對隧道爆破振動響應的研究

文育生

義烏市交通工程質量安全監督管理站 浙江義烏 32200

摘要：隨著公路投資的增加，目前不少單線公路正改建成為復線，但是由于受地質條件限制，新建隧道與既有隧道的間距較小，這時新建隧道施工，特別是爆破作業，可能影響既有隧道的安全性，危及既有隧道襯砌結構的穩定。為了探討隧道爆破振動響應，本研究采用現場監測與數值分析兩種方法，對該命題進行了有益的分析與探索。

關鍵詞：新建隧道；既有隧道；爆破振動；振動響應

隨著經濟社會的發展，公路建設加速，在不少公路線路施工和改造過程中，由于受地形地質條件制約，既有隧道與新建隧道之間的距離較短，在施工中，經常破壞既有隧道結構的安全性。在新建隧道爆破作業時，爆破振動可改變原有圍巖的應力分布，同時也對中硬巖以上圍巖隧道產生影響。為了不影響既有隧道的安全性和穩定性，在施工中應對隧道爆破振動進行監測和分析，本研究以某隧道隧道為例進行了分析。

一、參數計算與基準控制

在本文中，筆者所做的工作，主要是分析不同間距條件下，既有隧道襯砌迎爆側最大振速、最大主應力及安全性評價。

爆破振動荷載計算，以公路隧道為例，假定：爆破振動荷載均勻分布于隧道洞壁上，以動壓力形式施加，垂直于隧道壁面；荷載為三角形，峰值壓力P為3.6MPa，加載12ms，卸載時間100ms。本文計算以III類圍巖為主，隧道施工方法為臺階法[1]。

III類圍巖物理學指標及支護結構參數，詳見表1、表2。

而爆破振動的基準控制，首先需要了解既有隧道的健全度、振動速度容許值。本文既有隧道的變異顯著容許振動速遞為2cm?s-1、有變異容許振動速度為3cm?s-1、無變異容許振動速度為5cm?s-1。由于該既有隧道中為出現變異情況，所以本研究的容許振動速度取值為5cm/s。在動載作用下，混凝土極限強度：C30混凝土動載極限抗壓強度為23MPa、動載極限抗拉強度為2.4MPa[2]。

二、對計算結果的分析

（一）既有隧道迎爆側振動速度

本研究既有隧道襯砌最大振速，詳見表3。

由表3可知，新建隧道爆破振動對既有隧道邊墻影響最大，如新建隧道施工方法為臺階法，則爆破振動對既有隧道下臺階開挖影響大于上臺階開挖影響。在上臺階爆破時，間距<6m時，既有隧道邊墻、拱肩振速超出極限值，會造成破壞；在下臺階爆破時，間距<15m時，既有隧道邊墻振速超出極限值，可能產生破壞[3]。

（二）既有隧道襯砌主應力分析

在爆破振動作用下，既有隧道的應力值將發生較大改變，迎爆側的應力狀態將會大幅上升，且間隔一定時間。從計算結果可知，迎爆側襯砌內側主應力大于外側。本研究的計算結果顯示，如間距<6m，下臺階、上臺階開挖的拉應力，均超出極限值，既有隧道可能會產生裂縫，而其墻腳出不會產生拉應力，未超出極限值；既有隧道拱肩處間距<6m，開挖上臺階時，拉應力未達到極限值，開挖下臺階無拉應力。同時，與振速對比可知，在監測爆破振動過程中，振動指標為重要指標之一，應力指標相對寬松[4]。

三、現場測量結果情況

復線隧道長度為600m，既有隧道與新建隧道平均間隔為15m，隧道內的巖石類型以III類圍巖為主，且圍巖的完整性良好、地表無巖溶發育，存在地下水發育。由于既有隧道通車頻率較大，混凝土外觀粗糙，且出水點較多，混凝土存在局部開裂現象。

在布置測點時，可將振速指標作為控制標準，并行嚴格的監測。因為臨近隧道迎爆側爆破振動速度大，在選擇布置測點時，應選擇在靠近新建隧道一側，選擇4個端面，共計12個測點，以找出迎爆側的最大振動方向及部位，行長期監測。本研究的爆破振動測試均采用DSVM-4C型振動測試儀。測點裝藥量與振速值，詳見表4。

通過對實測結果進行分析，筆者總結出以下幾點：第一，采用臺階法開挖新建隧道過程中，進行下臺階底板眼爆破時的爆破振動最大，與計算結果相一致；第二，如果新建與既有隧道間距為15m，則既有隧道邊墻最大振速為5cm/s，與計算結果相差無幾；第三，在震源距離較遠條件下，既有隧道迎爆側邊墻中上部振動速度值較大，而如果震源距離較近，則中下部振動速度較大，與計算結果相符；第四，爆破振動沿掘進方向傳播，可為施工安全性提供指導；第四，對同一測點的測速表明，在環向、縱向及徑向上，徑向振速最大[5]。

結語：

綜上所述，根據本文分析，可獲得以下結論：一是復線隧道的施工，如新建隧道巖石類型為硬巖，則爆破振動可危及既有隧道結構的穩定性，且其邊墻受到影響最大，所以應作為施工監測的重點；二是在監測過程中，由于振速指標相對比較嚴格，可作為監測指標；三是如果新建隧道施工采用臺階法，且為III類圍巖，則開挖下臺階時的爆破振動，比上臺階開挖爆破振動對既有隧道襯砌結構影響大；四是對于III類圍巖，上臺階爆破時，隧道間距<6m，既有隧道邊墻、拱肩振速超出極限值；下臺階爆破時，間距<15m，邊墻最大振速超出極限值，所以在新建隧道施工中，如果處于該影響范圍，需加強對既有隧道襯砌的保護，確保施工的安全性；五是III類圍巖既有隧道邊墻部位，爆破動載產生的拉應力較大，如間距<6m，拉應力超出極限值；拱肩間距<6m，開挖上臺階時拉應力未超出極限值，而開挖下臺階時未出現拉應力。

參考文獻：

[1]王明年，李志業，關寶樹.三孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術研究[J].巖土力學，2012，23（06）：821-824.

[2]翁漢民，李志業.隧道仰拱的力學行為研究[J].巖土工程學報，2013，18（01）：46-53.

[3]張建華.工程措施對控制隧道圍巖變形的力學效果研究[J].巖土工程學報，2010，20（05）：27-30.

[4]關寶樹，何川.三車道公路隧道在不同構造應力作用下的力學行為研究[J].巖土工程學報，2009，20（10）：51-55.

[5]王慷慨，張成滿，溫向東等.鄰近隧道爆破振動響應的研究[J].巖土力學，2012，25（01）：129-130.