧道爆破振動響應(yīng)與控制研究綜述

李俊暉,邱 翼,楚澤元,余海洪

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756; 3.中鐵四川生態(tài)城投資有限公司,四川眉山 620562)

0 引言

隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展,隧道交通也迎來了不斷擴張?zhí)嵘臅r期。由于已有隧道較多、地質(zhì)地形復(fù)雜、空間條件較為苛刻等因素,新建隧道爆破開挖經(jīng)常出現(xiàn)臨近既有隧道。國內(nèi)外已有大量小凈距隧道爆破開挖實例:日本修建了六月新鎮(zhèn)干線交叉隧道[1];福廈線左右近接苔井山隧道[2];青島地鐵1號線海底隧道臨近膠州灣海底公路隧道[3];圖1展示了新云居山隧道近接上跨清涼山公路隧道[4]。

圖1 新云居山隧道近接清涼山公路隧道

如何控制爆破開挖使既有隧道保持安全是重點與難點[5-7]。而從目前對于小凈距隧道爆破開挖的研究情況來看,各個工程項目所處地區(qū)的地質(zhì)條件、隧道間距布置、特殊施工要求等均不一致,難以嚴格使用某一固定標準判斷既有隧道是否處于安全狀態(tài),往往會給定一較為嚴格的振動安全判據(jù),再結(jié)合現(xiàn)場爆破實驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬以及專業(yè)人員的相關(guān)經(jīng)驗進行調(diào)整。對于小凈距隧道爆破的理論分析并無一完整體系,達到的控制效果受到多方面因素影響,難以精確控制。

本文就小凈距隧道爆破開挖產(chǎn)生的振動響應(yīng)、振動安全判據(jù)以及振動控制研究對前人科研成果進行總結(jié)分析,并討論現(xiàn)有研究方案的不足與對未來研究方向的展望。

1 小凈距隧道爆破振動響應(yīng)研究現(xiàn)狀

1.1 隧道爆破在巖體中動力響應(yīng)規(guī)律

隧道爆破開挖絕大部分是位于巖石地層中,關(guān)于巖石爆破破碎有3種假說[8],分別是爆轟氣體壓力學(xué)說、應(yīng)力波作用學(xué)說與爆生氣體和應(yīng)力波綜合學(xué)說,前2種學(xué)說的機理分別見圖2、圖3。

圖2 爆轟氣體壓力學(xué)說機理

圖3 應(yīng)力波作用學(xué)說機理

爆轟氣體壓力學(xué)說屬于靜力學(xué)領(lǐng)域,即認為巖石的破碎主要是由于爆轟氣體的膨脹壓力所引起的。巖石中進行爆破產(chǎn)生的作用效果不同主要分為爆破近區(qū)、爆破中區(qū)和爆破遠區(qū),其中爆破近區(qū)中巖體最先受到爆轟氣體的巨大脈沖而形成空腔;爆破中區(qū),如圖2所示空腔周圍一定范圍內(nèi),也稱為裂紋區(qū),主要受到法向和切向的爆轟氣體作用力,與爆破近區(qū)相比,未直接受到爆轟氣體壓力,且?guī)r石的抗拉強度遠遠小于抗壓強度,在切向爆轟氣體的作用下首先產(chǎn)生裂紋,并在法向爆轟氣體的助力下慢慢發(fā)展;爆破遠區(qū),也稱為彈性變形區(qū),產(chǎn)生的振動效應(yīng)不大,主要由巖石與爆破地震波的主振頻率接近時產(chǎn)生共振引起破壞。

應(yīng)力波作用學(xué)說屬于動力學(xué)領(lǐng)域,認為巖石的破碎主要是由應(yīng)力波引起的。初始階段,爆破引起應(yīng)力波壓碎爆源附近巖石形成空腔,隨后應(yīng)力波進一步傳播到達自由面形成反射,反射應(yīng)力波對于自由面產(chǎn)生的作用使得表面巖石破碎,最終碎裂拋擲。

而爆生氣體和應(yīng)力波綜合學(xué)說則綜合了前面二者,認為是在二者共同作用下,產(chǎn)生的巖石破碎,目前得到較多認可。

1.2 小凈距隧道分類標準

目前我國對于小凈距隧道的分類,依照JGJD70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]定義如表1所示,根據(jù)不同圍巖等級進行判斷,圍巖等級越高,所要求的最小凈距越小。

表1 我國小凈距隧道分類標準

1.3 既有隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)規(guī)律

小凈距隧道爆破開挖的重點關(guān)注對象為既有隧道,其動力響應(yīng)規(guī)律一直以來為國內(nèi)外學(xué)者所探究,主要手段為現(xiàn)場監(jiān)測與試驗,輔以理論分析與數(shù)值模擬。

1.3.1 現(xiàn)場監(jiān)測與試驗

作為最原始、應(yīng)用最為廣泛的手段,試驗與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)能更加準確、具體地反映出各個工況的實際情況,由于爆破影響因素眾多,現(xiàn)場圍巖條件、地質(zhì)情況均較為復(fù)雜,因此需要因地制宜進行調(diào)整與測試。陳秋南等[10]結(jié)合實際工程對不同強度的混凝土試塊進行爆破振動分析,得出爆心距越小,不同等級的混凝土強度折減比差距越大。于建新等[11]對新建走馬崗隧道交叉上穿引水隧洞的爆破開挖工程進行現(xiàn)場監(jiān)測,對實測數(shù)據(jù)回歸分析,得出相應(yīng)的Sadovsk擬合公式,反算出符合施工規(guī)范和安全的最大掏槽藥量和最小安全爆心距。蘇建遙[12]根據(jù)草帽山隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)碼雷管爆破振動試驗對振動速度、加速度和頻率進行分析,擬合出各個因素隨距離變化公式,并根據(jù)主頻判斷是否會發(fā)生共振。此外,眾多學(xué)者對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了函數(shù)分析并得出結(jié)論:JIANG等[13]利用多組監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合出平均誤差11.8%的薩道夫斯基公式,并與有效拉應(yīng)力進行線性擬合反算出現(xiàn)場峰值振速極限為11 cm/s;LIU等[14]根據(jù)武漢黃龍山隧道現(xiàn)場監(jiān)測值,對振速時程曲線進行PSD功率譜分析,得出爆破引起的主振頻率均大于100 Hz,而一般隧道結(jié)構(gòu)固有頻率小于50 Hz,不會發(fā)生共振。

1.3.2 理論分析與數(shù)值模擬

理論分析與數(shù)值模擬的廣泛運用大量提高了隧道爆破開挖前準備工作的效率,隨著科研人員的廣泛研究,能為實際工程提供一定的指導(dǎo)意義。程康等[15]推導(dǎo)出了在標準拋擲爆破條件下深孔爆破振速與炮孔深度、堵塞長度的關(guān)系式。程平[16]等以貴州省里平Ⅱ號隧道為依托,通過LS-DYNA軟件計算了在開挖隧道上方溶洞影響下,小凈距隧道的爆破動力特性,并分析了不同直徑溶洞與不同隧道和溶洞間距下位移場、速度場和應(yīng)力場的分布情況。錢安康等[17]結(jié)合福平鐵路苔井山,采用數(shù)值模擬對全斷面和短天窗2種爆破開挖方案進行對比分析,得出短天窗方案可充分利用其分段優(yōu)勢,經(jīng)濟高效完成目標任務(wù)。鄒新寬等[18]采用數(shù)值模擬計算雅安隧道明挖段拉槽爆破并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比驗證,得出既有隧道迎爆側(cè)豎向振速峰值較大,且與Von-Mises應(yīng)力呈明顯線性關(guān)系,根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)的最大抗拉能力得出安全系數(shù)2.0的振速閾值。

總結(jié)以上小凈距隧道爆破振動響應(yīng)的研究現(xiàn)狀,對于絕大多數(shù)理論分析和數(shù)值模擬研究,最終都要結(jié)合實際工程驗證并不斷優(yōu)化,相輔相成。

2 既有隧道振動安全判據(jù)

小凈距隧道進行爆破開挖,會對既有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動甚至損壞的風險,而爆破振動與地震動有所不同,其持續(xù)時間短,頻率較高,釋放出能量更有局部性和爆發(fā)性。對此,選擇正確的安全判據(jù)是國內(nèi)外一直以來研究的方向。

2.1 加速度安全判據(jù)

對于較為早期的研究者來說,往往僅通過單一因素考慮安全判據(jù),加速度就是其中之一。根據(jù)動力學(xué)方程,加速度代表了結(jié)構(gòu)的慣性力的大小,通過計算得到結(jié)構(gòu)的動能、內(nèi)力和等效荷載。

國外學(xué)者對此研究最早,早在20世紀60年代,Edwards A T[19]、Longerfors[20]、Duvalland W I[21]、Northwood T D[22]等就通過現(xiàn)場試驗研究了加速度對結(jié)構(gòu)的損傷關(guān)系;國內(nèi)學(xué)者舒大強[23]、何韻龍[24]、陽生權(quán)[25]、劉維柱[26]等在21世紀初對多個現(xiàn)場工況的加速度進行分析,得到加速度與彈性模量近似的計算方法。

隨著研究的深入與理論的進步,學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)加速度作為安全判據(jù)是有較大的局限性的,一般巖體的損傷、開裂,結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞大部分屬于振動響應(yīng),僅以加速度作為判據(jù)很難具有說服力。

2.2 振速安全判據(jù)

振速安全判據(jù)目前是國內(nèi)外使用最為廣泛的判據(jù),通常以3個正交的XYZ方向中的最大值作為安全判據(jù),也有國家使用這3個方向的合速度作為安全判據(jù)。

我國使用的安全判據(jù)為單方向的振速峰值,根據(jù)保護對象的類別進行分類,不同重要程度的對象允許的振速不同。雖然采用單一的振速作為判據(jù)大多是處于保守的[27],但實際施工過程中會發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動速度未超標卻發(fā)生了安全性問題,而有時超出了振速指標結(jié)構(gòu)卻沒有發(fā)生破壞。越來越多的工程實際表明單一的振速指標也需要進行一定的完善。

2.3 振速-頻率安全判據(jù)

根據(jù)我國GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》[28]隧道等地下工程的安全允許振速與頻率有關(guān),如表2所示。

表2 我國地下工程爆破振動

從表2中可以看出,當質(zhì)點振動頻率較小時,所允許的安全振速也越少,這是由于隧道、巷道等地下工程的固有頻率一般都在50 Hz以下[29],為保證不發(fā)生共振現(xiàn)象,需要根據(jù)頻率逐級減少安全允許振速。

總結(jié)以上隧道振動安全判據(jù)的研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)目前的安全判據(jù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟,考慮了振速-頻率2個方面的共同作用來制定。不足的是,對于小凈距隧道,取值的范圍需要經(jīng)驗制定,通常為大于2.0的安全系數(shù)下進行取值,是否過于保守是一個值得探討的問題。

3 小凈距隧道爆破振動控制研究

小凈距隧道所處地質(zhì)條件和圍巖情況一般難以改變,對于其振動控制的研究基本上都是基于爆破開挖隧道,優(yōu)化其爆破方案。圖4展示了隧道典型光面爆破上臺階炮孔平面布置,一般掏槽孔最先起爆,輔助掏槽孔隨后起爆,經(jīng)過一定間隔后,崩落孔、掘進孔依次起爆,最后周邊光爆孔起爆,以達到光面爆破的效果。

圖4 典型光面爆破上臺階炮孔平面布置

3.1 裝藥量

常用的爆破振動峰值振速的計算公式為薩道夫斯基公式,其是一個基于量綱分析的經(jīng)驗公式,表達式如式(1)所示:

(1)

式中:ν為爆破振動速度;R為與爆源的距離;Q為裝藥量;k為一個常數(shù),其值與巖體介質(zhì)參數(shù)等有關(guān);α為爆破振動的衰減系數(shù),通常取值為1/3。

從薩道夫斯基公式中可以看出,對于既有隧道的振動響應(yīng),R、k、α均為定值,通過改變裝藥量Q可以直接減少振動,也是目前實際工程中最為有效的手段之一[30-31]。

3.2 炮孔布置形式

3.2.1 優(yōu)化炮孔布置方案

隧道爆破中,掏槽孔起爆時所含有的自由面最少,受到的夾制作用最大,產(chǎn)生的爆破響應(yīng)也最大,所以一般對于減振方面的炮孔優(yōu)化大多針對與掏槽孔。石洪超等[32]根據(jù)重慶鴨江隧道小凈距段的爆破施工為依托,結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬設(shè)置了不同的掏槽孔布置角度,能明顯減少爆破產(chǎn)生的振動響應(yīng)。王仁濤等[33]采用大直徑中空直眼掏槽形式,并優(yōu)化炮孔間排距、重新設(shè)置爆破網(wǎng)路,能明顯地控制爆破振動速度。

3.2.2 設(shè)置減振孔

劉新榮等[34]依托重慶雙山隧道爆破開挖項目,通過布置減振孔能夠有效對振動效應(yīng)進行控制。李立功等[35]結(jié)合實際項目,增大減振孔的直徑與布置數(shù)量,使得爆破振速達標。

3.3 起爆時差

通常的小凈距隧道爆破中,既有隧道的振速峰值往往出現(xiàn)在最開始掏槽孔爆破的時刻,將同樣的裝藥量由同時起爆轉(zhuǎn)化為延時起爆,能夠顯著的降低振動響應(yīng)。采用合理科學(xué)的起爆時差,既能提升開挖效率,又能保證施工安全[36-37]。

總結(jié)以上小凈距隧道爆破振動控制研究,主要的控制方式在于爆破方案的優(yōu)化,并一定要結(jié)合實際工程驗證,以期達到減振和減少對結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了迄今為止針對小凈距隧道爆破開挖振動響應(yīng)與控制研究取得的很多有參考價值的成果。其中有不少成果已可以運用于實際工程問題中,對爆破振動響應(yīng)和減振控制歸納,得出幾點結(jié)論及展望:

(1)針對小凈距隧道爆破振動響應(yīng)的問題,現(xiàn)有的研究多數(shù)以現(xiàn)場監(jiān)測為主,再通過理論計算和數(shù)值模擬等輔助優(yōu)化,且各個工程工況難以有一固定標準,對于相同或相似類型的工程,可以制定供參考的爆破方案。

(2)隧道爆破的安全判據(jù),目前已有較為成熟的標準與體系,使用振速-頻率雙因素控制在多數(shù)情況下能夠有效的提高安全性。振速的取值也要根據(jù)實際工程來制定。

(3)小凈距隧道爆破施工振動控制主要是對開挖隧道爆破方案的優(yōu)化,并輔以監(jiān)測數(shù)據(jù),并將多種減振措施結(jié)合才能達到更顯著的效果。