爆破荷載作用下新建與既有隧道支護結構動力響應研究

王秀麗

（西安鐵路職業技術學院土木工程學院，陜西西安710600）

隨著我國新的公路、鐵路不斷新建和既有路網擴能改造，不可避免會發生新建交通隧道并行、下穿既有公路、鐵路等工程實際現狀［1-3］。目前我國修建的大多數交通隧道工程仍以鉆爆法為主［4］。新建隧道接近已有交通工程，爆破施工會帶來相應的安全問題［5-6］。國內外學者在新建、改建隧道復雜交叉既有交通線引起的動力響應方面進行了大量的研究工作。李利平［7］通過小間距隧道爆破對既有隧道的影響，研究了小間距段施工爆破的振動監測方法、爆破動力特性及其減振控制技術。賈磊［8］通過設置不同開挖進尺、不同間距以及不同埋深研究了新建隧道爆破對既有鄰近隧道的影響。學者研究的大多為新建隧道爆破對既有隧道的影響［9-12］。鮮有學者系統地研究爆破同時對既有和新建隧道支護結構的動響應影響。本研究采用LS-DYNA給出更加準確的模擬方法，對不同爆破荷載作用下既有和新建隧道支護結構的動力響應規律進行研究，深入系統分析爆破后新隧道和既有隧道支護結構的振動安全，為以后類似工程提供一定參考和借鑒。

1 工程概況

擬建隧道近南北走向穿越某山脈，該山脈山高谷深，地形起伏較大，溝谷一般為狹窄的“V”型谷。隧道設計線路最高點在ZK2+100處，海拔高程達到4 140 m；最低點位于隧道南洞門，海拔約3 580 m。花崗閃長巖為洞室主要圍巖，多呈肉紅—灰白色，中細—粗粒或不等粒似斑狀或粒狀結構、塊狀構造。圍巖為較堅硬～堅硬巖，節理裂隙較發育，巖石多呈塊狀。

根據隧道縱斷面圖及圍巖類別統計評價匯總內容可看出全線該隧道圍巖以Ⅲ級和Ⅴ級為主，隧道左線（新建）各級圍巖長度分別為Ⅲ級1 978 m，Ⅴ級106 m。

原設計中即已考慮到兼顧遠期二線隧道的建設條件，新舊隧道走向幾乎并行，最小凈距不足26 m。新建隧道采用鉆爆掘進，不僅現有隧道的穩定性、正常運行會受到不同程度影響，也會耽誤新建隧道的進度。因此修建過程中應盡量減少爆破沖擊波對老隧道的危害。

2 參數與模型建立

2.1 參數的確定

在本次計算中仍采用材料的靜力指標，圍巖力學性質參數見表1，既有隧道二次襯砌采用C30混凝土，參數見表2。

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考慮花崗巖與炸藥的匹配系數，以及炸藥性能、價格以及其他限制條件，新建隧道爆破施工采用2號巖石乳化炸藥，其中初始爆速為4 000 m/s；炸藥初始密度ρ=1 000 kg/m3。本研究在數值模擬中炸藥本構采用高能炸藥材料模型［13］，2號巖石乳化炸藥JWL狀態方程參數見表3。

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2.2 模型的建立

由圣維南原理可知，當有限元模型邊界大于3倍開挖洞徑時可以不考慮邊界效應帶來的影響。因此，有限元模型水平寬度取160 m，模型高度分別取80 m，模型縱向長度取100 m，新舊隧道之間凈距取最不利情況25 m。模擬時采用g、cm、us單位制。模型中的X軸為與隧道軸向垂直的水平方向，Y軸為垂直方向，Z軸為隧道軸線方向，有限元模型見圖1。

3 既有隧道二次襯砌動力響應規律

3.1 既有隧道二襯振速云圖

研究新建隧道爆破施工引起既有隧道的動力響應，需要對不同時刻既有隧道二次襯砌上的振速分布規律進行討論。選取依托工程III級圍巖爆破開挖時某一時刻既有隧道二次襯砌的綜合振速云圖進行分析，見圖2。

在爆破荷載作用下，既有隧道二次襯砌上質點離新建隧道開挖掌子面越近越先開始振動，振動效應也越大，產生既有隧道振速峰值的位置必定在迎爆一側邊墻上。

爆破荷載作用下既有隧道3個方向產生振動，質點綜合振速充分考慮了質點3個方向的振動影響，能夠直接反映新建隧道爆破對既有隧道的影響作用，同時質點的位移也能在一定程度上反應爆破振動效應的大小，可以作為評價爆破振動大小的參考指標。為了更好了解爆破荷載作用下既有隧道二次襯砌沿不同方向的振動特征，選取振速峰值時間段某一時刻X、Y、Z方向上的振速云圖進行分析，見圖3。

既有隧道在爆破荷載作用下，二次襯砌上質點離爆破開挖掌子面越近，越先發生不同方向上的振動且3個方向上的振速峰值越大。此外，X方向上的振速峰值與3矢量合成方向上的振速峰值比較接近，遠遠大于另外2個方向上的振動速度。

不同圍巖地段爆破施工引起既有隧道的動力響應規律可能有所差異，有必要對V級圍巖爆破施工時某一時刻既有隧道二次襯砌的振速云圖進行分析，見圖4；振速峰值時間段某一時刻X、Y、Z方向上的振速云圖，見圖5。

III級圍巖和V級圍巖爆破施工時的振速峰值雖然因為裝藥量不同等原因有所差異，但既有隧道二次襯砌的動力響應規律十分相似，經過一定時間爆破沖擊波最先傳到既有隧道二次襯砌上迎爆側邊墻上，沿著X、Y、Z方向二次襯砌結構上質點依次發生振動并達到各自的振速峰值。分析既有隧道二次襯砌不同時刻的振速云圖和最大振速點的振速時程曲線可以得到：

（1）既有隧道上不同位置發生振動所需的時間與起爆點的距離有關，距離越遠開始振動的時間越晚。

（2）既有隧道二次襯砌上的振速峰值發生在離爆源較近一側拱墻上，二次襯砌上不同位置距爆源越遠，振速峰值越小，這是因為爆心距越大能量衰減越大，引起的振動速度就越小，破壞效應就越弱。

（3）同一時刻，二次襯砌結構上同一質點X、Y、Z3個振動方向中沿X方向振動速度較大，衰減較快。

3.2 既有隧道二襯位移云圖

位移也能在一定程度上反應爆破振動效應的大小，可以作為評價襯砌結構振動強弱的參考指標。選取III級圍巖和V級圍巖爆破時既有隧道二次襯砌取得振速峰值時間段某一時刻的綜合位移云圖進行分析，分別見圖6和圖7。

由III級和V級圍巖爆破開挖時既有隧道二次襯砌不同時刻的綜合位移云圖可以發現，雖然裝藥量和圍巖級別有所差異，但是既有隧道二次襯砌的位移響應規律非常相似，位移時程變化與振速時程變化規律也比較一致。經過一定時間后既有隧道二次襯砌上迎爆一側先發生振動且位移變化較大，二次襯砌上沿水平方向、隧道軸向、豎直方向上質點依次發生振動，并達到各自的位移峰值。

3.3 不同凈距和裝藥量時既有隧道最大振速曲線

既有隧道在爆破荷載作用的振動強弱除了受到裝藥量的影響，新舊隧道之間的凈距也是非常重要的影響因素。以III級圍巖為例，本研究將進一步借助數值模擬得到不同裝藥量和不同凈距時既有隧道的最大振速，通過數值模擬得到不同工況下既有隧道二次襯砌上的最大振速時程變化規律。當掏槽眼藥量分別取15 kg、10 kg時，探究不同凈距時的最大綜合振速時程曲線，以凈距15 m為例進行說明，分別見圖8和圖9。

將裝藥量15 kg和10 kg下不同凈距的最大時程曲線進行對比分析，得到掏槽眼不同裝藥量時不同凈距既有隧道二次襯砌振速峰值圖，見圖10。

由圖10可知，凈距一定時，裝藥量越大，振速峰值也越大；振速峰值隨凈距減小而增大，增長速率也越來越大。當裝藥量取10 kg時，凈距10 m時的振速峰值達到10.38 cm/s，較凈距為15m的振速峰值5.5 cm/s增長近88.5%；當裝藥量取15 kg時，凈距為10 m時的振速峰值達到13.46 cm/s，較凈距為15 m的振速峰值6.8 cm/s增長近1倍。可以看出，新建隧道爆破荷載作用下既有隧道二次襯砌上的最大振速受間距影響十分明顯。

4 新建隧道初期支護的動力響應規律

4.1 噴射混凝土的安全允許振速

初期支護是目前隧道施工過程中比較普遍和常規的一種支護手段，不僅能在施工期間維護隧道的穩定，控制圍巖自承能力的降低，還能夠與二次襯砌一起發揮永久支護的作用［14］。初期支護一般包括噴射混凝土、鋼筋網、錨桿、格柵和鋼拱架等多種形式，且由其中一種或幾種組成［15］。花崗閃長巖等硬質巖單位體積巖石炸藥消耗量比較大，爆破引起初期支護的振動效應不可忽視。各行業對現澆混凝土的最大允許振速有所不同，但都將質點振動速度作為爆破安全的評價指標，因此爆破作用下初期支護上的最大振速對于研究初期支護結構的動力響應規律具有十分重要的意義。

4.2 新建隧道初期支護綜合振速及綜合位移

新建隧道采用鉆爆法施工，沖擊波作用下初期支護的動力響應規律隨時間變化非常明顯，以III級圍巖進尺2.5 m為例，對不同時刻初期支護的綜合振速云圖和綜合位移云圖進行分析，取某一時刻云圖，分別見圖11和圖12。

炸藥起爆后爆破應力地震波最先引起掌子面附近初期支護發生振動，沿著隧道軸線往洞口方向傳播，引起傳播方向上質點發生振動，振動強度與離掌子面的距離呈現反比趨勢。

4.3 新建隧道初期支護振速時程曲線

為了更好地掌握爆破對新建隧道初期支護的影響，需要進一步了解初期支護的動力響應特性。選取新建隧道離掌子面不同距離斷面上不同位置作為分析點，以距離9 m時為例進行說明，其綜合振速時程曲線見圖13。

得到橫斷面不同位置處初期支護最大綜合振速隨距掌子面距離的變化曲線，見圖14。

分析圖13和圖14，隧道襯砌的不同部位對爆破的敏感程度不同。離掌子面越近，受爆破振動影響較大，質點在極短時間內達到振速峰值后迅速衰減；隨著爆心距增大，同一斷面上不同位置振速減小幅度不同，拱頂處最明顯。隧道拱頂處的圍巖對于隧道洞頂的振動約束力也較小，這就導致隧道襯砌洞頂的振動比較大，距離掌子面較近的同一斷面上，拱頂振動速度最大，然后是兩側拱腳處，最后是兩側拱腰。當距離掌子面一定距離后，拱腳處振速峰值超過拱頂位置，不同位置振速大小依次是拱腳＞拱頂＞拱腰。初期支護上質點X、Y、Z 3個振動方向中沿Z方向即隧道中心線方向振動較大，衰減較快。

5 結論

（1）不同圍巖二次襯砌的動力響應規律十分相似，經過一定時間爆破沖擊波最先傳到既有隧道二次襯砌上迎爆側邊墻上，沿著X、Y、Z方向二次襯砌結構上質點依次發生振動并達到各自的振速峰值，二襯上振速峰值發生在迎爆側拱墻上，二次襯砌上不同位置距爆源越遠，振速峰值越小，發生振動的時間越晚；二次襯砌結構上質點沿X方向振速峰值最大，衰減較快。

（2）新建隧道爆破施工，既有隧道二次襯砌上的振動效應大小受裝藥量和凈距影響，裝藥量越大，既有隧道二次襯砌上的振速峰值越大；凈距越小，振速峰值越大，且隨著凈距的減小，振動越來越強。

（3）炸藥起爆后，初期支護上不同位置在爆破沖擊波的作用下，沿著掌子面往洞口方向依次發生振動，離掌子面越遠，發生振動的時間越晚，最大振速峰值越小；同一斷面上，拱頂和拱腳位置振速較大，施工中應加強監測；初期支護上不同位置X、Y、Z 3個不同方向上Z軸即隧道走向振速較大，衰減較快。