城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學特性分析

【摘要】在巖溶地層中修建城市地鐵一直是隧道工程界的難題之一。針對城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工問題，采用數(shù)值模擬的方式，開展了對爆破施工中地層縱橫剖面以及地表的振速分析。結果表明：（1）爆破開始后，振速呈分條狀分布，出現(xiàn)于爆破掌子面，經(jīng)過溶腔底部后，沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播。（2）泥質(zhì)土層中機械波波形分布出現(xiàn)畸形，且?guī)r土分界面的溶腔會增大周邊圍巖的振動響應。（3）爆破后地表最大振速為3.36 cm/s，爆后5 s左右振速基本衰減，其質(zhì)點振動頻率在4～6 Hz之間。地表橫向與縱向最大質(zhì)點振速分別為1.762 cm/s以及1.876 cm/s，分別位于掌子面正上方左側6.25 m處以及前方地表3.75 m處。

【關鍵詞】地鐵隧道； 巖溶地層； 爆破施工； 數(shù)值模擬； 爆破力學特性

【中圖分類號】U455.6A

0 引言

我國目前正處于城市化進程快速發(fā)展的階段，在緩解城市交通壓力、提升城市居民生活質(zhì)量方面，城市地鐵逐漸受到人們的青睞［1］。但在淺埋巖溶區(qū)進行城市地鐵爆破施工時，巖溶不良地質(zhì)將會引發(fā)涌水、巖爆、塌方等地質(zhì)災害，將對施工安全性及經(jīng)濟性產(chǎn)生較大的負面影響［2］。因此針對淺埋巖溶地層城市地鐵隧道施工的力學特性研究，具有較強的現(xiàn)實意義。

針對巖溶區(qū)隧道建設問題，國內(nèi)外學者依托各項具體工程，開展了相關研究。其中，楊昊坤［3］、何高峰［4］、周超［5］、黃秋鵬［6］等分別依托南京地鐵4號線工程、南寧地鐵2號線、徐州地鐵1號線、深圳地鐵16號線，論述了不同巖溶洞穴的發(fā)育特點及分布規(guī)律，并針對不同巖溶區(qū)引起的工程問題，分析了成因并提出了防治對策。黃焰［7］、曾建軍［8］等結合廣州地鐵工程，通過各種水文、地質(zhì)、物探等試驗及勘察方法，分析了巖溶地質(zhì)對地鐵施工的不良影響，研究了巖溶地區(qū)城市地下隧道工程的設計施工技術。吳建偉［9］通過分析巖溶地區(qū)地鐵隧道勘測方法，提出了相應的評估及處理方法。蔡義等［10］通過三維模型試驗以及數(shù)值模擬相結合的手段對淺埋地鐵隧道不同位置地層空洞對地表沉降的影響規(guī)律與空洞變形特征進行了研究。劉輝［11］、黃靜波等［12］以廣東白須公路隧道巖溶段爆破開挖問題為背景，通過數(shù)值模擬以監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總結了巖溶地層中爆破引起的地震波的衰減規(guī)律，并提出了隧道爆破施工時臨近溶洞的安全質(zhì)點振動速度峰值。蔡軍等［13］利用FLAC3D對隧道開挖后的震動效應進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)開挖區(qū)與未開挖區(qū)的地表質(zhì)點震動速度以及衰減規(guī)律存在較大區(qū)別，且在距掌子面一定距離內(nèi)隧道爆破施工存在著顯著的空洞效應。李健等［14］通過LS-DYNA分析了單孔爆破后溶洞尺寸及位置對圍巖損傷的影響，并以此優(yōu)化了爆破方案。

鉆爆法已成為在巖溶區(qū)修建城市地鐵隧道較為常見的施工方法，但對于埋深較淺的巖溶區(qū)地鐵隧道爆破施工的研究尚不完善。為了探明城市地鐵淺埋環(huán)境下巖溶區(qū)爆破施工對周圍環(huán)境的擾動規(guī)律，在參考國內(nèi)已有巖溶區(qū)城市隧道爆破理論研究的基礎上，本文通過有限元數(shù)值模擬的方法，依托貴陽地鐵3號線實際工程，對城市環(huán)境淺埋巖溶隧道施工爆破力學特性進行分析，可為類似工程提供參考價值。

1 工程背景

1.1 工程簡介

浣紗路站—黔靈山公園站區(qū)間起點位于棗山路，終點位于棗山路與雙峰路交叉路口，沿棗山路下穿行，里程范圍YDK32+479.934～YDK32+743.025，拱頂埋深8～31 m，施工方法為礦山法，為雙洞雙線型式，單洞截面寬度6.52 m。交通位置如圖1所示。

1.2 巖溶不良地質(zhì)

擬建場地為可溶巖分布區(qū)，碳酸鹽巖分布較廣，據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及相關資料表明，可溶巖分布地段巖溶形態(tài)主要以溶洞、溶溝（槽）、裂隙為主，巖體內(nèi)主要為溶孔、垂直溶洞（隙）等，溶洞被黏土呈全充填狀態(tài)。擬建場地內(nèi)的巖溶主要成管道連通。擬建場地為巖溶強發(fā)育區(qū)，鉆孔遇溶率57.1％，線溶率為1.9％。且大冶組灰?guī)r與安順組一段為古巖溶成因，地層呈溶塌不整合接觸，接觸帶層厚存在較大的溶塌角礫巖和不規(guī)則巖溶管道。

2 有限元模型概況

2.1 模型邊界條件

本隧道爆破施工分析通過ANSYS軟件展開，模型尺寸控制在3～5倍開挖隧道直徑，模型地層截斷處采用粘彈性人工邊界（地表為自由邊界），在ANSYS中通過COMBIN14（彈簧阻尼器）單元模擬地基土的彈性恢復性能及其對散射波能量的吸收。

2.2 數(shù)值模擬的建立及參數(shù)選取

隧頂隱伏溶腔計算模型如圖2所示，模型尺寸為：90 m（橫向）×60 m（縱向）×50 m（豎向），隧道拱頂埋深13.5 m。溶腔位于左線隧道拱頂，4 m，距離隧道拱頂4 m。模型中地層采用solid45單元，隧道初期支護采用shell63單元，模型左右側、前后側及底端截斷處為COMBIN14單元模擬的粘彈性人工邊界，地表為自由邊界。模型地層材料參數(shù)值見表1。

3 計算結果分析

3.1 地層縱剖面振速分析

為明確在隧道頂部賦存巖溶空腔時，爆破施工下地層內(nèi)速度及應力波在地層內(nèi)的時空特性，取爆破開挖隧道中心縱向軸線的剖面和過爆破施工掌子面的橫剖面做質(zhì)點速度及應力傳播分析。圖3為地層縱剖面振速云圖。

根據(jù)爆破振動理論分析，計算中將爆破荷載簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，其中上升段峰值時間為0.012 s，下降段結束時間為0.1 s。由圖3可知荷載上升段結束時，在爆破掌子面周邊很小范圍內(nèi)質(zhì)點出現(xiàn)一定速度，在0.03 s左右時，速度傳播至溶腔底部質(zhì)點，之后繼續(xù)沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播，并且振速分布出現(xiàn)明顯的分條狀，前后兩條波帶間隔距離大致在6～8 m之間。在0.12 s左右時，臨近地表質(zhì)點出現(xiàn)明顯振速，表明爆破后的機械波在此時傳播至地表。在0.4 s左右時地層中質(zhì)點振速處于較低水平，而地表處質(zhì)點出現(xiàn)較大范圍的高位，最大振速為3.32 cm/s。0.4 s后，地層中質(zhì)點速度均處于較低水平，地表各質(zhì)點振速也開始衰減，在0.6 s后，地層內(nèi)各質(zhì)點振速基本衰減至較低水平。

從波形分布特征來看，巖土分界面的存在對其分布及傳播有較大影響，由于覆蓋層主要為泥質(zhì)土層，其壓縮性、可變形性更高，機械波于其中的傳播速度更小，導致波形分布出現(xiàn)畸形，同時位于巖土分界面的溶腔也增加了溶腔周邊圍巖的振動響應，因此隧道爆破施工要特別關注溶腔圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 地層橫剖面振速分析

圖4為地層橫剖面不同時間點質(zhì)點速度云圖，由圖4可知0.03 s左右時速度傳播至溶腔底部質(zhì)點，0.12 s左右時，臨近地表質(zhì)點出現(xiàn)明顯振速，0.4 s左右時地表處質(zhì)點出現(xiàn)較大范圍的高位，0.4 s后地層中質(zhì)點速度均處于較低水平，地表各質(zhì)點振速也開始衰減，在0.6 s后地層內(nèi)各質(zhì)點振速衰減至較低水平。從橫剖面來看，巖土分界面及巖溶空腔對周邊圍巖的影響更為明顯，在分界面及空腔壁上出現(xiàn)高于周邊圍巖的振速水平，同時可以觀察到當機械波在到達隧道正上方地表后繼續(xù)向左右兩側傳播并逐漸衰減。

3.3 地表振速分析

地鐵、城市隧道的修筑，淺埋地下結構的開挖爆破震動對地面設施，特別是對城市地面建筑物的危害往往較大且具有不可逆性，對爆破施工后地表的波形及地表質(zhì)點振速進行分析，揭示爆破施工對其地表的影響特征及規(guī)律。圖5為不同時間地表振速云圖。

由圖5可知隧道掌子面爆后0.08 s左右在掌子面正上方質(zhì)點開始出現(xiàn)振速，隨后以近圓形向周邊展開并出現(xiàn)明顯的波動帶，在爆后0.4 s左右地表出現(xiàn)最大振速點，位于隧道掌子面正上方偏左側5～8 m范圍內(nèi)，0.4 s時最大振速值為3.36 cm/s。

為進一步分析隧道爆破施工后地表質(zhì)點振動時程特征，取圖6所示的監(jiān)測斷面及地表質(zhì)點監(jiān)測點進一步進行分析。圖7、圖8分別為橫向測點X1～X6、縱向測點Z1～Z6質(zhì)點振速（Vy）時程曲線。

從振速曲線整體分布來看，監(jiān)測點在爆后0.3～0.4 s內(nèi)達到振速峰值，在爆后5 s左右其振速衰減基本完成，其質(zhì)點振動頻率在4～6 Hz之間。觀察各測點在其時域內(nèi)的峰值振速，有X1gt;X2gt;X3、X4lt;X5lt;X6，表明爆破掌子面正上方并非最大振速點，結合地表振速云圖得知最大振速點分布于其兩側一定范圍內(nèi)；縱向監(jiān)測斷面上各測點峰值振速大小關系為：Z1gt;Z2gt;Z3gt;Z4gt;Z5gt;Z6，表現(xiàn)為掌子面前方對應地表振速大于掌子面后方對應地表，結合前面的地表振速云圖，縱向監(jiān)測斷面上的監(jiān)測點最大振速點分布在隧道掌子面前側對應地表一定范圍內(nèi)。

圖9為兩條監(jiān)測斷面在整個計算時域內(nèi)質(zhì)點最大振速曲線，其分布特征表現(xiàn)為中間低、兩端高，呈“M”型分布。橫向監(jiān)測斷面上最大質(zhì)點振速為1.762 cm/s，位于掌子面正上方左側6.25 m處；縱向監(jiān)測斷面上最大質(zhì)點振速為1.876 cm/s，位于掌子面前方地表3.75 m處。

4 結論

本文基于貴陽軌道交通3號線浣紗路站—黔靈山公園區(qū)段工程，通過有限元分析的方法，對城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學特性進行了分析研究，主要得到以下結論。

（1）爆破施工開始后，爆破掌子面周邊質(zhì)點首先出現(xiàn)振速，之后傳播至溶腔底部，接著繼續(xù)沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播。振速主要呈現(xiàn)分條狀分布，且前后兩條波帶間隔距離在6～8 m之間。機械波在到達隧道正上方地表后繼續(xù)向左右兩側傳播，在0.6 s之后逐漸衰減，各質(zhì)點振速減小到較低水平。

（2）機械波在泥質(zhì)土層中傳播速度更小，使得波形分布出現(xiàn)畸形，且處于巖土分界面的溶腔對周邊圍巖的振動響應具有增幅作用。

（3）隧道掌子面發(fā)生爆破后的0.4 s地表振速達到峰值3.36 cm/s，位于隧道掌子面正上方偏左側5～8 m范圍內(nèi)，在爆后5 s左右振速衰減基本完成，其質(zhì)點振動頻率在4～6 Hz之間。其中，地表橫向與縱向最大質(zhì)點振速分別為1.762 cm/s以及1.876 cm/s，分別位于掌子面正上方左側6.25 m處以及前方地表3.75 m處。

參考文獻

［1］ 油新華，何光堯，王強勛，等. 我國城市地下空間利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 隧道建設（中英文）， 2019， 39（2）： 173-188.

［2］ 王勇，佘玉華，趙世新，等. 喀斯特地質(zhì)淺埋大跨地鐵車站鋼管柱施工關鍵技術：以貴陽地鐵3號線北京路站為例［J］. 價值工程， 2023， 42（11）： 104-107.

［3］ 楊昊坤，鄭章清，鄭軍. 南京東郊地區(qū)地鐵隧道的巖溶工程地質(zhì)問題研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術， 2013， 50（5）： 12-17.

［4］ 何高峰，羅先啟，范訓益，等. 南寧地鐵2號線巖溶風險分析和處理原則［J］. 鐵道標準設計， 2018， 62（5）： 86-90.

［5］ 周超. 徐州地鐵1號線巖溶處理設計與施工［J］. 地下空間與工程學報， 2016， 12（S2）： 772-777.

［6］ 黃秋鵬. 深圳地鐵16號線數(shù)碼城站巖溶處理設計與實踐［J］. 四川建材， 2023， 49（1）： 66-67， 73.

［7］ 黃焰，伍永勝. 巖溶地區(qū)城市地下淺埋隧道工程技術研究［J］. 土木工程學報， 2005， （8）： 107-113.

［8］ 曾建軍. 廣州地鐵巖溶地段工程建設風險探討［J］. 城市軌道交通研究， 2012， 15（4）： 82-85.

［9］ 吳建偉. 巖溶地區(qū)地鐵盾構隧道勘測分析及安全風險管理研究［J］. 未來城市設計與運營， 2023， （5）： 74-76.

［10］ 蔡義，張成平，閔博，等. 淺埋地鐵隧道施工影響下含空洞地層的變形特征分析［J］. 巖土工程學報， 2019， 41（3）： 534-543.

［11］ 劉輝，李波，吳從師，等. 巖溶隧道掘進爆破震動效應分析［J］. 長安大學學報（自然科學版）， 2010， 30（4）： 56-59.

［12］ 黃靜波，范潔. 巖溶隧道爆破安全振速的數(shù)值模擬研究［J］. 中外公路， 2010， 30（3）： 218-221.

［13］ 蔡軍，何忠明，林志元，等. 隧道爆破開挖震動效應的數(shù)值模擬［J］. 礦冶工程， 2015， 35（4）： 5-8.

［14］ 李健，丁渝，張慶明，等. 爆破作用下溶洞對隧道圍巖損傷的影響研究［J］. 公路， 2022， 67（9）： 469-474.