不同因素下隧道初期支護爆破動力響應(yīng)特性

中圖分類號：U419.3 文獻標(biāo)識碼：A DOI： 10.7525/j.issn.1006-8023.2025.03.020

Abstract：Thedynamicresponse characteristicsofthe initial supportunderblasting willafecttheconstruction safety and schedule.In order to study the dynamic responsecharacteristicsof tunnel initial support under diferent factors， combined with thetunnel blasting projectofforestfarm，the vibrationvelocityand stressdistributionlaws of tunnel initialsupportundertheinfluenceofage，footagelengthanddetonationtimeinterval wereanalyzedbycombining field monitoring and numerical simulation，and Moris screening method was introduced to analyzethe influence degree of each factor. The results show that the peak vibration velocity of the initial support presents Vgt;Vxruleunderdifferent penetrationlength，age and detonation time interval，andthe tensile stress is much larger thantheshearstress.The vibrationvelocityandstressoftheinitialsupportchangesharplyduringtheageof1-3d，andgraduallytendtobeflatafter 7 days，the attenuation rate of the x -axisis the largest，followedby the z -axis，and the y -axis is the smallest.With the increase of footage length，the growth rate of particle vibration velocity presents a rule of the y -axisis thelargest，followed bythe x -axisand the z -axis.When the detonation time interval is 5ms，the stress waves cancel each otherand the vibration velocity decreases.Thedegree of influenceof the thre factors on the dynamic response characteristicsofstructural blasting isin theorderoffootage length，age，andblasting interval.Theresearch resultscan provide reference forsimilar tunnel blasting projects.

Keywords：Highway tunnel; blasting；initial support；dynamic response；numerical simulation

0 引言

鉆爆法是巖質(zhì)隧道開挖經(jīng)濟合理、應(yīng)用最廣泛的一種手段，而且在未來一段時間這種情況不會有太大改變[1-3]。在追求快速、高效施工的同時，爆破振動對隧道初期支護結(jié)構(gòu)的影響不容忽視[4]。鑒于此，深人研究鉆爆作業(yè)過程中隧道初期支護的動力響應(yīng)特性，無論在工程實踐還是理論研究層面，都具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道結(jié)構(gòu)的爆破動力響應(yīng)特性主要通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測和理論計算等手段開展研究。葉海旺等[5]開展數(shù)值模擬試驗和現(xiàn)場爆破試驗對比研究，基于裂隙巖體精細(xì)化數(shù)值模型，得出節(jié)理裂隙面使巖體內(nèi)損傷分布規(guī)律發(fā)生了變化，其損傷范圍比完整巖體增加了 1 2 . 0 4 % ；王蒙等[通過現(xiàn)場聲波測試和數(shù)值模擬研究了隧道圍巖損傷效應(yīng)及毫秒延期爆破中不同段炮孔對圍巖損傷的影響，上臺階爆破對隧道圍巖損傷范圍約為 2 . 4～2 . 5m ；郭云龍等以實測振動波作為爆破荷載，分析不同圍巖級別和不同隧道凈距對鄰近既有鐵路隧道襯砌爆破動力響應(yīng)的影響規(guī)律，提出采用 1 5 m s 孔間起爆延時易產(chǎn)生爆破振動疊加效應(yīng)；許文祥等[8模擬發(fā)現(xiàn)，深埋小凈距隧道爆破卸載后，襯砌最大位移出現(xiàn)在拱頂，其次出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰處；江偉等通過爆破振動監(jiān)測及2D二維-3D三維聯(lián)合模擬方法，分析了后行洞開挖過程中先行洞邊墻二襯的爆破振動響應(yīng)特性，得出先行洞迎爆側(cè)拱肩至拱腰區(qū)域振動強度最大；蒙賢忠等[10]通過現(xiàn)場測試、理論解析及數(shù)值模擬，研究了P波、S波、R波在隧道表面的傳波和轉(zhuǎn)化規(guī)律；Liu等[引入放大系數(shù)，研究了不同類型爆破下隧道掌子面前后振動響應(yīng)、損傷特性和衰減規(guī)律；喬國棟等[12根據(jù)應(yīng)力波傳播理論及波前動量守恒定理，推導(dǎo)出了爆破震動作用下巷道圍巖振動方程;閔鵬等[13]在薩道夫斯基公式的基礎(chǔ)上引入自由表面積 、自由面數(shù)量系數(shù)（k）和自由表面指數(shù)（ β ） ，研究了自由面對爆破振速的影響；高地應(yīng)力對隧道圍巖的爆破振動響應(yīng)具有一定影響，陳士海等[4通過波動微分方程和分離變量法，給出了高地應(yīng)力下的隧道圍巖爆破地震波傳播解析解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遠離震源處地應(yīng)力對圍巖爆破振動響應(yīng)影響更明顯。

綜上可知，當(dāng)前隧道支護結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的研究主要集中于隧道圍巖及二襯，對初期支護的研究較少，對不同因素下隧道初期支護爆破動力響應(yīng)特性研究更為鮮見。因此，結(jié)合林場隧道爆破工程實際，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究進尺長度、齡期及起爆時間間隔影響下初期支護結(jié)構(gòu)的振速變化和應(yīng)力分布規(guī)律，并基于Morris篩選法對3種影響因素進行敏感性分析，得到不同因素對初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)的影響程度。

1工程背景

林場隧道位于湖南省安化縣古樓鎮(zhèn)林場，隧道全長 4 4 5 m ，其地質(zhì)剖面圖如圖1所示，研究段主要由Ⅱ、V級圍巖組成。其中，IV級圍巖為中風(fēng)化板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，其抗壓強度 ，巖石自穩(wěn)能力較差。

該隧道采用預(yù)留核心土法開挖，爆破位置為左下臺階和右下臺階。爆破采用2號巖石乳化炸藥，炮孔直徑為 ，每個下臺階共布置6個掏槽孔，炮孔深度 1 . 5 m 每個炮孔裝藥量為 1 . 8 k g ，具體炮孔布置如圖2所示。

2數(shù)值模擬及其驗證

2. 1 模型建立

根據(jù)圣維南原理，利用ANSYS/LS-DYNA動力有限元數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型，如圖3所示。模型整體尺寸為 4 0 m×4 0 m×1 0 5 m（ x×y×z ） ，模型上邊界為自由邊界節(jié)，其余邊界設(shè)置為無反射邊界，初期支護結(jié)構(gòu)與圍巖直接設(shè)置為面面接觸。模型中圍巖和初期支護單元采用拉格朗日（Lagrange）網(wǎng)格劃分，炸藥單元采用ALE（Arbitrarylagrangeeuluer）網(wǎng)格劃分，圍巖、初期支護單元與炸藥之間設(shè)置為流-固耦合算法。炮孔附近的網(wǎng)格進行加密劃分，炸藥起爆方式設(shè)置為底部起爆。

2.2 材料參數(shù)

模型材料包括圍巖、初期支護、炸藥及二襯。結(jié)合工程實際，圍巖、初期支護可概化為彈性均勻等效介質(zhì)。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，可采取雙向隨動硬化彈塑性本構(gòu)模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）對上述材料的力學(xué)關(guān)系特征進行描述[15]。圍巖、初期支護和炸藥的物理參數(shù)見表1和表2。

注：A.初始沖擊波的壓力峰值;B.體積壓縮到初始體積的1/2時的壓力 與沖擊波的傳播速度有關(guān)的參數(shù) 與粒子速度有關(guān)的參數(shù)： 與爆熱有關(guān)的參數(shù)； 單位體積炸藥的初始總能量。

2.3 模型驗證

根據(jù)工程實際情況，采用TC-4850爆破測振儀在合適位置進行爆破監(jiān)測，收集初期支護的爆破振動數(shù)據(jù)，具體布置如圖4所示。其中，監(jiān)測點 位于Ⅱ級和V級圍巖交界處（爆心距 5 0 m ，監(jiān)測點 位于Ⅱ級圍巖段的初期支護拱腳處（爆心距 5 5 m ）。

監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比見表3，分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬振速結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的波形相似，峰值接近，峰值質(zhì)點振動速度誤差最大僅為 5 % 。其中，數(shù)值模擬對工程實際概況進行簡化，未考慮巖土體本身存在的節(jié)理、裂隙等缺陷[16-17]，導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)達到峰值時間與數(shù)值模型相比滯后了約0.05s，在合理范圍之內(nèi)[18-19]。因此，基于該數(shù)值計算模型進行后續(xù)研究可行。數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測掏槽爆破振速時程曲線對比如圖5所示。

3不同因素影響初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)特性

選取初期支護齡期、進尺長度以及起爆時間間隔3個因素為變量，進行三因素五水平正交試驗設(shè)計，基于數(shù)值模擬的計算結(jié)果研究不同因素影響下初期支護

結(jié)構(gòu)的振速及應(yīng)力變化規(guī)律。

3.1不同齡期影響下初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)特性

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，初期支護齡期為 1 、 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d 。進尺長度設(shè)為 1 . 5 m ，左右兩臺階同時起爆。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》（GB50086—2015）《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）以及《公路隧道設(shè)計規(guī)范第一冊土建工程》（JTG3370.1—2018）[20-21]，對不同齡期的C20噴射混凝土力學(xué)性能進行修正，獲得不同齡期初期支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表4。

由前期研究[22]可知，預(yù)留核心土法爆破開挖下隧道初期支護結(jié)構(gòu)最大振速出現(xiàn)在拱腳處。因此，選取對應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測 點位的振速進行分析。

不同齡期初期支護結(jié)構(gòu)振速變化曲線如圖6所示 分別為 x 軸 軸 ? z 軸方向的峰值振速）。由圖6可知，隨著齡期的增加初期支護結(jié)構(gòu)拱腳處的質(zhì)點振速均呈現(xiàn)非線性衰減的趨勢，在1＼～3d內(nèi)振速衰減最快，7d后峰值振速逐漸趨于平緩，衰減速率呈現(xiàn)z 軸最大 軸次之 ?? y 軸最小;各方向上峰值振速最大在 y 軸方向，最小在 x 軸方向;齡期 1～7 d， y～， x 軸方向的質(zhì)點峰值振速依次由 降低至 0 . 3 3 2 、 0 . 2 5 7 、 0 . 1 9 9c m / s， z . x . y 軸方向的質(zhì)點峰值振速衰減速率分別為 0 . 5 % 1 6 . 1 % . 1 3 . 8 % 。

對不同齡期下初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特性進行分析，獲得不同齡期影響下初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，隨著齡期的增加，爆破作用下初期支護結(jié)構(gòu)拱腳處所受的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力呈現(xiàn)增長的趨勢。隨著齡期從1d增長至28d，初期支護結(jié)構(gòu)拱腳處的拉應(yīng)力由 0 . 0 5 9 7 M P a 增加至 0 . 0 6 8 1 M P a ，增加大約 14 % ，剪應(yīng)力由 0 . 0 2 6 8 M P a 增加至 0 . 0 3 5 7 M P a 增加了大約 3 3 % 。1～3d齡期時，初期支護所受拉應(yīng)力與剪應(yīng)力快速增長，而在7d齡期之后，初期支護應(yīng)力變化不大。

雖然剪應(yīng)力的增長率大于拉應(yīng)力的增長率，但是拉應(yīng)力整體數(shù)值大于剪應(yīng)力的整體數(shù)值。因此，隧道爆破影響下初期支護結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力影響仍以拉應(yīng)力為主。

3.2不同進尺長度影響下初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)特性研究

結(jié)合現(xiàn)場工程實際，選擇爆破進尺長度為1.2、1 . 5 ， 1 . 8 ， 2 . 1 ， 2 . 4 m 共5個進尺建立數(shù)值模型。齡期設(shè)為28d，左右兩臺階同時起爆。獲得不同進尺長度影響下初期支護結(jié)構(gòu)的振速變化規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知，初期支護結(jié)構(gòu)質(zhì)點振速均隨著進尺長度的增加呈現(xiàn)增長趨勢，相同爆心距情況下，各方向振速峰值呈現(xiàn) 的規(guī)律。隨著進尺長度的增加，y 軸方向峰值振速增長最快， x 軸和 z 軸方向增長緩慢。進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時， y 軸峰值振速由0 . 2 6 2 c m / s 增長至 0 . 4 4 7 c m / s ，增長率約為 1 5 . 4 % ；x軸方向和 z 軸方向的峰值振速分別由 0 . 1 7 1 ， 0 . 2 1 4 c m / s 增長至 0 . 2 1 2 ， 0 . 2 6 6 c m / s ，增長率分別為 3 . 4 % 和4 . 3 % 。因此，選擇適合的進尺長度，在保證工期的同時，可以較好地控制爆破產(chǎn)生的峰值振速。

對數(shù)值模型中1監(jiān)測點的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進行提取，獲得不同進尺長度影響下初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，如圖9所示。由圖9可知，隨著進尺長度的增加，初期支護結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長趨勢。當(dāng)進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時，初期支護拱腳處所受的拉應(yīng)力由 0 . 0 6 1 1 M P a 增長至 0 . 0 8 9 2 M P a ，增大了約 4 6 % ;剪應(yīng)力由 0 . 0 3 1 6 M P a 增長至 0 . 0 4 3 9 M P a ，增大了約 3 8 % 。相同進尺長度時，隧道初期支護結(jié)構(gòu)所受的拉應(yīng)力大于剪應(yīng)力，可見，拉應(yīng)力對隧道的初期支護結(jié)構(gòu)影響更大。

3.3不同起爆時間間隔影響下初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)特性

在不改變炸藥類型和布孔方式的情況下，采用微差毫秒起爆的方法，設(shè)置左右2個下臺階之間的時間間隔，實現(xiàn)應(yīng)力波之間的相互抵消，以探索爆破減震的效果。設(shè)置 0 . 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0m s 這5種起爆時間間隔（其余變量為齡期28d、循進尺度 1 . 5 m ，對數(shù)值模型中 監(jiān)測點處的振速進行提取。不同起爆時間間隔初期支護結(jié)構(gòu)振速變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10可知，在設(shè)定工況下，初期支護結(jié)構(gòu)峰值振速呈現(xiàn) 的規(guī)律，其中起爆時間間隔 1 0 m s 時，三軸峰值振速分別為 0 . 3 2 5 . 0 . 2 1 9 . 0 . 1 8 7 c m / s 。

隨著起爆時間間隔的增加，各方向振速均呈現(xiàn)波浪狀變化趨勢。當(dāng)起爆時間間隔從 0 m s 增加到 5 m s 及 增加到 1 5 . 2 0 m s 時，各方向峰值振速呈現(xiàn)小幅度降低的趨勢，可認(rèn)為該起爆時間間隔下，出現(xiàn)應(yīng)力波相互抵消情況；當(dāng)起爆時間從 5 m s 增加到 時，各方向峰值振速均呈現(xiàn)上升趨勢，可認(rèn)為該起爆時間間隔條件下應(yīng)力波出現(xiàn)了相互疊加的情況。

對數(shù)值模型中1監(jiān)測點處的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力進行提取，可獲得不同起爆時間間隔下初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，如圖11所示。

由圖11可知，隨著起爆時間間隔的增加，隧道初期支護結(jié)構(gòu)所受的拉應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加的趨勢，而剪應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)時間間隔從 0 m s 增加至 2 0 m s 時，拉應(yīng)力由 0 . 0 6 8 1 M P a 增加至 0 . 0 7 5 4 M P a ，增加了約1 0 . 7 % ，而剪應(yīng)力由 0 . 0 3 5 4 M P a 減少至 0 . 0 3 0 4 M P a 減少了約 1 4 . 1 % ，其中當(dāng)時間間隔從 增加至 5 m s 時，拉應(yīng)力由 0 . 0 6 8 1 M P a 增加至 0 . 0 6 9 7 M P a ，增加了約 2 . 3 % ，而剪應(yīng)力由 0 . 0 3 5 4 M P a 減少至 0 . 0 3 1 2 M P a 減少了約 1 1 . 8 % 。

4不同因素影響下初期支護結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性敏感性分析

基于前文數(shù)值模擬計算結(jié)果，引人Morris篩選法[23-25]分析各個因素對初期支護結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特性的影響程度。

將前文中齡期、爆破進尺和起爆時間間隔作為變量輸入值，數(shù)值模型計算出來的 x ， y ， z 軸振速、合速度、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作為輸出值。整理分析計算結(jié)果，可以得到各個因素下隧道初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力及振速的敏感性值 ，分別見表5和表6。

不同因素的改變對三軸振速和應(yīng)力的影響程度各不相同。由表5可知，齡期及起爆時間間隔改變時，敏感值呈現(xiàn)剪應(yīng)力大于拉應(yīng)力；進尺長度改變時，敏感值呈現(xiàn)拉應(yīng)力天于剪應(yīng)力。由表6可知，當(dāng)齡期改變時，x ， y ， z 軸敏感值大小分別為 0 . 0 7 3 、 0 . 0 7 1 、 0 . 1 4 6 ，呈現(xiàn)z 軸最大 軸次之 ? y 軸最??；當(dāng)進尺長度及起爆時間間隔發(fā)生變化時，三軸敏感值呈現(xiàn) y 軸最大 軸次之、z 軸最小。

由圖12可知，從振速敏感性值角度來看，齡期對于 x ， y ， z 軸以及合速度來說為中敏感因素；進尺長度對于 x 軸振速和 z 軸振速來說為中敏感因素，而對于y軸和合速度來說為敏感因素；時間間隔對于 x ， y ， z 軸及合速度來說為不敏感因素。從應(yīng)力敏感性值角度來看，齡期為中敏感因素，進尺長度為敏感因素，時間間隔為中敏感因素。值得注意的是，時間間隔對振速的影響程度小于應(yīng)力的影響程度，這說明初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力對于時間間隔更加敏感。通過敏感性值可以判斷，在爆破振動的影響下，各因素對于初期支護振速以及應(yīng)力的影響程度由大到小為：進尺長度、齡期、起爆時間間隔。

5結(jié)論

以林場隧道爆破工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和動力有限元軟件，研究了不同因素下隧道初期支護爆破動力響應(yīng)特性，得出結(jié)論如下。

1）同一齡期下，峰值振速呈現(xiàn) 的規(guī)律，隨齡期增加，各方向質(zhì)點振速均呈現(xiàn)非線性衰減，衰減速率呈現(xiàn) x 軸最大 ? z 軸次之 ? y 軸最小的規(guī)律。同一齡期下，隧道初期支護所受的拉應(yīng)力大于剪應(yīng)力，隧道爆破影響下初期支護主要受拉應(yīng)力影響。整體來看，1＼～3d齡期內(nèi)初期支護振速及應(yīng)力的變化劇烈，7d齡期后逐漸趨于平緩。

2）隨進尺長度增加，各方向質(zhì)點振速均呈現(xiàn)增長趨勢，相同爆心距情況下，各方向振速峰值呈現(xiàn) 的規(guī)律。其中，當(dāng)進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時， y 軸方向質(zhì)點峰值振速的增長速率最大，約為

15. 4 % ，初期支護拱腳處所受的拉應(yīng)力增大了約 4 6 % 。因此，選擇適合的進尺長度，在保證工期的同時，可以較好地控制爆破產(chǎn)生的峰值振速。

3）隨著起爆時間間隔的增加，隧道初期支護結(jié)構(gòu)在各個方向的振速均呈現(xiàn)出波浪形的變動趨勢，所受的拉應(yīng)力隨著時間間隔的增加線性增長，而剪應(yīng)力則呈現(xiàn)出下降趨勢。三軸峰值振速呈現(xiàn) 的規(guī)律。起爆時間間隔為 5 m s 時，應(yīng)力波相互抵消，振速呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)起爆時間間隔為 時，應(yīng)力波相互疊加，使得振速表現(xiàn)出上升趨勢。

4）基于Morris篩選法，分析確定了對初期支護結(jié)構(gòu)爆破動力響應(yīng)特征的影響程度由大到小為：進尺長度、齡期、起爆時間間隔。

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