洞窟下緊鄰隧道爆破振動響應分析及控爆措施研究

梁師俊

(浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)

1 引言

隨著國民經濟的發展，地下基礎設施建設空前發展，下穿地下既有構筑物的新建地下隧道越來越多。由于地下空間開發一般遵循“先來先到”的規則及地質、地形條件制約，新建隧道工程與已有構筑物之間的間距設計得很小。因此，在新建隧道爆破施工過程中，已有洞窟(群)極易受到新建隧道施工的影響，危及新建隧道的施工安全及已有洞窟(群)的正常使用。因此，對新建隧道施工技術，特別是鉆爆法施工提出了較高的要求。目前，國內外針對既有隧道的鄰近隧道爆破施工振動問題研究多見，如錢耀鋒、譚忠盛分析了復線隧道爆破對鄰近隧道的安全影響；對爆破荷載作用下地下空間動力響應問題也開展了許多理論研究，如Lee分析了應力波的衍射問題和應力集中問題，Manoogian分析了地下結構在地震波作用下的解析解。但鄰近地下防空洞窟(群)的隧道爆破施工振動影響研究還較少。該文針對地下防空洞窟(群)下爆破開挖緊鄰隧道，通過三維數值模擬計算，分析不同鉆爆方式、不同炮孔裝藥方式、不同減震孔設置方式等情況下，爆破振動對隧道上方緊鄰洞窟的影響，提出相關的控爆措施，并根據工程實例驗證，以供洞窟(群)下緊鄰隧道爆破開挖設計、施工借鑒。

2 工程概況

杭州北干山新開隧道工程呈南北向，道路寬21 m，隧道上方有防空洞窟分布，隧道與洞窟平面交叉于K0+837～K1+035，長度約200 m，共涉及8個洞窟，對隧道施工影響最大的是50#洞窟，處于K0+840～K0+890樁號之間，洞窟寬度9.2 m，長42 m，高8 m。洞窟內堆放有糧食，約計4.5 t/m2，容量約為1 050 t。洞窟底板高程與隧道頂部開挖設計高程最小高差為7.07 m。隧道與緊鄰洞窟群平面如圖1所示。

圖1 新建隧道與緊鄰洞窟群平面圖

根據工程地質勘察，隧道巖石較完整，圍巖質量較好，圍巖節理發育，易產生掉塊，屬Ⅲ、Ⅳ級圍巖。隧道采用三心圓斷面，上半斷面半徑6.486 m，下半斷面兩側半徑5.16 m，拱底半徑12.8 m。

3 數值計算模型的建立

計算采用通用顯示動力有限元程序LS-DYNA進行。為更好地分析新建隧道爆破施工對已有地下防空洞窟(群)的振動響應，考察爆破振動效應(速度、加速度、應力等)峰值的變化。

數值模擬單位采用cm-g-μs系統，模型尺寸與實際工程尺寸比例為1∶1。

3.1 模型幾何尺寸

目前，動力計算在時間域內求解非線性問題，一般將邊界取得盡可能遠，有研究認為，隧道爆破振動對既有結構物的影響，當邊界范圍大于3倍隧道開挖直徑后，對振動效應的峰值影響已相當小。該工程建模時將左、右及下邊界取4倍隧道開挖直徑，上邊界為自由表面(地面)，前后邊界為自由山坡表面，隧道縱向為一期施工的全長300 m。

3.2 計算參數選取

(1)巖石材料

模擬時，假設巖石材料為連續彈塑性體，屈服條件為Mises屈服條件，考慮爆破或沖擊荷載下，巖石材料產生快速變形，與受靜載荷作用情況相比，應變率明顯提高，因此隧道圍巖及地下防空洞窟(群)周圍巖石采用非線性塑性隨動強化材料模型MAT_PLASTIC-KINEMATIC，不考慮應變率影響，材料參數如表1所示。

表1 巖石參數

注：ρ為巖石密度；E為彈性模量；υ為泊松比；σ為屈服應力；Etan為切線模量。

(2)堵泥材料

爆破孔堵泥選用MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型，材料參數如表2所示。

表2 堵泥材料參數

(3)炸藥材料

選用高能炸藥材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模擬炸藥材料，結合EOS_JWL狀態方程描述爆轟產物壓力。炸藥材料模型及狀態方程參數如表3所示。

表3 炸藥參數

注：ρ為炸藥密度;v為炸藥爆速；E0為炸藥爆壓；A、B、R1、R2、ω為系數。

3.3 數值模型建立

從隧道圍巖等級看，該工程隧道爆破開挖方式可選用上下臺階法和預留核心土法。

工程爆破施工前，為驗證不同的爆破施工對上方洞窟的影響，進行了預留核心土法和上下臺階法光面爆破試驗，在離爆點距離30 m的50#洞窟底部測得的垂直方向典型振動波形如圖2、3所示。

圖2 預留核心土法振動波形圖

圖3 上下臺階法振動波形圖

從圖2、3可以看出：預留核心土法爆破時的反射波波動相當大，對上方洞窟的危害也較大，而上下臺階法對上方洞窟的影響相較預留核心土法有明顯的下降，根據試驗爆破結果，該工程有限元模擬采用上下臺階法光面爆破。

有限元模擬耦合裝藥和徑向非耦合裝藥兩種不同炮孔裝藥方式，根據工程實際爆破方案，炮孔模型直徑在非耦合裝藥時為42 mm，耦合裝藥時為32 mm，非耦合裝藥時，炮孔壁與藥包之間徑向留5 mm空氣層，裝藥方式如圖4所示。

周邊孔與輔助孔孔底在同一垂直面上，炮孔深度均為1.5 m，掏槽孔加深10 cm，為1.6 m。為保證爆炸效果，選用堵泥堵塞，裝藥長度和堵塞長度根據炮孔不同而不同。炮孔裝藥如表4所示。

圖4 裝藥方式(單位：mm)

模擬設置周邊減振孔和不設置周邊減振孔兩種炮孔設置方式，設置周邊減振孔時，周邊孔不裝藥，為空眼。炮孔間距1.5 m，排距0.75 m，炮孔設置如圖5所示。

不設置周邊減振孔時按1-3-5-7-9段跳段依次起爆中心4對掏槽孔、兩側3對掏槽孔、第1道輔助孔、第2道輔助孔、周邊孔和光爆孔，設置周邊減震孔時按1-3-5-7-9段跳段依次起爆中心4對掏槽孔、兩側3對掏槽孔、第1道輔助孔、第2道輔助孔、光爆孔。

對洞窟(群)下緊鄰隧道爆破，為分析炮孔設置方式對防空洞窟爆破振動響應的影響，考慮耦合裝藥設置周邊減震孔、耦合裝藥不設置周邊減震孔、非耦合裝藥設置周邊減振孔、非耦合裝藥不設置周邊減振孔4種計算工況。

數值分析建模時，規定X軸正向為沿隧道軸線里程樁號增大方向，Y軸正向為豎直向上，Z軸正向為隧道掘進橫斷面方向，計算模型如圖6所示。

表4 炮孔裝藥參數

在三維計算中，圍巖、堵泥、空氣、炸藥均采用8節點的Solid164三維實體單元模擬，將巖石、堵泥劃分為Lagrange網格，炸藥、空氣劃分為ALE網格，采用流固耦合算法模擬爆炸過程。

模型底面與左右兩側面采用無反射邊界，前后邊界表面、上邊界表面及既有洞室表面為自由邊界，整個模型共劃分單元331 274個，節點434 754個。

圖6 有限元模型

3.4 爆破控制標準

考慮該隧道工程緊鄰地下防空洞的實際情況，該工程爆破震動安全評價采用以最大質點振動速度為主，兼顧最大質點振動加速度的雙指標控制標準。依據GB 6722—2014《爆破安全規程》爆破振動安全允許標準，該工程的地下防空洞最接近礦山巷道，標準規定對振動頻率大于50 Hz的礦山巷道安全允許振速為20～30 cm/s，考慮到地下防空洞的施工情況、使用年限及隧道爆破周邊環境，出于安全考慮，設計安全允許振速取為規程允許振速范圍中值的1/3，即8 cm/s。

4 數值計算結果及分析

4.1 爆破振動分析

圖7為50#洞窟底板同一節點不同工況下的速度時程曲線。

圖7 不同炮孔設置、裝藥方式振動速度時程曲線

4種不同計算工況下，50#洞窟底板同一節點位置下Y、Z方向振動速度峰值如表5所示。

由表5可知：① 耦合裝藥條件下，有減振孔時Y方向峰值振動速度比無減振孔降低12.13%、Z方向降低29.90%；非耦合裝藥條件下，有減振孔時Y方向峰值振動速度比無減振孔降低16.79%、Z方向減低24.30%；② 設置減振孔的速度時程曲線比相同裝藥方式不設置減振孔時程曲線在各個時間點有不同程度的縮減。

表5 有限元模擬測點振動速度峰值

其原因在于周邊空眼減振孔設置存在的空氣層對爆破振動產生的能量存在緩沖作用，不管是耦合裝藥還是非耦合裝藥，均可有效降低鄰近洞窟振動速度。

(1)不設置減振孔時，非耦合裝藥Y方向速度峰值降低11.15%、Z方向降低15.20%；設置減振孔時，非耦合裝藥Y方向速度峰值降低15.86%、Z方向降低8.43%。

說明相同減振孔設置條件下，非耦合裝藥較耦合裝藥對上方洞窟(群)振動速度有一定的減緩作用。

(2)4種工況條件下，耦合裝藥無減振孔兩個方向振動峰值速度最大；非耦合裝藥有減振孔兩個方向振動峰值速度最小；耦合裝藥有減振孔、非耦合裝藥無減振孔兩個方向振動峰值速度居中，但耦合裝藥有減振孔兩個方向振動峰值速度均比非耦合裝藥無減振孔兩個方向振動峰值速度略低。

4.2 應力衰減分析

圖8為不同工況下位于50#洞窟底板同一位置單元的等效應力時程曲線。

圖8 50#洞窟底板典型單元等效應力時程曲線

表6為不同工況下位于50#洞窟底板同一位置單元等效應力峰值。

表6 有限元模擬單元等效應力峰值 MPa

由表6可知：

(1)4種工況條件下，耦合裝藥無減振孔引起50#洞窟底板單元等效應力峰值最大，為8.99 MPa；非耦合裝藥有減振孔50#洞窟底板單元等效應力峰值最小，為7.76 MPa；耦合裝藥有減振孔與非耦合裝藥無減振孔50#洞窟底板單元等效應力峰值居中。

(2)不設減振孔時，非耦合裝藥與耦合裝藥相比，等效應力峰值降低4.12%；設置減振孔時，非耦合裝藥與耦合裝藥相比，等效應力峰值降低1.77%。

(3)耦合裝藥時，有減振孔與無減振孔相比，等效應力峰值降低12.12%；非耦合裝藥時，有減振孔與無減振孔相比，等效應力峰值降低9.98%。

說明在減振孔設置條件相同時，非耦合裝藥等效應力峰值與耦合裝藥相比略有降低，應力衰減程度基本一致；在裝藥方式相同時，設置減振孔等效應力峰值與不設置減振孔相比有大幅降低。

數值計算結果分析可知：周邊設置空眼減振的非耦合裝藥上下臺階法爆破開挖對隧道上方緊鄰洞窟的振動響應影響最小，上方緊鄰洞窟的質點最大振動速度滿足規范安全要求、質點最大振動加速度除Y方向略超過設計安全值外均滿足設計要求。

5 現場監測情況驗證

根據數值模擬結果，現場采用“上下臺階法開挖，周邊設空眼減振、選用低爆速和小直徑炸藥、非耦合裝藥、微差爆破”掘進，炮孔設置見圖5(a)，炮孔裝藥見圖4(b)。

K0+837處爆破，掏槽孔爆心與上方洞窟底板距離為12.5 m，現場監測洞窟底板Y方向峰值振動速度為6.01 cm/s，滿足規范安全要求，但比有限元模擬結果4.72 cm/s略高。究其原因：① 有限元模擬時隧道圍巖全部按Ⅳ級計算，沒有考慮部分Ⅲ級圍巖情況；② 防空洞窟施工期間，曾遇到2 m寬的小斷層，發生過較大的塌方，導致洞窟底部超挖較大，此種情況模擬時也沒有考慮。

6 結論

(1)上下臺階鉆爆4種不同工況條件下爆破應力波對洞窟產生影響方面具有明顯的不同。

(2)周邊設置空眼減振孔不管裝藥方式如何，均可有效降低上方緊鄰洞窟(群)振動速度、等效應力。

(3)不管是否設置周邊空眼減振孔，采用非耦合裝藥方式對上方緊鄰洞窟(群)振動速度、等效應力均有一定的減緩作用。

(4)經綜合比較分析，從爆破應力波峰值速度、等效應力等方面，非耦合裝藥設置減振孔方式相對其他3種情況均具有相當大的優勢。因此，具有相同環境的實例工程中推薦采用非耦合裝藥設置減振孔的上下臺階鉆爆法爆破施工。

(5)有限元模擬結果應用于實例隧道爆破開挖實踐表明，最危險狀態下采用非耦合裝藥設置減振孔的上下臺階法爆破后，上方洞窟底板峰值速度小于規范允許值，設計安全。