城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道爆破掏槽方式優(yōu)化*

李 婷,周傳波,蔣 楠,呂國(guó)鵬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,武漢 430074)

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展,地下空間的開(kāi)發(fā)利用與日俱增。鉆爆法由于適用性廣、成本低迄今仍是隧道開(kāi)挖的主要方法[1]。然而,這種方法會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、空氣沖擊波、飛石噪音、有毒氣體和灰塵等不良影響,在這些不良影響中,爆破引起的振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的危害位居首位[2]。地鐵線路大多位于中心城區(qū),采用鉆爆法爆破開(kāi)挖時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng),影響施工區(qū)周圍建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定安全性,如控制不當(dāng),甚至危害居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中,掏槽爆破夾制作用最大,振動(dòng)效應(yīng)最強(qiáng)烈,是隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)控制的關(guān)鍵[3]。因此結(jié)合隧道爆破工程實(shí)際,以控制爆破振動(dòng)效應(yīng)為目標(biāo),優(yōu)化掏槽方式,對(duì)于保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物安全,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前,已有許多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論解析、數(shù)值模擬等方法對(duì)隧道掏槽爆破方式及其振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究。楊年華等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)研究地表振動(dòng)特性[4],研究表明掏槽爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)最強(qiáng)烈,振動(dòng)強(qiáng)度最大。陳貴等通過(guò)對(duì)淺埋隧道爆破開(kāi)挖的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)進(jìn)行研究[5],研究結(jié)果表明與其他炮孔相比掏槽爆破振動(dòng)強(qiáng)度最強(qiáng)烈。Tian X 等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)并收集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[6],分析了單楔形掏槽爆破振動(dòng)在地層中的傳播規(guī)律。Gao W等通過(guò)ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對(duì)楔形掏槽爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[7],分析不同延時(shí)分段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度,研究結(jié)果表明延遲時(shí)間為10 ms時(shí),平均減振比最好。

楊國(guó)梁等通過(guò)比較直眼掏槽和楔形掏槽之間的應(yīng)力波演變[8],研究表明楔形掏槽對(duì)巖石巷道的快速開(kāi)挖是更具有優(yōu)越性的。Yang D等通過(guò)對(duì)不同掏槽角度的楔形掏槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)[9],研究結(jié)果表明當(dāng)楔形掏槽角度為65°時(shí),峰值振動(dòng)速度最小。Man K等通過(guò)進(jìn)行不同掏槽方案的爆破試驗(yàn)[10],根據(jù)試驗(yàn)研究表明直眼掏槽爆破效果較好,單楔形掏槽和雙楔形掏槽爆破產(chǎn)生的巖渣均勻且有利于排渣。Cheng B等通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究單楔形掏槽和雙楔形掏槽的爆破效果[11],研究表明雙楔形掏槽的爆破效果比單楔形掏槽更好。

上述可見(jiàn),隧道掏槽爆破研究大多集中于掏槽爆破效果或單一掏槽方式爆破振動(dòng)效應(yīng)。

結(jié)合武漢市地鐵7號(hào)線巨龍大道站～盤(pán)龍大道區(qū)間隧道爆破工程,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,對(duì)比分析地鐵隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中三種掏槽方式的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及其振動(dòng)效應(yīng),進(jìn)而比選最優(yōu)的掏槽方式,為城市地鐵隧道爆破設(shè)計(jì)和安全施工提供參考。

1 隧道爆破工程概況及掏槽爆破設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本工程位于武漢7號(hào)線巨龍大道站,地鐵隧道平面布置如圖1所示。巨龍大道站1號(hào)位于盤(pán)龍大道路側(cè),2#工作井位于巨龍大道與盤(pán)龍大道交叉口地塊空地內(nèi)。本工程隧道全長(zhǎng)321.796 m從2#工作井分別向巨龍大道站、1#工作井掘進(jìn),其中2#工作井至巨龍大道站長(zhǎng)159.6 m。

圖1 地鐵隧道平面布置圖Fig. 1 The layout of the subway tunnel

隧道跨度為11.88 m,高為9.46 m,斷面面積90.74 m2。隧道所處地層從上到下依次為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中:雜填土厚度為5 m,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度為15 m,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖25 m。隧道位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中,為Ⅴ級(jí)圍巖,隧道位置及其地層特征見(jiàn)圖2所示。

圖2 隧道空間位置縱剖面示意圖(單位:m)Fig. 2 Longitudinal section diagram of tunnel spatial position(unit:m)

隧道采用CD法開(kāi)挖,先左側(cè)、右側(cè)開(kāi)挖,中隔壁采用22#工字鋼作為臨時(shí)支撐,左右導(dǎo)洞分上下臺(tái)階分布開(kāi)挖,左導(dǎo)洞上臺(tái)階已向前開(kāi)挖10 m,左導(dǎo)洞下臺(tái)階已向前開(kāi)挖6 m,右導(dǎo)洞已向前開(kāi)挖1 m。氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔,非電毫秒雷管起爆的光面爆破,循環(huán)進(jìn)尺為1 m。隧道爆破示意圖如圖3所示。

1-掌子面;2-掏槽孔;3-襯砌;4-地面;Ⅰ-左導(dǎo)洞;Ⅱ-右導(dǎo)洞;①,②,③,④-開(kāi)挖順序圖3 隧道掏槽爆破示意圖(單位:mm)Fig. 3 Schematic diagram of underpass cut blasting(unit:mm)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)掏槽方式設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用單楔形掏槽,掏槽孔布置在隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階,設(shè)計(jì)掏槽孔為4個(gè)孔,與掌子面平面成60角;采用不耦合裝藥,單孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。單楔形掏槽炮孔布置如圖4示,掏槽孔參數(shù)如表1所示。

表1 單楔形掏槽爆破參數(shù)表Table 1 Single wedge cut blasting parameter table

圖4 單楔形掏槽(單位:mm)Fig. 4 Single wedge hole cutting(unit:mm)

輔助孔和周邊孔取0.7 m;外插角3°～5°。鑿巖機(jī)具選用YT28型鑿巖機(jī),炮孔直徑選用D=40 mm。炮孔布置順序:先布置掏槽,再布置周邊孔,最后布置輔助孔。掏槽布置在開(kāi)挖斷面中下方,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長(zhǎng)度為1.0 m,均比其他孔深。周邊孔布置在開(kāi)挖斷面的設(shè)計(jì)線附近,再布置最靠近周邊孔的一圈輔助孔,其余輔助孔從掏槽向四周均勻布置。

2 隧道爆破數(shù)值建模及驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)

采用動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)地鐵隧道掏槽爆破進(jìn)行模擬,圖5所示為地鐵隧道掏槽爆破時(shí)的模型。模型整體尺寸為70 m×60 m×45 m。模型中均采用8節(jié)點(diǎn)Soild164實(shí)體單元,cm-g-μs單位制。在進(jìn)行動(dòng)力有限元數(shù)值模擬的過(guò)程中,巖石和炮泥采用Lagrange網(wǎng)格,炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格。根據(jù)網(wǎng)格敏感性分析的結(jié)果,模型網(wǎng)格尺寸取30 cm,掏槽周圍網(wǎng)格尺寸進(jìn)一步細(xì)化為 3 cm,共劃分940 516個(gè)單元。模型中除了頂面及隧道輪廓為自由邊界外,其余邊界均采用無(wú)反射邊界。

圖5 隧道爆破開(kāi)挖模型(單位:m)Fig. 5 Excavation model of foundation pit blasting(unit:m)

計(jì)算模型包括炸藥、炮泥、上覆巖土體及襯砌材料。上覆土體的材料模型采用*MAT_DRUCKER_PRAGER材料[12-14],上覆巖層、堵塞采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[15-17],隧道襯砌采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料模型,其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料參數(shù)Table 2 Model material parameters

現(xiàn)場(chǎng)采用的炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥,炸藥的材料模型與現(xiàn)場(chǎng)一致,采用LS-DYNA軟件自帶的高能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來(lái)模擬炸藥模型,炸藥的具體參數(shù)見(jiàn)表3,模擬炸藥爆轟過(guò)程中壓力和比容的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程[18]

表3 炸藥狀態(tài)方程相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters related to the explosive equation of state

(1)

式中:A、B、R1、R2、ω為炸藥材料參數(shù);p是壓力;V是相對(duì)體積;E0是初始比內(nèi)能。

2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的可靠性驗(yàn)證

為研究不同掏槽方式爆破開(kāi)挖地面振動(dòng)效應(yīng),本實(shí)驗(yàn)在隧道開(kāi)挖上方布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用TC-4850爆破監(jiān)測(cè)儀及其配套的三矢量速度傳感器對(duì)地面爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析軟件采用Blasting Vibration Analysis軟件。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示,相鄰兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)相隔5 m。

圖6 監(jiān)測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig. 6 Monitor site layout

為驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性,選取單楔形掏槽數(shù)值計(jì)算模型與現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。將現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度與數(shù)值模擬的振動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的可靠性,為后面其他方式掏槽爆破開(kāi)挖作用下地表振動(dòng)效應(yīng)研究提供依據(jù),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬峰值振速對(duì)比Table 4 Comparison of peak vibration velocity between field monitoring and numerical simulation

由表4可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)x軸方向的振動(dòng)速度最大,z軸方向最小。此外,現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果均略小于數(shù)值模擬分析結(jié)果,合振速的最大誤差約為11.49%,該誤差在允許范圍內(nèi),因此數(shù)值模擬分析結(jié)果具有較高的可靠性。同時(shí)選取現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)掏槽爆破時(shí)的合振速波形。與數(shù)值模擬分析結(jié)果合振速波形進(jìn)行對(duì)比,圖7為兩者合振速波形對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看出,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)波形與數(shù)值模擬分析結(jié)果波形基本一致,衰減規(guī)律也基本相似,由此進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值分析模型的可靠性,故在后續(xù)的分析過(guò)程中,可不過(guò)多考慮數(shù)值計(jì)算模型頻率的影響。

圖7 合振速波形對(duì)比Fig. 7 Comparison of vector vibration velocity

由以上分析可知,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果較為接近,建立的數(shù)值模擬可以用來(lái)進(jìn)行掏槽方式振動(dòng)效應(yīng)的對(duì)比分析。

3 三種掏槽方式下爆破地表振動(dòng)效應(yīng)對(duì)比分析

3.1 掏槽方式設(shè)計(jì)

單楔形掏槽能夠形成較大區(qū)域的空腔體積,為后續(xù)炮孔的爆破提供自由面,能夠有效提高循環(huán)進(jìn)尺和炮孔利用率。但其爆破塊度較大、堆碴分散,爆破振動(dòng)較大。直眼掏槽拋碴距離近、爆堆集中,利于出碴,但鉆孔精度要求高。雙楔形掏槽炮孔利用率高,成型質(zhì)量好,能夠有效節(jié)約工時(shí)。綜上所述,在原有單楔形掏槽爆破設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加四直眼掏槽和雙楔形掏槽爆破設(shè)計(jì),從而比選爆破效果較好、爆破振動(dòng)效應(yīng)較弱的掏槽方式。

根據(jù)掏槽布設(shè)原理,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)情況和實(shí)驗(yàn)條件,參考掏槽設(shè)計(jì)原則[10]:(1)是在不改變其他爆破參數(shù)的條件下,只變換掏槽的方式;(2)三種掏槽的鉆孔數(shù)量和裝藥總量都盡量保持一致,只是掏槽的分布方式不一致;(3)掏槽在掌子面區(qū)域的展布面積大致相同。對(duì)不同掏槽方式的優(yōu)劣性進(jìn)行對(duì)比,可以避免其他爆破參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響,同時(shí)具有較高的科學(xué)性。

四直孔掏槽布置在隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階,設(shè)計(jì)掏槽孔為4個(gè)孔,與掌子面平面成60°角;采用不耦合裝藥,單孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。掏槽孔布置在開(kāi)挖斷面的中下方位置,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長(zhǎng)度為1.0 m,均比其他孔深,四直孔掏槽炮孔布置圖如8所示。

圖8 四直孔掏槽(單位:mm)Fig. 8 Burn cut(unit:mm)

雙楔形掏槽孔布置在隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階,設(shè)計(jì)掏槽孔為6孔,分為2個(gè)一級(jí)掏槽孔和4個(gè)二級(jí)掏槽孔,與掌子面平面成60°角;采用不耦合裝藥,一級(jí)掏槽孔裝藥量為0.15 kg,二級(jí)掏槽孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。掏槽孔布置在開(kāi)挖斷面的中下方位置,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長(zhǎng)度為1.0 m,均比其他孔深,雙楔形掏槽炮孔布置圖如圖9所示。采用數(shù)值模擬方法,對(duì)比分析地鐵隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中三種掏槽方式的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及其振動(dòng)效應(yīng),進(jìn)而比選最優(yōu)的掏槽方式。

圖9 雙楔形掏槽(單位:mm)Fig. 9 Double wedge hole cutting(unit:mm)

3.2 沿隧道爆破開(kāi)挖軸線方向地表振動(dòng)效應(yīng)

3.2.1 沿隧道爆破開(kāi)挖軸線方向振動(dòng)傳播規(guī)律

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大,選擇該向峰值振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的參量。為了對(duì)單楔形、四直孔掏槽、雙楔形掏槽三種掏槽方式爆破開(kāi)挖沿隧道軸向地表振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行分析,并較直觀反映掏槽爆破振動(dòng)傳播規(guī)律,在隧道開(kāi)挖軸線方向和垂直于隧道開(kāi)挖軸線方向,選取距掌子面不同水平距離點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn),地表質(zhì)點(diǎn)與數(shù)值模型對(duì)應(yīng)位置如圖10所示。

圖10 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值模型對(duì)應(yīng)位置圖Fig. 10 Map of the corresponding locations of surface monitoring points and numerical models

以掌子面正上方地表質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn),掌子面前方(已開(kāi)挖區(qū))為橫坐標(biāo)負(fù)向,掌子面后方(未開(kāi)挖區(qū))為橫坐標(biāo)正向。沿隧道軸線方向,每隔1 m選取地表監(jiān)測(cè)點(diǎn),三種掏槽方式沿軸線方向爆破振動(dòng)傳播規(guī)律如圖11所示。

圖11 三種掏槽各監(jiān)測(cè)點(diǎn)x向峰值振動(dòng)速度對(duì)比Fig. 11 Comparison of x-direction peak vibration velocity of each monitoring point of three kinds of cutting

三種掏槽方式由地表沿隧道軸線方向爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律由圖可以看出,三種掏槽方式具有相似的傳播規(guī)律。

在0～10 m范圍內(nèi),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度隨著與掌子面距離不斷增加而減小,在0～-5 m范圍內(nèi),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度隨著與掌子面距離不斷增加而不斷衰減,當(dāng)?shù)乇碣|(zhì)點(diǎn)與掌子面水平距離超過(guò)5 m時(shí),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先上升后下降。隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階為已開(kāi)挖區(qū),由于應(yīng)力波在傳播過(guò)程中可通過(guò)已開(kāi)挖區(qū)形成的空洞上表面進(jìn)行反射,入射波和反射波在地表進(jìn)行疊加使地表質(zhì)點(diǎn)與掌子面水平距離超過(guò)-5 m后,x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度產(chǎn)生增大的現(xiàn)象,隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階已開(kāi)挖區(qū)對(duì)地表振動(dòng)速度具有放大效應(yīng),即存在“空洞效應(yīng)”。

單楔形、四直孔掏槽、和雙楔形掏槽沿隧道軸線方向x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值分別為1.58 cm/s,1.36 cm/s和1.28 cm/s,四直孔掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值最大,雙楔形掏槽最小。直眼掏槽x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值是雙楔形掏槽的1.26倍,單楔形掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值是雙楔形掏槽的1.11倍。

與四直孔掏槽和單楔形相比,雙楔形掏槽內(nèi)的裝藥孔采用延時(shí)爆破。延時(shí)爆破先引爆一級(jí)楔形掏槽炮孔,為后續(xù)掏槽起爆創(chuàng)造良好的臨空面,可有效降低爆破振動(dòng)效應(yīng)。一般認(rèn)為,當(dāng)延時(shí)爆破在半個(gè)主頻周期區(qū)域內(nèi),抗干擾減振效果表現(xiàn)突出。綜上所述,采用雙楔形掏槽進(jìn)行地鐵隧道爆破開(kāi)挖能有效降低地表峰值振動(dòng)速度。

3.2.2 沿隧道軸線方向空洞效應(yīng)研究

淺埋隧道在爆破開(kāi)挖過(guò)程中形成的空洞區(qū)會(huì)改變巖體原來(lái)的空間結(jié)構(gòu)[19],此空洞區(qū)將會(huì)使得成洞區(qū)地表振動(dòng)速度大于未成洞區(qū)地表相對(duì)應(yīng)位置的振動(dòng)速度,這種現(xiàn)象稱之為“空洞效應(yīng)”[4]。由于 “空洞效應(yīng)”使得振動(dòng)強(qiáng)度增大,威脅建(構(gòu))筑物安全,爆破施工中應(yīng)當(dāng)加以重視。

可以用振動(dòng)速度放大值對(duì)“空洞效應(yīng)”影響程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[20-23]:

以掌子面為中心,隧道軸線方向關(guān)于掌子面對(duì)稱點(diǎn)的振動(dòng)速度差值為

(2)

式中:f為空洞效應(yīng)振動(dòng)速度放大系數(shù);VC為已開(kāi)挖區(qū)地表振動(dòng)速度;VS為未開(kāi)挖區(qū)地表振動(dòng)速度。

采用動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)2#工作井內(nèi)隧道掘進(jìn)的掏槽方式進(jìn)行模擬,并對(duì)隧道掘進(jìn)至一定距離之后爆破引起的振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行模擬分析。首先以隧道掘進(jìn)掌子面為原點(diǎn),然后在隧道掌子面前后方向每隔五米選取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每側(cè)共選取4個(gè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖12所示。數(shù)值分析結(jié)果如圖13所示,坐標(biāo)軸正向?yàn)檎谱用婧蠓?未開(kāi)挖區(qū)),坐標(biāo)軸負(fù)向?yàn)檎谱用媲胺?已開(kāi)挖區(qū))。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:m)Fig. 12 Monitoring point layout(unit:m)

圖13 各測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度變化規(guī)律Fig. 13 Variation law of peak vibration velocity of each measuring point

分析表明:三種掏槽爆破在已開(kāi)挖區(qū)的振動(dòng)速度大于未開(kāi)挖區(qū)的地表振動(dòng)速度,由此可以看出,成洞區(qū)隧道對(duì)地表振動(dòng)速度存在放大作用,即存在“空洞效應(yīng)”。

為了進(jìn)一步分析掏槽爆破振動(dòng)“空洞效應(yīng)”及其變化規(guī)律,根據(jù)地表振動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算隧道已開(kāi)挖區(qū)和未開(kāi)挖區(qū)地表振動(dòng)速度放大系數(shù)。單楔形掏槽、直眼掏槽和雙楔形掏槽掌子面前后相對(duì)應(yīng)位置振動(dòng)速度放大系數(shù)如圖14所示。

圖14 地表振動(dòng)速度放大系數(shù)Fig. 14 Surface vibration velocity amplification factor

從圖14可以看出,三種掏槽爆破掌子面前后方地表振動(dòng)速度的放大系數(shù)隨著水平距離的變化趨勢(shì)大體一致,并且具有相似的衰減規(guī)律,其放大系數(shù)大致在1.35～2.02之間,在0～20 m范圍內(nèi)并不只是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減,而是隨著水平距離的增加而增大,在10 m處達(dá)到最大值,然后開(kāi)始減小。與其他兩種掏槽相比,雙楔形掏槽放大倍數(shù)較小。

3.3 垂直于隧道爆破開(kāi)挖軸線方向地表振動(dòng)效應(yīng)

以掌子面中心正上方地表質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn),隧道爆破開(kāi)挖導(dǎo)洞左側(cè)為坐標(biāo)軸負(fù)向,隧道爆破開(kāi)挖導(dǎo)洞右側(cè)為坐標(biāo)軸正向。在垂直于隧道軸線方向,每隔一米選取地表監(jiān)測(cè)點(diǎn),三種掏槽方式爆破開(kāi)挖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)x向峰值振動(dòng)速度如圖15所示。

圖15 三種掏槽各監(jiān)測(cè)點(diǎn)x向峰值振動(dòng)速度對(duì)比Fig. 15 Comparison of x-direction peak vibration velocity of each monitoring point of three kinds of cutting

三種掏槽方式由地表沿垂直于隧道開(kāi)挖軸線方向爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律由圖可以看出,x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度在隧道左右兩側(cè)分布規(guī)律大致相似,且隨著與原點(diǎn)水平絕對(duì)距離的增加而逐漸減小;由于隧道右導(dǎo)洞上臺(tái)階為未開(kāi)挖區(qū),而隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階為已開(kāi)挖區(qū),存在臨空面,所以在原點(diǎn)左右兩側(cè)相對(duì)應(yīng)位置處,隧道左側(cè)(已開(kāi)挖區(qū))x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度大于隧道右側(cè)(未開(kāi)挖區(qū))峰值振動(dòng)速度。

從整體上看,三種掏槽方式x向峰值振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)在相同位置。四直孔掏槽、單楔形掏槽和雙楔形掏槽x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值分別為1.651 cm/s、1.495 cm/s和1.333 cm/s,四直孔掏槽x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值最大,雙楔形掏槽最小。四直孔掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值是雙楔形掏槽的1.24倍,單楔形掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值是雙楔形掏槽的1.12倍。

4 結(jié)論

以巨龍大道暗挖段地鐵隧道爆破為例,運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析不同掏槽方式爆破地表振動(dòng)效應(yīng),得到的主要結(jié)論如下:

1)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的峰值振動(dòng)速度與現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相比,相對(duì)誤差為5.42%～11.49%,且質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線基本一致,數(shù)值模型可用于隧道掏槽爆破振動(dòng)的數(shù)值模擬。

2)沿隧道開(kāi)挖軸線方向,三種掏槽方式具有相似的傳播規(guī)律。在0～10 m范圍內(nèi),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度隨著與掌子面距離不斷增加而減小,在0～-5 m范圍內(nèi),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度隨著與掌子面距離不斷增加而不斷衰減,當(dāng)?shù)乇碣|(zhì)點(diǎn)與掌子面水平距離超過(guò)5 m時(shí),x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先上升后下降。隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階已開(kāi)挖區(qū)對(duì)地表振動(dòng)速度具有放大效應(yīng),即存在“空洞效應(yīng)”。垂直于隧道開(kāi)挖軸線方向,三種掏槽方式具有相似的傳播規(guī)律,x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度在隧道左右兩側(cè)分布規(guī)律大致相似,且隨著與原點(diǎn)水平絕對(duì)距離的增加而逐漸減小,隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階存在臨空面,隧道左側(cè)(已開(kāi)挖區(qū))x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度大于隧道右側(cè)。

3)沿隧道開(kāi)挖軸線方向,三種掏槽方式爆破開(kāi)挖x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值分別為1.582 cm/s、1.414 cm/s、1.251 cm/s;垂直于隧道開(kāi)挖軸線方向,三種掏槽方式x向(水平徑向)峰值振動(dòng)速度最大值分別為1.651 cm/s,1.495 cm/s和1.333 cm/s;以上兩種方向的雙楔形掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值最小,四直孔掏槽x向峰值振動(dòng)速度最大值最大。對(duì)三種掏槽方式爆破地表振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行綜合對(duì)比分析,得到掏槽方式最優(yōu)排序?yàn)?雙楔形掏槽>單楔形掏槽>直眼掏槽。

4)三種掏槽方式在已開(kāi)挖區(qū)的地表振動(dòng)速度大于未開(kāi)挖區(qū)的地表振動(dòng)速度,即存在“空洞效應(yīng)”,三種掏槽方式爆破掌子面前后方地表振動(dòng)速度的放大系數(shù)具有相似的衰減規(guī)律,其放大系數(shù)大致在1.35～2.02之間,最大值在10 m位置處。與其他兩種掏槽相比,雙楔形掏槽“空洞效應(yīng)”最弱。