隧道近距離下穿既有引水隧洞爆破振動影響研究

摘" 要：爆破施工對臨近既有隧洞結(jié)構(gòu)安全影響較大，以工程實(shí)際為例，采用數(shù)值模擬方式分析爆破施工對既有隧洞的振動影響。結(jié)果表明，既有隧道影響面與爆源距離直接影響爆破振動速度，在同一斷面上，隧道頂部和側(cè)方振動速度要高于底部區(qū)域，同時(shí)爆破藥量對臨近既有隧洞影響較大，建議合理控制裝藥量和爆破控制范圍減小爆破施工對既有隧洞的影響。該研究內(nèi)容可為類似工況隧道爆破施工提供理論參考借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道；爆破；振速；數(shù)值模擬；位移

中圖分類號：U451+.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0063-05

Abstract： Blasting construction has a great influence on the structural safety of the adjacent existing tunnel. Taking the engineering practice as an example， the influence of blasting construction on the vibration of the existing tunnel is analyzed by numerical simulation. The results show that the distance between the influence surface and the blasting source of the existing tunnel directly affects the blasting vibration velocity. On the same section， the vibration velocity of the top and side of the tunnel is higher than that of the bottom area， and the amount of blasting charge has a great influence on the adjacent existing tunnel. It is suggested that the charge quantity and blasting control range should be reasonably controlled to reduce the influence of blasting construction on the existing tunnel. This study can provide theoretical reference for tunnel blasting construction under similar working conditions.

Keywords： tunnel; blasting; vibration velocity; numerical simulation; displacement

隧道爆破施工對周邊既有建（構(gòu)）物的影響是一個(gè)普遍的問題，爆破施工中地震波在傳播過程中會發(fā)生衰減，隨著距離的增加振動強(qiáng)度也隨之減弱，持續(xù)時(shí)間也隨之縮短[1-2]。黃柯[3]以某新建隧洞考慮非控制爆破闡述對既有隧道的影響；李鈺璽[4]分析研究了新建隧道爆破對既有隧道襯砌的動力效應(yīng)；張仁根等[5]研究小凈距隧道爆破施工對相鄰隧道振動的影響研究；李飛等[6]采用FLAC3D數(shù)值模擬方式研究了臨近隧道爆破振速與裝藥量、振源距離和圍巖性質(zhì)的相關(guān)性；張青江[7]采用FLAC3D數(shù)值模擬方式研究軟弱破碎圍巖小凈距隧道洞口段爆破振動的影響，結(jié)果表明爆源斷面對后方圍巖的影響大于前方；賈永勝等[8]研究了露天爆破施工對臨近既有隧道振動的影響。本文以實(shí)際工程為背景，針對雙線隧道近距離下穿既有引水隧洞爆破振動進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究爆破振動時(shí)程特點(diǎn)和變化規(guī)律，分析既有隧洞變形量，討論安全振速下的合理裝藥量，為爆破施工提供理論參考依據(jù)。

1" 工程概況

良睦路道路工程新建隧道近距離下穿既有引水隧洞，隧道頂距離引水隧道底10.65～11 m。隧道左右線最小凈距21 m，如圖1（a）所示，在穿越引水隧洞前后采用光面爆破開挖。下穿區(qū)段范圍內(nèi)地層巖性為中風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖交界處，圍巖為IV3級，洞身段穿越中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，圍巖為IV2級。

2" 分析模型

2.1" 建立模型

采用Midas GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。模型整體取X方向100 m，Y方向120 m，Z方向100 m。整體網(wǎng)格共劃分節(jié)點(diǎn)單元200 598個(gè)，其中對新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)用板單元模擬，定義材料屬性為彈性材料，隧道四周圍巖地層采用實(shí)體單元模擬，材料屬性選用為摩爾-庫侖模型，模型邊界采用曲面彈簧單元模擬，如圖1（b）所示。圖2為模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

對于爆破振動引起的沖擊荷載，采用軟件時(shí)程函數(shù)來模擬，并轉(zhuǎn)化成作用到孔壁上的孔壁壓力。施加在爆破斷面掏槽眼上的面壓力如圖3所示，通過荷載定義時(shí)程函數(shù)荷載衰減形式如圖4所示。

本次數(shù)字模擬基本假定條件如下。

1）爆破荷載以壓力形式均勻作用在隧道壁上，形成法相應(yīng)力，爆破荷載以函數(shù)曲線為脈沖形式輸入軟件，即圖4所示。

2）分析爆破振動波在巖體中的傳播規(guī)律，取爆破計(jì)算時(shí)間為1 s。

2.2" 參數(shù)設(shè)置

新建隧道爆破采用乳化炸藥，非電毫秒雷管起爆，微差爆破，周邊眼采用導(dǎo)爆索起爆。本文僅研究導(dǎo)洞掏槽眼裝藥爆破影響分析，掏槽眼采用楔形掏槽式，進(jìn)深為1 m，其他眼深度為0.8 m，預(yù)計(jì)進(jìn)尺0.5 m，掏槽眼布置如圖5所示。掏槽眼采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，布設(shè)10個(gè)孔，計(jì)劃平均每孔裝藥量0.5 kg，總裝藥量5 kg。周邊孔隧道開挖輪廓線布置，炮孔間距E=55 cm，根據(jù)m=E/W，m=0.688。

掏槽眼段選用巖石乳化炸藥，其爆速為3 500 m/s，密度為1 g/cm3。計(jì)算輸入?yún)?shù)見表1。模擬掏槽爆破點(diǎn)在右線中導(dǎo)洞開挖正下穿引水隧洞前15 m處，如圖6所示，計(jì)算掏槽眼一次最大裝藥量5 kg，分析爆破對既有引水隧洞振動及位移變形的影響。

為了進(jìn)行特征值分析，通過彈性邊界來定義支座的邊界條件。計(jì)算通過曲面彈簧定義彈性邊界，彈性系數(shù)根據(jù)道路設(shè)計(jì)規(guī)范的地基反力系數(shù)計(jì)算。

豎直地基反力系數(shù)為

水平地基反力系數(shù)為

式中：" " " " " " " " " " " " " " " " ，Av和Ah分別為地基豎向和水平向的面積，E0為地基彈性模量，系數(shù)α一般輸入1.0。

軟件特征值分析求得第1、2振型周期值分別為0.279 743、0.213 484 s。

3" 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

計(jì)算選取既有引水隧洞底部（81 318、81 298、81 288、81 285、81 426和81 315）6個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的速度時(shí)程變化，各節(jié)點(diǎn)平面位置如圖7所示。

為了研究爆破面節(jié)點(diǎn)時(shí)程變化，選取右線爆破截面四周中位（上42 360、下42 382、左42 376、右42 381）分布節(jié)點(diǎn)且位于迎爆面上，分布節(jié)點(diǎn)截面布置如圖8所示。

3.1" 振速時(shí)程分析

模型計(jì)算時(shí)間取1 s時(shí)程分析計(jì)算，計(jì)算步驟設(shè)定為200步，圖9和圖10為典型分布點(diǎn)的振動速度時(shí)間歷程曲線圖。

3.1.1" 右線爆破截面節(jié)點(diǎn)振動時(shí)程分析

由圖9可知，模擬爆破右線圍巖中導(dǎo)洞掏槽裝藥爆破，右線迎爆面方向上上下中位分布點(diǎn)42 360（位于隧道爆破點(diǎn)正上方）峰值速度為5.28 cm/s，振速峰值產(chǎn)生時(shí)間主要在0.01～0.1 s，爆破計(jì)算0.1 s后振速逐漸衰減；左右中位分布點(diǎn)峰值速度為1.43 cm/s，爆破源對垂直向的振速影響大于水平向。

3.1.2" 既有引水隧洞底部節(jié)點(diǎn)時(shí)程振動分析

由圖10可知，隧道爆破點(diǎn)正上方引水隧洞底部（節(jié)點(diǎn)81 285與節(jié)點(diǎn)81 288）峰值速度為5.25 cm/s，振速峰值主要發(fā)生在0.01～0.1 s，在0.1～0.2 s振速維持在0.595 cm/s上下振蕩，0.2 s后振速呈現(xiàn)衰減趨勢，其余各點(diǎn)的速度變化規(guī)律基本一致，距離爆源位置較近的點(diǎn)影響較大。

3.2" 引水隧洞振速時(shí)程節(jié)點(diǎn)分析

針對爆破計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析得出開挖圍巖及既有引水隧洞結(jié)構(gòu)在爆破時(shí)間里的整體振速影響等值線云圖，如圖11所示。

由圖11可知，爆破引起振動隨這個(gè)時(shí)間的推移，振速是逐漸減小，在0.2 s時(shí)爆破主要影響范圍爆源左側(cè)既有引水隧洞，當(dāng)0.2 s后爆破響應(yīng)區(qū)域主要在既有隧洞右端，既有隧洞的振速顯著減小。

3.3" 地層及既有隧洞位移分析

針對爆破計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析得出隧道開挖圍巖及既有引水隧洞結(jié)構(gòu)在爆破計(jì)算時(shí)間內(nèi)的位移等值線云圖，如圖12所示。

由圖12可知，爆破引起的變形主要集中在爆源四周部位，隨著爆破時(shí)間的推移，最大變形量基本一致，維持在4 mm左右，最小變形量逐漸減小，0.2 s時(shí)的最小變形是0.8 s時(shí)的3.3倍。

針對爆破計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析得出新建隧道完成襯砌結(jié)構(gòu)在爆破時(shí)間里的振速等值線云圖，如圖13所示。由圖13可知，爆破引起的振動主要影響已完襯砌的垂直向且位于隧道端部范圍，隨著時(shí)間的推移，振速不斷衰減，相較于土體振速，襯砌結(jié)構(gòu)振速整體較小，得出爆破引起的振速對屬性不同的材料影響強(qiáng)度不同。

3.4" 不同炸藥量爆破時(shí)程節(jié)點(diǎn)振速分析

通過改變不同炸藥量起爆對既有引水隧洞振速模擬分析，當(dāng)掏槽眼一次最大裝藥量10 kg爆破時(shí)，分析計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)開挖面地層及既有引水隧洞結(jié)構(gòu)振速影響，如圖14所示。由圖14可知，隨著爆破時(shí)間的推移，振速逐漸減小，引水隧洞結(jié)構(gòu)振速達(dá)到10 cm/s以上。對比裝藥量5 kg與10 kg同時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)可知，裝藥量的提高，相同時(shí)間的節(jié)點(diǎn)振速具有顯著提高。

4" 結(jié)論

本文以數(shù)值模擬方式研究新建隧道爆破對圍巖及既有引水隧洞影響，結(jié)果表明：

1）爆破振速峰值位于爆源迎爆斷面上，右線迎爆面方向上下中位節(jié)點(diǎn)42 360振速最大（位于爆源正上方），峰值速度為5.28 cm/s，左右中位節(jié)點(diǎn)峰值速度為1.43 cm/s，振速峰值主要發(fā)生在0.01～0.1 s，爆破源對垂直向的振速影響大于水平向，隨著時(shí)間的推移，整體振速不斷衰減。

2）對比不同爆源距離節(jié)點(diǎn)振速可得距隧道爆破點(diǎn)正上方引水隧洞底部（節(jié)點(diǎn)81 285）振速最大，峰值速度為5.25 cm/s，爆源位置較近的振動影響強(qiáng)度越大。當(dāng)裝藥量為5 kg時(shí)且在爆破計(jì)算周期內(nèi)，開挖圍巖及既有引水隧洞結(jié)構(gòu)最大總位移為4.28 mm，爆破對新建隧道已完成襯砌結(jié)構(gòu)振動峰值小于四周圍巖。

3）對比不同炸藥量的分析結(jié)果可知，隨著裝藥量增加，爆破產(chǎn)生振速隨之也增加，當(dāng)掏槽眼一次裝藥量達(dá)到10 kg時(shí)，引水隧洞結(jié)構(gòu)振速大于10 cm/s。根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[9]的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，新建隧道爆破施工掏槽眼建議一次裝藥量不大于10 kg，以減小爆破對既有引水隧洞結(jié)構(gòu)的振動影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖政權(quán).工業(yè)爆破的地震效應(yīng)及其防護(hù)[J].火炸藥，1986（1）：39-44.

[2] 熊代余，顧毅成.巖石爆破理論與技術(shù)新進(jìn)展[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：13-165.

[3] 黃柯.新建分洪隧洞下穿既有公路隧道控制爆破范圍研究[J].四川建筑，2023，43（2）：131-135.

[4] 李鈺璽.隧道爆破施工對臨近既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[5] 張仁根，吳文琦.爆破開挖時(shí)小凈距隧道的合理間距研究[J].公路，2011（8）：277-281.

[6] 李飛，陳衛(wèi)忠，李術(shù)才，等.高速公路淺埋大跨度雙跨連拱隧道爆破振動影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（S2）：4744-4748.

[7] 張青江.爆破震動條件下小凈距隧道動力特性分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（10）：226-227.

[8] 賈永勝，司劍峰，韓傳偉，等.露天爆破對鄰近既有隧道影響的仿真分析[J].工程爆破，2023，29（3）：1-7.

[9] 爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014[S].2014.