连拱隧道爆破振动影响分析

连拱隧道爆破振动影响分析

李国凤

湖南省路桥建设集团有限责任公司    湖南长沙   410004

摘要：受建设工程土地的制约或多线工程并行的需要，近接的隧道工程数量逐渐增加，其中钻爆法产生的地震动效应最受关注。为此，开展近接既有隧道爆破影响分析，对保障结构安全具有重要工程意义。本文采用现场试验和数值模拟，运用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件，研究了连拱隧道施工的爆破振速传播规律，通过萨道夫斯基公式回归得到与现场地质情况相符合的计算参数，给出了最大段爆破控制药量，对现场安全爆破施工提供了指导。

关键词：近接隧道；爆破振动；安全振速；错相减震；动力数值模拟

1前言

伴随城镇化进程加快对交通需求量的日益增大，交通路网建设规模不断扩大，逐渐导致了城市土地用地不足。当受到既有建(构)筑与长期规划等条件的限制，出现了多样空间形式的地下近接工程，如多孔平行隧道[1]、小净距空间交叉隧道[2]和多连拱隧道[3]等。

当新建隧道以钻爆法近接施工时，因炸药破岩产生的大地振动可能会对既有隧道衬砌结构产生不利影响，威胁既有线路正常交通，严重时甚至引发安全事故。国外工程中例如日本的荻津隧道、意大利的Locooco lio公路隧道等[4]；国内的如柴家坡隧道、招宝山隧道、响水沟隧道、湘黔铁路增建Ⅱ线坪口隧道等工程都因近接爆破施工导致既有隧道衬砌出现开裂、剥落等危及行车安全的情况[5-6]。因此，在实施近接隧道爆破施工时，除了要保证新建隧道的质量和进度外，还必须重视爆破振动对既有隧道的不利影响。

目前，对于新建隧道爆破振动方面已有较多的研究[7-9]，但近接工程的施工普遍存在施工进度慢，施工难度和风险相对较高，存在的问题较多，所以在爆破振速控制标准优化还有待进一步的研究分析。

2工程背景

位于湖南省长沙市的观音岩隧道在国内首次采用了双向十车道四连拱结构形式，主体工程涵盖两主线、两辅道、三导洞。隧道四连拱相互紧临，一次施工成型，施工工艺极为复杂，如图1。隧道全长497m，全开挖跨度达64m，创国内跨度纪录，属超大跨径。隧道的右主线开挖宽度为16.3m，净高12.6m，系观音岩隧道最后一条主线。

图 1  长沙银星路观音岩隧道四连拱

在施工过程中，先行隧道不断受后行隧道扰动，工程推进的过程中施工精度和变形控制尤为重要。为攻克隧洞施工安全风险高、相邻工作面间距小、相互影响大等难题，施工方采用分步分台阶的三台阶法以及环形开挖预留核心土等施工工法掘进，减小每次开挖对围岩的扰动。

3现场试验

3.1试验简介

为了给观音岩隧道提供技术指导，选取结构形式类似的双连拱隧道开展爆破现场试验。双连拱隧道属于Ⅳ级围岩，左右洞前后掘进，左幅采用上下台阶法先行；后行的右幅隧道为控制爆破振动影响，采用三台阶法开挖以降低单次炸药单耗，如图2。连拱隧道采用复合式支护结构形式，初期支护以锚杆(φ25中空注浆)、钢筋网(HPB300 φ8)与C25喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水夹层。

图 2  连拱隧道开挖示意

3.2试验方法

爆破振速监测仪器采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪，配备三维一体速度传感器，并有与之相匹配的爆破分析软件，具体工作示意图见图 3。爆破测振系统由TCS-B3型传感器、低噪声屏蔽电缆、TC-4850爆破振动记录仪和计算机组成。

图 3 爆破振动测试仪工作简介

现场试验的工作流程分为三步：(1)测点定位：使用全站仪对测点坐标定位，在隧道衬砌上使用喷漆和贴纸标记，准确测定测点与爆破面的位置关系；(2)安装三向振速传感器：配制水灰比为1.0:3.5的石膏浆固定传感器，布置X向平行于爆破面，Y向指向爆破掌子面，Z向垂直于水平面；(3)设置爆破采集仪参数：为避免采集仪因干扰信号错误触发，设置触发电平为0.06cm/s，同时设置持时5.0s与采样频率4kHz，延时记录触发前-100ms内波形。

3.3测试结果

爆破试验共进行了5次，试验数据整理如表1，振速数据绘图如图2。

表 1  测试数据

(a) 比例距离与振速关系                  (b)振速与主频关系

图 4  测试数据

4数值分析

4.1模型建立

现场试验数据是有限的，应用有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟连拱隧道爆破振动影响。为消除边界条件影响，水平方向和竖直方向取隧道洞径3～5倍，模型尺寸为125m×50m×100m (长×宽×高)。模型材料均采用实体单元模拟，上表面为自由边界，其余表面设置为透射边界以模拟无限边界。

模拟工况为后行洞上台阶爆破振动波在先行洞二次衬砌上的传播。根据现场爆破振动监测，爆破循环开挖进尺为1.5m，上台阶开挖爆破药量取掏槽眼药量7.2kg，计算时间为2000ms。模型的单元和节点数目分别为670280和698406。单位制为m-kg-s。数值计算模型见图 5。

图 5  模型网格划分及尺寸图

分析内容为先行洞衬砌上振动传播规律。连拱隧道双洞施工进度的不同会导致后行洞掌子面临近已有衬砌爆破开挖。依据与掌子面前后空间关系，可将先行隧道划分为已开挖区域和未开挖区域。因此，需要分别在已(未)开挖区域分别布置测点，以考察开挖空间的存在而影响爆破能量的传播及振动规律。测点布置如图 6，其中五个测点等距布置，D表示测点间距离。

图 6 测点布置（D=5.0m）

4.2材料参数确定

数值模型中的炸药爆轰采用高能材料爆炸释能，炸药爆轰后向围岩传递冲击波，并在围岩中逐渐衰减为应力波。

（1）炸药材料模型

炸药选用隧道爆破常用的2号岩石乳化炸药，炸药材料采用高能炸药材料模型（MAT_HIGH_EX-PLOSION_BURN），状态方程用Jones-Wilkins-Lee (JWL方程)描述爆轰气体产物的压力、体积、能量特性，如下：

公式(1)

式中，A、B、R1、R2——常数；

ρ——炸药密度；

D——为爆速；

E0——为初始比内能。

表 2  高能炸药材料参数

（2）岩体材料模型

岩土体材料采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC对固气二相介质的耦合问题进行有效的描述。据地勘报告和相关资料，得到岩土体材料的基本参数如表 3。

表 3岩体材料参数

（3）混凝土损伤模型

混凝土结构受爆炸冲击荷载作用时，需考虑大应变、高应变率及高围压条件下材料损伤实效的动态响应，选取适用于大变形、高应变率下混凝土与岩石的JHC材料模型，材料参数见表 4.

表 4  混凝土材料参数

4.3算法选择

选用Arbitrary Lagrange-Euler（ALE）算法，首先在结构边界运动的处理上，引进Lagrange法特点，能够有效跟踪物质结构边界的运动；其次，在内部网格划分上，吸收了Euler法的长处，使内部网格单元独立于物质实体，可以据定义的参数，在求解过程中适当调整网格位置，使网格不出现严重畸变。炸药、空气均采用欧拉单元，岩石采用拉格朗日单元，流体和固体通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID进行耦合。

4.4计算结果分析

为了方便分析，提取先行洞二衬五个测点的x、y、z三个方向速度与合速度时间历程曲线，测点布置如上图2-1所示。

五个测点的分速度与合速度的时间历程曲线如下图3-3～图3-22。

(a) X方向                            (b) Y方向

(c) Z方向                            (d) 合速度方向

图 7  测点3振速时程曲线

下面将5个测点的X，Y，Z三个方向的振速以及合速度统计如表 5，绘图如图 8。通过上表3-5提取比较各测点时程曲线X向、Y向、Z向、合振速值可以看出，距离后行洞爆源最近的点（即为测点3）振动合速度最大，竖直方向（x方向）振速最大，最大振动合速度为21.68cm/s，x方向振速20.93cm/s，可以看出与实测数据相接近，其他测点随着距爆源距离的增加各方向振速和合速度也呈现不同程度的衰减，其中质点在岩体中传播时衰减速度较小。因此，将先行洞二衬处距爆源最近的测点3作为安全振动速度控制点。

表 5  测点振速汇总

(a) 振速与水平距离关系

(b) 振速与比例距离关系

图 8  爆破振速传播规律

5爆破安全药量确定

5.1评价标准

根据《爆破安全规程》

（GB6722-2014）考虑爆破震动频率对建(构)筑物的影响，对不同频率爆破震动作用下新浇砼的安全震速有如表 6。

表 6  《爆破安全规程》(GB6722-2014)对新浇砼的安全震速相关规定

5.2药量确定

据岩石性质、爆破方式，爆破地震动速度计算公式（2），当确定安全药量时可变换为公式（3）。

公式(2)

公式(3)

其中，v——地震波波速，cm/s；

R——相邻隧道间净距，m；

Q——单段最大装药量，kg。

K、α——与爆破技术、地震波传播途经介质的性质有关的系数。

按照前文，取k=1.3×108，α=10.9，后行洞爆破中心距先行洞二衬最小水平距离R=8.05m。根据测试结果，爆破振动频率普遍大于75Hz，取安全振速控制值为10cm/s。根据上述公式可计算得不同振速要求下的单段控制药量。

图 9  最大药量计算

6结论

（1）通过数值模拟计算并分析数据后可得，先行洞二衬上与后行洞爆心距离最近处质点振动速度最大，因此将该点作为安全振动速度控制点。

（2）计算结果表明，水平向振速（x方向）大于竖向振速和纵向振速，故在施工时爆破振动监测应该着重监测水平向振速。

（3）采用常规爆破，Ⅳ级每循环进尺1.5m时，先行洞二衬上质点最大爆破振速为20.93cm/s，大于安全允许质点振动速度10cm/s，不满足安全爆破的要求。

（4）采用常规爆破时，质点振动速度控制为10cm/s时，最大段药量要求不大于3.539kg；质点振动速度控制为5cm/s时，最大段药量要求不大于1.114kg；质点振动速度控制为2.5cm/s时，最大段药量要求不大于0.35kg。规范要求振动速度控制在10cm/s，可知此次模拟的Ⅳ级围岩实际爆破开挖时的最大段药量为7.2kg大于3.539kg，不能满足安全爆破的要求。所以施工时应减小药量，并适当做好减震措施，及时监测振速，优化后续施工。

参考文献

[1]郑余朝. 三孔并行盾构隧道近接施工的影响度研究[D]. 西南交通大学, 2007.

[2]傅强,张细宝. 龙凤隧道下穿尖山子隧道施工[J]. 隧道建设, 2006(05): 66-69.

[3]张俊儒，孙克国，卢锋，等. 不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(11): 3077-3084.

[4]Wu C S , Li J X , Chen X , et al. Blasting in Twin Tunnels with Small Spacing and Its Vibration Control[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(19): 518.

[5]王明年,潘晓马,张成满,等. 邻近隧道爆破振动响应研究[J]. 岩土力学, 2004 (03): 412-414.

[6]孙寿榜. 近距离隧道施工对既有隧道结构安全性影响研究[D]. 兰州交通大学, 2014.

[7]Jun X , Jun P . Construction Control for Shallow-buried Large Span Metro Tunnel undercrossing High Buildings[J]. Urban Mass Transit, 2016.

[8]张伟，王少飞，喻佳，等. 无中导洞连拱隧道后行洞爆破方案优化研究-以新民隧道为例[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 1-12.

茶增云，范孝刚，肖振江，等. 无中墙连拱隧道爆破振动监测和安全控制方法[J]. 爆破, 2022, 39(3): 64-70, 138.
作者简介：李国凤（1970.9），民族：汉，籍贯：湖南省祁阳市。职称：副高级工程师，学历：本科。研究方向：公路桥梁隧道技术和管理。

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