不同條件下后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道振速的影響規(guī)律

梁世凡，晁曉輝，魏永冬，王光勇，郭佳奇

（1.河南理工大學土木工程學院, 河南 焦作 454000；2.中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710065）

隨著人們對交通運輸需求的不斷增加，現(xiàn)代隧道施工受到地形地質、周邊建筑結構等因素的制約越來越多，為滿足交通要求和地下空間的開發(fā)利用，淺埋小間距雙線隧道建設越來越廣泛[1–2]。雙線隧道常采用鉆爆法施工，由于兩隧道相距較近，且圍巖地質條件較差，后施工隧道爆破荷載產生的振動波會對鄰近隧道圍巖及支護結構造成危害，嚴重時會使鄰近隧道圍巖出現(xiàn)松動、開裂等現(xiàn)象，因此探究后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道的影響對雙線隧道安全施工具有重要意義[3–4]。

關于后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道振速的影響，王肖輝等[5]研究了上下臺階法爆破開挖對鄰近隧道的影響，得出上臺階鄰近隧道爆破效應比下臺階鄰近隧道爆破效應更明顯。羅志翔等[6]通過模擬不同隧道間距對鄰近隧道圍巖的影響，得出了當隧道間距為1.5～2.5 倍洞徑時鄰近隧道圍巖受到的爆破影響最大的結論。方智淳等[7]通過分析采礦爆破時鄰近隧道的安全性，發(fā)現(xiàn)鄰近隧道迎爆側拱肩最易產生拉伸破壞，是最脆弱的區(qū)域。錢耀峰等[8]分析了后隧道爆破對鄰近隧道不同位置的影響，得出了爆破施工對鄰近隧道進出口及中間段影響最小的結論。于建新等[9]研究了后施工隧道爆破對鄰近隧道襯砌結構的振動效應，結果表明，鄰近隧道的迎爆側振速大于背爆側振速，圍巖的三向振速差異顯著。Zhang 等[10]分析了不同高度差下鄰近隧道的振速規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雙線隧道的高度差越大，鄰近隧道襯砌頂部的振速越大。連衛(wèi)東等[11]通過模擬爆炸作用下鄰近隧道的力學規(guī)律，提出了硬軟硬式防護結構，提升了防護結構的抗爆效果。何忠明等[12]模擬了爆破荷載引起的鄰近隧道地表沉降位移，發(fā)現(xiàn)地表最大位移位置由兩隧道中心向鄰近隧道地表中心轉變。李小貝[13]研究了后施工隧道爆破施工中鄰近隧道結構的振動響應，結果表明，鄰近隧道破壞從拱腰開始，鄰近隧道的圍巖振速與圍巖級別負相關。綜上所述，對于后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道的影響規(guī)律，已有研究大多只針對鄰近隧道圍巖振速，不同間距、不同埋深和不同圍巖等級下鄰近隧道圍巖和支護結構的振速規(guī)律研究較少。

本研究依托格魯吉亞E60 高速公路雙線隧道，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，分析后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道圍巖和初期支護振速的影響規(guī)律，系統(tǒng)分析不同間距、不同埋深和不同圍巖等級下鄰近隧道的振速，以獲得鄰近隧道圍巖和初期支護的振動規(guī)律，為鄰近隧道爆破安全施工提供參考。

1 模型的建立與測點布置

1.1 工程地質及數(shù)值模型建立

格魯吉亞E60 高速公路隧道位于格魯吉亞中部，地處北高加索與南高加索之間。隧道地質是以粉灰色花崗巖為主的侵入火成巖、石英斑巖和石英片麻巖的變質巖，隧道采用爆破施工方式開挖，施工方法為全斷面光面爆破法。

采用FLAC3D軟件建立三維計算模型，有限元計算模型依據(jù)隧道實際尺寸設計，隧道寬12.90 m，高10.95 m，該雙線隧道均采用同一尺寸和大小，隧道位置及數(shù)值模型尺寸如圖1 所示。根據(jù)圣維南原理設置數(shù)值模型的邊界條件，模型在x和y方向的尺寸分別為120 和60 m，上邊界為自由邊界，其余邊界施加法向位移約束。

圖1 隧道位置及數(shù)值模型尺寸（單位：m）Fig.1 Tunnel location and numerical model dimension (Unit: m)

1.2 模型計算參數(shù)

根據(jù)隧道開挖實際工況，設模擬中隧道的開挖進尺為2 m。開挖完成后施作初期支護，初期支護厚度為20 cm，采用Shell 單元模擬。根據(jù)地質勘查資料和工程現(xiàn)場支護材料參數(shù)，可得圍巖和支護結構的力學參數(shù)，如表1 所示，其中：ρ 為密度，E為彈性模量，ν 為泊松比，φ0為內摩擦角。

表1 圍巖和支護結構的力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

1.3 監(jiān)測點布置

雙線隧道爆破開挖時，鄰近隧道共設置9 個特征斷面，其中斷面O為后施工隧道掌子面爆破斷面，沿K方向和T方向每隔5 m 布置一個監(jiān)測斷面，隧道位置關系及監(jiān)測斷面布局如圖2 所示。為監(jiān)測不同斷面鄰近隧道受爆破的影響，分別在鄰近隧道拱頂、拱底、兩側拱肩、拱腰、拱腳共布置8 個速度監(jiān)測點，各監(jiān)測斷面的監(jiān)測點布置如圖3 所示。

圖2 隧道位置關系及監(jiān)測斷面Fig.2 Position relationship of tunnels and monitoring sections

圖3 各監(jiān)測斷面的監(jiān)測點布局Fig.3 Arrangement of monitoring points of each monitoring section

2 爆破荷載模擬方式

2.1 爆破荷載作用邊界

根據(jù)隧道爆破巖石的破壞特征，從炮孔由近及遠可分為3 個不同的爆破破壞區(qū)域，即壓碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性區(qū)[14]。將巖石破壞的壓碎區(qū)和破碎區(qū)等效為爆炸源，將爆炸荷載作用于彈性區(qū)的邊界，對于隧道掌子面的炮孔，掏槽孔的臨空面比非掏槽孔少，夾制效果更強，因此將等效作用邊界分兩種情況討論，分別為掏槽孔作用邊界和非掏槽孔作用邊界，如圖4 所示。

圖4 爆破炮孔作用邊界Fig.4 Action boundary of blasting holes

2.2 爆破炮孔布置參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場工程實際，后施工隧道開挖時采取斜眼淺孔掏槽爆破，結合開挖隧道輪廓線：布置炮孔掏槽孔6 個，橫排間距1.00 m，炮孔傾角60°，孔底距離0.25 m，孔頂距離2.80 m；輔助孔112 個，排距1.00 m，同排孔距0.80 m；周邊孔90 個，排距0.55 m，同排孔距0.45 m。使用巖石硝銨炸藥，經計算，爆破炮孔總裝藥量為132.44 kg[15]。隧道炮孔爆破參數(shù)見表2，隧道掌子面炮孔及掏槽孔布置如圖5 所示。

表2 隧道炮孔布置參數(shù)Table 2 Tunnel perforation arrangement parameters

圖5 隧道掌子面炮孔(a)及掏槽孔 (b)布置Fig.5 Tunnel face blast holes (a) and cutting holes (b) arrangement

2.3 爆破荷載加載方式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，交通隧道的安全振速標準為10～20 cm/s[16]。目前，爆破荷載計算研究繁多[17]，主要有兩種計算方法：第1 種是直接利用爆轟理論計算炮孔壓力，將爆破荷載曲線等效為拋物線函數(shù)，將炮孔壓力作用于炮孔壁上；第2 種是將爆破壓縮波等效為三角形荷載，將得到的動荷載峰值按照脈沖形式施加在開挖邊界上，爆破荷載時程曲線見圖6。圖6 中：pmax為荷載應力峰值，t0為荷載升壓時間，t1為荷載作用總時間。由于第1 種方法在模擬多孔爆破的隧道施工中精度較低，因此采用第2 種三角形爆破荷載加載方式。

圖6 爆破荷載時程曲線Fig.6 Time history curve of blasting load

2.4 爆破荷載峰值和作用時間

爆破產生時，爆破荷載以均布壓力的形式作用在后施工隧道洞壁上，且法向垂直于洞壁。考慮一般隧道掘進爆破開挖設計，采用文獻[18]的方式，爆破荷載曲線中荷載的升壓時間取10 ms，卸壓時間取90 ms，總計算時間取100 ms。采用文獻[19–20]的方式確定三角形爆破荷載應力峰值

式中：應力峰值pmax的單位為MPa；Z為比例距離，單位m/kg1/3；R＊為爆心至荷載作用面的距離，單位m；Q為炮孔齊發(fā)爆破時的總裝藥量，單位kg。由此計算得到三角形爆破荷載時程曲線，如圖7所示，其中：pmax=1.8 MPa，t0=10 ms，t1=100 ms。

圖7 三角形爆破荷載時程曲線Fig.7 Time history curve of triangular blasting load

3 爆破荷載下鄰近隧道振速演化規(guī)律

取圍巖等級為Ⅳ級，隧道埋深為25 m，隧道間距為11.5 m，記錄爆破荷載傳播過程中不同時刻的速度云圖，以展現(xiàn)爆破荷載對圍巖和鄰近隧道初期支護振速的影響。

3.1 圍巖振速演化規(guī)律

為研究爆破荷載對圍巖振速的影響，取不同時刻斷面O的圍巖振速，如圖8 所示。當t=20 ms 時，炸藥爆破產生沖擊荷載，使鄰近隧道圍巖產生振速，爆破荷載以后施工隧道掌子面為中心向四周傳播，對圍巖產生影響；當t=40 ms 時，爆破荷載產生爆破振動波對鄰近隧道迎爆側產生影響，導致鄰近隧道迎爆側產生較大的振速；當t=75 ms 時，背爆側出現(xiàn)大范圍藍色振動區(qū)域，爆破振動波已傳播到鄰近隧道背爆側，這是由于爆破振動波先通過鄰近隧道迎爆側對其背爆側產生影響，迎爆側振速明顯大于背爆側振速；當t=100 ms 時，爆破振動波已完全穿過鄰近隧道并繼續(xù)向四周圍巖傳播，傳播速度減弱，此時后施工隧道拱頂處的圍巖振速達到最大值。

圖8 圍巖振速演化Fig.8 Evolution of vibration velocity of surrounding rock

3.2 初期支護振速演化規(guī)律

不同時刻鄰近隧道初期支護速度云圖如圖9 所示。鄰近隧道初期支護振速演化規(guī)律與圍巖振速演化規(guī)律基本相同。當t=40 ms 時，爆破荷載對鄰近隧道初期支護迎爆側拱腰產生較大影響；當t=75 ms 時，鄰近隧道迎爆側拱腰振速約為背爆側振速的3 倍；當t=100 ms 時，爆破荷載已傳播到鄰近隧道前后方，鄰近隧道前方受振速影響的區(qū)域大于其后方，爆破振速在初期支護處明顯減弱，背爆側振速增大，但迎爆側振速仍大于背爆側振速。

圖9 初期支護振速演化Fig.9 Evolution of vibration velocity of primary support

4 不同條件下鄰近隧道的振速特性

4.1 不同隧道間距下鄰近隧道的振速特性

取圍巖等級為Ⅳ級，隧道埋深為25 m，隧道間距（L）分別為7.5、9.5、11.5 m，對這3 種工況進行模擬，以研究不同間距下后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道振速的影響。

4.1.1 不同隧道間距時各方向振速

不同隧道間距時，鄰近隧道斷面O上監(jiān)測點各方向振速（peak particle velocity，PPV）分布見圖10，其中x、y和z方向分別代表水平徑向、水平切向和垂直方向。由圖10 可知，鄰近隧道斷面O上各方向振速與隧道間距成反比，不同隧道間距條件下鄰近隧道迎爆側振速均遠大于背爆側振速，由于鄰近隧道圍巖中存在自由面，因此圍巖在x方向的限制較小，各監(jiān)測點振速均符合vx>vz>vy的變化規(guī)律，其中x方向振速對圍巖的損傷和破壞起主導作用，通常以x方向的振速作為鄰近隧道爆破振動的安全準則。

圖10 不同隧道間距條件下鄰近隧道斷面O 上各方向振速分布（單位：cm/s）Fig.10 Vibration velocity distribution of adjacent tunnel section O in each direction under different tunnel spacing (Unit: cm/s)

y方向振速因初期支護的較大約束作用而相對較小，由于隧道屬于淺埋雙線隧道，隧道上部圍巖受巖體的限制較小，因此隧道上部圍巖的y方向振速大于其下部，與隧道下部圍巖相比，上部圍巖受爆破的影響更嚴重。隧道間距的變化對鄰近隧道的最大振速位置不會產生影響，在隧道間距為7.5、9.5、11.5 m 的條件下，右拱腰質點的x方向振速分別為7.75、6.22、4.41 cm/s，隨著隧道間距的增大，鄰近隧道圍巖質點的x方向振速不斷減小。

4.1.2 不同隧道間距時的徑向振速

取不同隧道間距時監(jiān)測斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測點的x方向振速（即徑向振速），則其分布如圖11 所示。由圖11 可知，不同隧道間距時鄰近隧道各監(jiān)測斷面的徑向振速變化規(guī)律相同，鄰近隧道x方向的最大振速始終出現(xiàn)在迎爆側拱腰，迎爆側各測點的振速衰減速率較大，而背爆側各測點的振速衰減速率較小，由于爆破振動波經衍射后振速衰減，迎爆側振速衰減速率遠大于背爆側，爆破荷載對鄰近隧道迎爆側的影響從大到小依次為拱腰、拱肩和拱腳、拱頂、拱底。

對比不同斷面處的圍巖振速，由于K方向隧道各斷面均已開挖，后施工爆破隧道T方向處于未開挖狀態(tài)，T方向各斷面的質點振速受巖體的限制較大，斷面K1距后施工隧道爆源較近且隧道斷面已完全開挖，而斷面O為鄰近隧道爆破相鄰面，因此鄰近隧道各斷面質點振速從大到小依次為K1、O、K2、T1，斷面K1處鄰近隧道圍巖各監(jiān)測點振速達到最大值。在實際工程中，應重點關注鄰近隧道距爆源前方5 m 斷面處的圍巖振速。

4.1.3 不同隧道間距時的初期支護振速

取不同隧道間距時鄰近隧道初期支護的x方向振速，如圖12 所示。不同隧道間距條件下鄰近隧道初期支護迎爆側振速的差異較大，背爆側振速的差異較?。浑S著隧道間距的減小，鄰近隧道初期支護的振速不斷增大，迎爆側振速明顯大于背爆側振速；當隧道間距為7.5 m 時，迎爆側振速約為背爆側振速的3.5 倍，此時拱頂和拱底處的初期支護振速變化較??；當隧道間距為9.5 和11.5 m 時，x方向最大振速分別為8.56 和7.27 cm/s，與隧道間距7.5 m 相比，最大振速分別減小6.5%和20.1%，說明隧道間距對鄰近隧道初期支護振速的影響較大，在鄰近隧道迎爆側拱腰處，初期支護的x方向振速達到最大值。

4.2 不同隧道埋深下鄰近隧道的振速特性

取圍巖等級為Ⅳ級，隧道間距為11.5 m，隧道埋深（H）分別為15、25、35 m，對這3 種工況進行模擬，研究不同隧道埋深下后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道振速的影響。

4.2.1 不同隧道埋深時各方向振速

不同隧道埋深時鄰近隧道斷面O上監(jiān)測點各方向的振速如圖13 所示。不同隧道埋深條件下，鄰近隧道各方向的振動規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，隧道埋深與鄰近隧道斷面O上各方向的振速成反比，隧道埋深越小，鄰近隧道圍巖各方向振速越大，圍巖穩(wěn)定性越差。斷面O上不同測點的振速衰減速率各不相同，鄰近隧道迎爆側振速衰減速率大于背爆側，不同隧道埋深對各方向振速最大值出現(xiàn)的位置不會產生影響。

鄰近隧道的x方向振速達到最大值，x、z方向振速最大值均位于右拱腰處，y方向振速最大值位于右拱肩處，這是因為鄰近隧道拱腰與后施工隧道爆源位于同一高度，爆破荷載引發(fā)振動波垂直入射，鄰近隧道右拱腰是受爆破振動影響最顯著的位置，由于隧道呈圓拱形，爆破引發(fā)的振動波沿拱腰到拱頂和拱底的入射角不斷增大，振動波逐漸衰減，圍巖從拱腰至拱頂和拱底的振速不斷減小。當埋深分別為15、25、35 m 時，鄰近隧道右拱腰的x方向振速分別為5.97、3.85、3.22 cm/s，即隧道埋深在15～25 m 范圍內時，鄰近隧道圍巖的振動衰減速率最大。

4.2.2 不同隧道埋深時的徑向振速

不同隧道埋深條件下監(jiān)測斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測點的x方向振速分布如圖14 所示。不同隧道埋深條件下，鄰近隧道各斷面的振動規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，在斷面K1處各測點振速達到最大值，沿K、N方向質點振速隨距爆破中心距離的增加而減小，振速最大值位于迎爆側拱腰處，最小值位于背爆側拱腳處。以隧道埋深15 m 為例，斷面O、K2、T1鄰近隧道右拱腰的振速分別為6.05、5.97、5.36 cm/s，與斷面K1相比，最大振速分別減小2.5%、3.8%和13.7%，說明鄰近隧道在斷面K1處受爆破的影響最大。

首先，供試產品應有具備資質的檢測機構出具的結論合格的產品檢驗報告，除此之外，應有所有試驗產品的自檢報告（產品名稱、規(guī)格型號與實際使用一致）。其次，醫(yī)療器械的運輸、接收、裝機、使用、回收等均應有相應記錄。如果對運輸條件、儲存條件、安全有效期有相應規(guī)定，還需要有相關記錄。例如，體外診斷試劑盒一般儲存條件都在2～8 ℃，如果涉及整個保存過程的話，應有對應的冷鏈運輸及保存冰箱溫度記錄。

圖14 不同隧道埋深條件下鄰近隧道的徑向振速分布Fig.14 Radial velocity distribution of adjacent tunnel under different buried depths

4.2.3 不同隧道埋深時的初期支護振速

一般取x方向振速為鄰近隧道安全準則的判斷依據(jù)，然而，考慮到隧道埋深主要對初期支護z方向振速產生明顯影響，因此選取鄰近隧道初期支護z方向振速來研究不同隧道埋深條件下鄰近隧道初期支護的振速變化規(guī)律，如圖15 所示。隨著隧道埋深的減小，初期支護振速增大，初期支護迎爆側和背爆側振速的差異增大；當隧道埋深為25 和35 m 時，鄰近隧道z方向的最大振速分別為3.17 和2.78 cm/s，與隧道埋深15 m 相比，最大振速分別減小26.6%和35.6%，說明隧道埋深對初期支護迎爆側振速的影響較大。

圖15 不同隧道埋深條件下鄰近隧道初期支護的振速分布Fig.15 Distribution of vibration velocity in adjacent tunnel initial support under different buried depths

4.3 不同圍巖等級下鄰近隧道的振速特性

取隧道埋深為25 m，隧道間距為11.5 m，圍巖等級分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，對這3 種工況進行模擬，以研究不同圍巖等級下后施工隧道爆破開挖對鄰近隧道振速的影響。

4.3.1 不同圍巖等級時各方向振速

取不同圍巖等級時鄰近隧道斷面O上監(jiān)測點的各方向振速，如圖16 所示。圍巖等級與鄰近隧道各方向振速成反比，圍巖等級越高，鄰近隧道圍巖振速越低，不同圍巖等級對鄰近隧道z方向振速的影響較明顯。在圍巖等級分別為Ⅲ、Ⅱ的條件下，鄰近隧道右拱腰x方向振速的最大值分別為1.28、0.85 cm/s，與圍巖等級Ⅳ相比，最大振速分別降低了22.3%和66.7%。

圖16 不同圍巖等級下鄰近隧道斷面O 各方向的振速分布（單位：cm/s）Fig.16 Vibration velocity distribution of adjacent tunnel section O in each direction under different surrounding rock grades (Unit: cm/s)

由于爆破振動波在完整堅硬圍巖中的傳播速度較慢，因此鄰近隧道圍巖質點各方向振速較??；反之，對于松軟破碎的地質圍巖，圍巖質點各方向振速較大，圍巖級別越低，其對爆破應力波的阻尼效應越弱。與Ⅳ級圍巖相比，Ⅲ級圍巖的穩(wěn)定性較好，且?guī)r石堅硬完整，爆破振動波的阻尼效應更明顯，能夠有效地衰減爆破振動波，因此當圍巖等級從Ⅳ級提升至Ⅲ級時，鄰近隧道圍巖振速衰減速率最大。

4.3.2 不同圍巖等級時的徑向振速

不同圍巖等級時監(jiān)測斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測點的x方向振速分布如圖17 所示。不同圍巖等級條件下爆破荷載對鄰近隧道各斷面振動的影響規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，斷面K1和K2上各測點振速均大于斷面T1上各測點振速，鄰近隧道迎爆側振速遠遠大于背爆側振速。以圍巖等級Ⅳ為例，斷面K1、O、K2上鄰近隧道右拱腰振速分別為4.18、4.02、3.85 cm/s，與斷面T1相比，最大振速分別提高14.8%、10.1%和5.7%，說明不同圍巖等級條件下鄰近隧道中爆源前方振速大于爆源后方振速。

圖17 不同圍巖等級下鄰近隧道徑向振速分布Fig.17 Radial velocity distribution of adjacent tunnel under different surrounding rock grades

4.3.3 不同圍巖等級時的初期支護振速

不同圍巖等級時鄰近隧道初期支護的x方向振速分布如圖18 所示。可以看出，圍巖等級與鄰近隧道初期支護振速成反比，即隨著圍巖等級的提高，鄰近隧道初期支護振速減小，當圍巖等級分別為Ⅱ和Ⅲ時，x方向最大振速分別為1.23 和3.18 cm/s，與圍巖等級Ⅳ相比，最大振速分別降低83.1%和56.2%。通過對比不同隧道間距和不同隧道埋深下初期支護振速衰減速率，可以發(fā)現(xiàn)，不同圍巖等級對初期支護振速的影響最大，應重點關注地質條件較差的隧道爆破施工。

圖18 不同圍巖等級下鄰近隧道初期支護的振速分布Fig.18 Distribution of vibration velocity in adjacent tunnel initial support under different surrounding rock grades

5 結 論

研究了后施工隧道爆破開挖影響下鄰近隧道振速演化特性，系統(tǒng)分析了隧道間距、隧道埋深和圍巖等級對爆破荷載作用下鄰近隧道圍巖和初期支護振速的影響規(guī)律，得到如下主要結論。

(1) 爆破荷載是以后施工隧道掌子面為中心進行傳播，爆破荷載產生的振動波先對鄰近隧道迎爆側產生影響，鄰近隧道迎爆側振速遠遠大于背爆側振速，迎爆側振速衰減速率大于背爆側振速衰減速率，其中背爆側拱腳受爆破的影響最小，迎爆側拱腰的振速最大，該處圍巖最易脫落，應加強支護。

(2) 爆破振速在鄰近隧道距爆源前方5 m 處達到最大值，各監(jiān)測斷面的圍巖振速隨著距爆源中心距離的增加而減小，爆源前方振速大于后方振速，圍巖質點各方向振速從大到小依次為x方向、z方向、y方向，x方向和z方向振速最大值均位于右拱腰處，y方向振速最大值位于右拱肩處，通常以x方向振速作為鄰近隧道圍巖臨界振速。

(3) 隧道間距、隧道埋深和圍巖等級均與鄰近隧道圍巖振速及初期支護振速成反比，其中圍巖等級對鄰近隧道振速的影響最顯著；不同條件下鄰近隧道各方向振速最大值出現(xiàn)的位置變化不大；爆破荷載對鄰近隧道的影響從大到小依次為拱腰、拱肩和拱腳、拱頂、拱底。