超小凈距隧道爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 及動(dòng)力響應(yīng)分析研究

朱正國(guó)，孫明路，朱永全，孫星亮

（1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.武漢鐵路局 武漢橋工段，武漢 430000）

1 引 言

小凈距隧道是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式，由于它不受地形條件以及總體線路線型的限制，又較連拱隧道施工工藝簡(jiǎn)單、易于防水處治、造價(jià)易于控制，采用的工程實(shí) 例有急速增加之勢(shì)，在公路交通、鐵路交通、水利以及城市地鐵等工程中都出現(xiàn)了小凈距隧道。對(duì)于小于一倍洞徑的小凈距隧道施工，極易導(dǎo)致隧道變形失穩(wěn)、支護(hù)開裂、甚至二次襯砌開裂等問(wèn)題[1]。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)等手段對(duì)小凈距隧道合理凈距、支護(hù)時(shí)機(jī)、后行隧道爆破開挖對(duì)先行隧道的影響、施工方法優(yōu)化、安全爆破控制方法等進(jìn)行了大量的研究工作[2－12]，取得了一定的研究成果。但由于南京地鐵苜蓿園站－小衛(wèi)街站隧道區(qū)間K18+773～K19+002 段中間巖柱凈距為0.309～0.580 m，長(zhǎng)達(dá)229 m，最小凈距才0.309 m，且該段圍巖為軟巖，施工過(guò)程中多次爆破開挖、多次擾動(dòng)而成為受力薄弱環(huán)節(jié)，巖柱體將不可避免地形成貫通的塑性區(qū)，而且覆土地層淺、城市環(huán)境要求高，當(dāng)屬目前國(guó)內(nèi)小凈距隧道之最。本文結(jié)合南京地鐵苜蓿園站－小衛(wèi)街站隧道區(qū)間折返線段超小凈距隧道，運(yùn)用現(xiàn)代信息化反饋設(shè)計(jì)理論，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)及大量數(shù)值模擬計(jì)算，研究先行隧道壁面的振動(dòng)特性及其變化規(guī)律，討論振動(dòng)強(qiáng)度與循環(huán)進(jìn)尺、段最大裝藥量及分段爆破差等爆破設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互關(guān)系，完善設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。本研究為本工程中超小凈距后行隧道爆破施工對(duì)先行隧道影響提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，也可為類似隧道工程的爆破掘進(jìn)在理論上和施工方法上提供參考借鑒。

2 爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為保證既有襯砌的質(zhì)量，對(duì)后行隧道爆破引起的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此為依據(jù)來(lái)優(yōu)化超小凈距隧道工程爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)和后續(xù)施工。

因后行隧道左側(cè)上臺(tái)階爆破無(wú)臨空面，上臺(tái)階爆破產(chǎn)生的振動(dòng)一般較大，可以將后行隧道左側(cè)上臺(tái)階的爆破作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，振動(dòng)測(cè)試監(jiān)測(cè)點(diǎn)以5 m 為間距依次布置5 個(gè)斷面，為了對(duì)比分析先行洞襯砌爆破面前后方的影響規(guī)律，測(cè)點(diǎn)分別布置在爆破面前方和爆破面后方，如圖1 所示，每個(gè)斷面各2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，即右拱腳和右邊墻，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置徑向和切向各1 個(gè)拾振器。監(jiān)測(cè)儀器采用北京東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的DASP2000軟件，拾振器由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制。由于爆破振動(dòng)效應(yīng)隨著傳播距離的增大逐漸衰弱，每次測(cè)試在爆破點(diǎn)較近的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。每次測(cè)試結(jié)束后立即分析結(jié)果，這樣可為優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)以及振動(dòng)控制提供依據(jù)。

圖1 測(cè)點(diǎn)位于爆破面前方及后方布點(diǎn)示意圖 Fig.1 Layout of monitoring points in blasting surface of the front and rear

2.1 相鄰隧道左側(cè)上臺(tái)階施工爆破振動(dòng)

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動(dòng)影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，其中臨近左線隧道的右線上導(dǎo)坑爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

從表1 可看出，各監(jiān)測(cè)斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動(dòng)的影響稍大于后方襯砌；不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動(dòng)大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動(dòng)；在爆點(diǎn)距離0 m 處1#測(cè)點(diǎn)的邊墻徑向先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速偶爾達(dá)到21.2 cm/s，超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的上限值20 cm/s[13]，實(shí)際爆破施工中在爆破時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并對(duì)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。各監(jiān)測(cè)斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，這與后面小凈距隧道爆破動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果一致。

2.2 相鄰隧道左側(cè)下臺(tái)階施工爆破振動(dòng)

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動(dòng)影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，典型爆破振動(dòng)波形取下臺(tái)階爆破距爆點(diǎn)0 m 處1#測(cè)點(diǎn)拱腳徑向地震波如圖2 所示。

由圖和計(jì)算結(jié)果可知，各爆點(diǎn)距離的邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動(dòng)的影響稍大于后方襯砌；不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動(dòng)大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動(dòng)；在爆點(diǎn)距離0 m 處1#測(cè)點(diǎn)的邊墻徑向先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速偶爾達(dá)到20.4 cm/s，超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的上限值 20 cm/s，實(shí)際爆破施工中在爆破時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù)；總體來(lái)看，下臺(tái)階爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌各測(cè)點(diǎn)最大振速比上臺(tái)階爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌各測(cè)點(diǎn)最大振速小，這主要由于采用CD 法施工，上臺(tái)階爆破無(wú)臨空面，上臺(tái)階爆破產(chǎn)生的振動(dòng)一般較大，因此，可以將上臺(tái)階的爆破作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

圖2 下臺(tái)階爆破1#測(cè)點(diǎn)處拱腳徑向地震波 Fig.2 The centripetal seismic wave in #1 point arch springing during lower bench blasting

2.3 相鄰隧道左側(cè)上下臺(tái)階同時(shí)施工爆破振動(dòng)

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動(dòng)影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，其中臨近左線隧道的右線上、下導(dǎo)坑同時(shí)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

由表可知，上、下臺(tái)階同時(shí)爆破，先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速為距爆破點(diǎn)0 m的1#測(cè)點(diǎn)處左線右拱腳襯砌混凝土徑向和切向振速分別為22.2、27.2 cm/s，均超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的上限值20 cm/s，所以在實(shí)際施工中應(yīng)禁止上、下臺(tái)階同時(shí)爆破作業(yè)。

表2 上下臺(tái)階同時(shí)爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速（cm/s） Table 2 The maximum vibration velocity of facing blasting lining in antecedence tunnel during upper and lower bench blasting

3 后行隧道控制爆破振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析可知，初始設(shè)計(jì)的爆破監(jiān)測(cè)最大振速超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的上限值，如果按照初始爆破設(shè)計(jì)繼續(xù)爆破，將對(duì)先行隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。接下來(lái)的爆破即是根據(jù)前期爆破振動(dòng)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為順利完成南京地鐵超小凈距隧道做好準(zhǔn)備。

根據(jù)小凈距隧道相鄰隧道施工擾動(dòng)、地層抗力解除對(duì)先行已施工隧道安全性影響數(shù)值模擬分析，左線先行隧道襯砌后再進(jìn)行相鄰右線后行隧道施工對(duì)結(jié)構(gòu)安全有利。根據(jù)后行隧道斷面相對(duì)較大和控制爆破振動(dòng)的需要，后行隧道采用CD 法施工，并且先行施工遠(yuǎn)離左線既有隧道的外側(cè)，對(duì)循環(huán)進(jìn)尺、段最大裝藥量與分段爆破差等爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定的右線后行隧道施工順序及爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 后行隧道施工順序及爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)圖 Fig.3 Construction sequence using in later tunnel and blasting design optimization chart

由于右線隧道開挖距左線隧道凈距僅0.309 m，為保護(hù)先施工左線隧道支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)安全，施工設(shè)計(jì)爆破控制振動(dòng)速度為20.0 cm/s，開挖順序如 圖3 中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。根據(jù)圍巖級(jí)別、小凈距隧道凈距值、爆破理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等綜合選定爆破參數(shù)：掏槽孔間距a=100 cm，排間距為50 cm，孔深L=0.6 m；周邊光爆眼間距a=45 cm，最小抵抗線W =55 cm；輔助眼孔間距a=80 cm，排間距b=65 cm，爆眼孔徑D=40 mm。

通過(guò)減小循環(huán)進(jìn)尺、控制段最大裝藥量與分段爆破差等爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終后行隧道爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖3 所示，滿足左線振速控制要求下爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表3 所示。Ⅰ、Ⅱ區(qū)先爆破，為Ⅲ、Ⅳ區(qū)的后續(xù)爆破創(chuàng)造足夠好的臨空面，周邊做減振孔和分散裝藥等手段，結(jié)合超前支護(hù)小導(dǎo)管鉆孔和預(yù)設(shè)泡沫的隔振層，使左洞Ⅲ、Ⅳ區(qū)爆破對(duì)控制點(diǎn)的振速影響有所折減，與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)K 和衰減指數(shù)α 分別從250 降為150、1.8 變?yōu)?.0。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)爆破振動(dòng)控制速度和各類爆破孔距左線距離，設(shè)計(jì)該斷面爆破各段位的允許藥量和齊爆孔數(shù)如表3 所示。表中最凈距離指到右線襯砌最左邊內(nèi)表面最凈距離，為各分部開挖邊界距地面建筑物的最小距離，掏槽孔最大裝藥量根據(jù)掏槽眼距左線襯砌內(nèi)表面最凈距離得出，輔助眼、周邊眼最大裝藥量根據(jù)各分部邊界距左線襯砌內(nèi)表面最凈距離得出。

表3 邊洞先行施工方案爆破設(shè)計(jì)參數(shù)和震動(dòng)分析 Table 3 Blasting design parameters of side culvert construction program and vibration analysis

4 后行隧道爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)

為了更好地對(duì)左線先行隧道穩(wěn)定性進(jìn)行控制，確保后行隧道的順利施工和先行隧道的結(jié)構(gòu)安全，本文采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型模擬后行隧道爆破開挖過(guò)程中對(duì)先行隧道的動(dòng)力響應(yīng)分析。模擬過(guò)程中選取埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器的斷面處為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況取隧道的埋深、圍巖的力學(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力參數(shù)等。

4.1 模型及參數(shù)

（1）計(jì)算模型 在本次計(jì)算分析中，仍采用擴(kuò)大邊界范圍的方式以減小邊界效應(yīng)的影響。計(jì)算模型的外邊界：左、右X 方向范圍為-75～75 m，Y 方向（隧道縱向）范圍為0～60 m，Z 方向范圍為-35～35 m，上邊界取為自由邊界（地面）。而且用FLAC3D進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，網(wǎng)格剖分的尺寸受輸入波動(dòng)的最短波長(zhǎng)控制，且要求網(wǎng)格劃分的尺寸要相對(duì)均勻。三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分 Fig.4 Computational model and meshing

（2）模擬計(jì)算參數(shù) 根據(jù)本工程實(shí)際圍巖情況，圍巖和支護(hù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表4 所示，其他爆破設(shè)計(jì)參數(shù)取值如 表3 所示。此次模擬采用理想彈塑性模型，計(jì)算時(shí)屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，并設(shè)置大應(yīng)變計(jì)算模式。

表4 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù) Table 4 Calculation parameters of surrounding rock and support structure

（3）初始條件與邊界條件

①初始地應(yīng)力場(chǎng)：僅按照自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

②靜力計(jì)算邊界條件：采用位移邊界條件，即模型的左右（X 方向）邊界、前后（Y 方向）邊界和底邊界均施加位移約束條件、上邊界取自由邊界。

③動(dòng)力計(jì)算邊界條件：FLAC3D求解動(dòng)力問(wèn)題時(shí)，邊界條件設(shè)置有遠(yuǎn)置人工邊界和黏滯邊界條件兩種。本文采用黏滯邊界條件，在模型的左右邊界、前后邊界和下邊界均施加黏滯邊界條件，上邊界作為自由邊界。

（4）爆破荷載

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，爆破荷載采用三角形荷載，典型的爆破震動(dòng)升壓時(shí)間約為8～12 ms，卸載時(shí)間約為50～120 ms。據(jù)此，在本文中，假定升壓時(shí)間為10 ms，卸載時(shí)間為100 ms，計(jì)算時(shí)間取600 ms。本工程采用32 mm 直徑藥卷，炮孔直徑D=40 mm，計(jì)算得偶合裝藥情況下炮孔內(nèi)初始徑向峰值壓力rP=3.74 GPa，不耦合裝藥情況下炮孔初始平均壓力0P=0.98 GPa。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算以靜力計(jì)算為前提，待靜力計(jì)算完畢后，再將速度時(shí)程施加于開挖隧道的內(nèi)壁，得到動(dòng)力計(jì)算結(jié)果。

為了與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作對(duì)比，計(jì)算中取監(jiān)測(cè)的斷面包括隧道軸線方向Y =20、25、30 m（模型中間位置）、Y=35、40 m 等5 個(gè)斷面，由計(jì)算結(jié)果可知，圍巖中點(diǎn)的振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化基本成一種諧波的形式，且在橫向爆破地震荷載作用下，左、右X 方向的峰值振速要遠(yuǎn)大于上、下Z 方向的峰值振速，因此，這里主要以X 方向的峰值振速為依據(jù)進(jìn)行判斷。對(duì)左線先行隧道各截面襯砌各關(guān)鍵點(diǎn)的X 方向振動(dòng)速度峰值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5 所示。

表5 左線隧道關(guān)鍵點(diǎn)X 方向速度峰值 Table 5 Peak velocity of key point in left tunnel along X direction

由表可知，迎爆側(cè)一面的峰值振動(dòng)速度均比背爆側(cè)一面的峰值振動(dòng)速度大得多；爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動(dòng)的影響稍大于后方襯砌，且不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動(dòng)大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動(dòng)；各截面背爆側(cè)峰值振動(dòng)速度普遍比較小，最大值只有4.8 cm/s，不會(huì)發(fā)生破壞，因此，背爆側(cè)比較安全；同一截面中的最大峰值振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)右墻腳位置，這一位置是隧道截面中最危險(xiǎn)的位置，迎爆側(cè)起拱線以上部分為次峰值振動(dòng)區(qū)，是隧道截面中第2 危險(xiǎn)位置，模型中間截面右墻腳處X 方向速度峰值最大，最大振速達(dá)15.4 cm/s，與實(shí)測(cè)最大值17.2 cm/s 相差不大，這樣既保證了數(shù)值計(jì)算的安全性，又保證了準(zhǔn)確性，故用數(shù)值計(jì)算來(lái)分析和預(yù)測(cè)后行隧道爆破開挖過(guò)程中對(duì)超小凈距先行隧道的振動(dòng)影響是可行且可靠的。

另外，現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)嚴(yán)格根據(jù)上面優(yōu)化的爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行，由現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊墻徑向先行隧道迎爆側(cè)襯砌最大振動(dòng)速度為17.25 cm/s，小于范規(guī)定的上限值20 cm/s，其他部位各方向振動(dòng)速度更小，即優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)后續(xù)施工未對(duì)先行隧道產(chǎn)生較大影響，先行隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也再次驗(yàn)證了優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)是合理的。

5 小凈距隧道施工爆破振動(dòng)控制措施

針對(duì)本工程特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值計(jì)算，施工爆破振動(dòng)控制措施主要從減振和隔振兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，在施工過(guò)程中減振方面控制措施主要采用了右線后行隧道CD 法外側(cè)導(dǎo)坑先施工；內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑臺(tái)階分部施工，禁止上下臺(tái)階同時(shí)；減小循環(huán)進(jìn)尺至0.5 m；控制最大齊爆孔數(shù)或單段最大炸藥量；掏槽位置盡量偏外、掏槽眼成對(duì)分段起爆；分段爆破差不小于100 ms。隔振方面控制措施主要采用了周邊小導(dǎo)管隔振（后續(xù)施工的右線隧道臨近左線隧道外側(cè)布置環(huán)向隔振孔，隔振孔直徑為48 mm，中心間距為350 mm，孔內(nèi)布置φ 40 mm 鋼管）；周邊孔隔孔裝藥；先施工隧道支護(hù)外側(cè)預(yù)設(shè)置3～5 cm泡沫隔振層。本工程通過(guò)這兩方面措施綜合實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)控制，在實(shí)際工程施工中效果顯著。

6 結(jié) 論

（1）在掏槽爆破時(shí)，相鄰隧道右墻腳速度峰值較大，在實(shí)際爆破施工中應(yīng)改進(jìn)掏槽爆破設(shè)計(jì)并在爆破時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

（2）各監(jiān)測(cè)斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動(dòng)的影響稍大于后方襯砌；臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動(dòng)大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動(dòng)，在實(shí)際爆破施工中在爆破時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

（3）后行右線隧道左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階爆破先行隧道迎爆側(cè)襯砌各測(cè)點(diǎn)最大振速比左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階爆破先行隧道迎爆側(cè)襯砌各測(cè)點(diǎn)最大振速小，可以將后行右線隧道左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階的爆破作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

（4）針對(duì)工程特點(diǎn)，形成了小凈距隧道爆破振動(dòng)控制措施，有效地指導(dǎo)了施工。

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