城市淺埋小凈距隧道爆破振動響應及現場監測分析

徐世祥 韋漢 于建新 王帥帥 代義昌

摘 ?要：以福州軌道交通2號線洋里站南端區間隧道為工程背景，當右線隧道開挖至50m，左線隧道開挖至25m時，通過有限元分析軟件Ls-dyna建立三維隧道計算模型，分析左線隧道爆破開挖對右線隧道的影響，并結合現場監測數據進行驗證。結果表明：當最大齊發藥量為2kg，左線隧道爆破開挖對右線隧道產生的最大拉應力為1.28MPa，最大壓應力為2.73MPa，最大壓應力滯后于最大拉應力產生;右線迎爆側拱腰部位處的最大振速值為33.0cm/s，對右線隧道造成的影響較大;現場爆破振動監測結果與模擬結果比較接近，距離爆源最近的振動監測點各方向振速最大，監測點振速隨掌子面距離逐漸減小。

關鍵詞：小凈距 ?爆破施工 ?襯砌應力 ?振速 ?數值模擬

中圖分類號：U455 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（b）-0039-05

Abstract： Taking the tunnel at the southern end of Yangli Station of Fuzhou Rail Transit Line 2 as the engineering background， when the right tunnel is excavated to 50m and the left tunnel is excavated to 25m， the three-dimensional tunnel calculation model is established by the finite element analysis software Ls-dyna. The impact of the blasting excavation of the left-line tunnel on the right-line tunnel is verified with the on-site monitoring data. The results show that when the maximum flushing dose is 2kg， the maximum tensile stress generated by the blasting excavation of the left-line tunnel to the right-line tunnel is 1.28MPa， the maximum compressive stress is 2.73MPa， and the maximum compressive stress lags behind the maximum tensile stress; The maximum vibration velocity at the side of the side arch is 33.0cm/s， which has a great impact on the right-line tunnel. The results of the on-site blasting vibration monitoring are close to the simulation results， and the vibration monitoring points near the source are vibrated in all directions. The speed is the largest， and the vibration speed of the monitoring point gradually decreases with the distance of the face.

Key Words： Small clearance; Blasting construction; Lining stress; Vibration velocity; Numerical simulation

小凈距隧道是在特定地形條件下修建隧道的理想選擇之一，其優點明顯，在隧道建設中發揮了積極作用。目前我國小凈距隧道施工大多采用的是鉆爆法施工，當間距過小時，爆破開挖會對先建隧道造成一定的擾動，影響已建隧道結構的安全[1]。因此，小凈距隧道后建隧道對先建隧道之間相互影響問題的研究就顯得尤為重要。鑒于數值模擬分析獨特的優勢，國內外學者采用數值模擬和現場監控量測等手段對小凈距隧道合理凈距、隧道爆破振動響應分析、施工方法優化、安全爆破控制方法等進行了大量的研究工作[2-14]，取得了一定的研究成果，但目前總體還缺乏較為系統的結構設計和施工等經驗。

福州軌道交通2號線工程礦山法段兩隧道為小凈距隧道，埋深淺，地層復雜，區間隧道下穿和側穿福馬路、涵洞、古藏萬一禪師簡易房、乾達婆王廟、福馬路路堤下民房等多處建構筑物，距離均在20m以內，安全風險極大，如何將振動控制在有效范圍內，保證近鄰既有結構、設施和左右洞的安全，優化施工組織，實現安全快速施工，是該工程亟需解決的工程技術和現實難題。因此，開展該工程相關關鍵技術研究具有重要的現實意義和廣闊應用前景。該文結合福州2號線十標礦山法段隧道工程，利用 ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件，主要針對后行修建隧道爆破開挖對先行修建隧道結構的影響進行了分析，得出的結論對現場施工具有一定的指導意義。

1 ?工程概況

福州軌道交通2號線工程洋里站南端礦山法段，隧道左線長71.934m，隧道右線長73.251m。兩隧道凈距僅1.6～3.5m，屬小凈距隧道，雙洞爆破施工時相互影響程度較高。隧道覆土厚度約9.0～11.2m，相對較淺，圍巖級別為Ⅵ～Ⅴ，又存在軟弱土巖交界面。區間隧道下穿和側穿多處建（構）筑物，隧道距離既有建（構）筑物最近處僅4.7m。

福州地鐵2號線十標段隧道開挖方式主要采用鉆爆法，軟弱圍巖段也可采用機械開挖或人工開挖。開挖方法根據圍巖級別和隧道埋深情況分別采用全斷面開挖法、上下臺階法施工。施工時應該嚴格控制每循環開挖進尺的長度，一般進尺不得大于3m，采用上下臺階法開挖施工，其中上臺階最大齊發藥量為2kg（掏槽1段、周邊13及15段），下臺階最大齊發藥量為2kg（7段及11段）。

2 ?有限元模型的建立

2.1 計算工況說明

隧道右線為先行隧道，當右線隧道開挖至50m時，左線隧道開挖至25m，兩隧洞相對位置如圖1所示。

根據斷面及圖解法進行布孔，洞口斷面圖見圖2，上臺階炮孔布置圖所圖3和表1所示，分析可知，掏槽1段為最大齊發段，且其臨空面少，巖石的夾制作用比較大，其產生的振動影響最大，單段最大藥量為2.0kg，故數值模型重點關注掏槽1段對右線隧道影響。為簡化數值模擬分析的復雜性，將多孔掏槽簡化為單孔掏槽模擬，但掏槽總藥量不變。

2.2 模型尺寸及邊界條件

隧道開挖輪廓水平最大開挖寬度7.1m，高8.4m，隧道斷面為五心圓斷面。為減少模型邊界反射作用的影響，模型左右邊界各取斷面的兩倍寬度，下邊界為模型的一倍高度，上表面距離為實際地面至隧道拱頂距離，炮孔掌子面為實際開挖斷面，即隧道埋深9.0m，右洞已先行開挖50m，左洞上臺階開挖25m，下臺階開挖20m，模型尺寸約為42200mm×50000mm×25400mm。上表面取自由邊界，其他表面設為無反射邊界。實體模型見圖4以及劃分網格如圖5所示，其中網格劃分約為82萬個單元。

2.3 材料參數的選取

該模型中炸藥、混凝土襯砌和巖石均采用Langrange單元，共節點算法。炸藥選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及*EOS_JWL狀態方程，襯砌采用MAT_ELASTIC，巖石采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。炸藥材料參數如表2所示，襯砌及巖石參數如表3所示。

3 ?計算結果及分析

3.1 襯砌單元應力分析

重點分析了爆炸開始后襯砌不同時刻的應力云圖，從圖6可以看出，1.2ms時襯砌拉應力達到最大值為1.28MPa，最大拉應力發生在靠近左線拱腰部位。隨后最大拉應力逐漸減小，且最大拉應力逐漸向拱肩拱頂移動，但值得說明的是，最大拉應力在減小的過程中出現上下波動的趨勢。最大壓應力和最大拉應力不是發生在同一時刻，最大壓應力滯后于最大拉應力，其最大值為2.73MPa，同樣發生在靠近左線拱腰部位。

3.2 右線隧道測點振速分析

由于實際監測點位于下臺階半拱腰處，為對比監測數據，在右線隧道對應開挖掌子面前后沿縱向選下臺階拱腰取5個測點進行分析，測點相對位置關系如圖7所示。

各測點各個方向振速圖如圖8至圖10所示。分析可知，各向最大振速并不是發生在同一時刻，但各項最大振速發生在同一個測點上。徑向、切向和縱向最大振速分別為33.0cm/s、21.0cm/s、32.0cm/s，其中徑向振速最大，縱向振速次之，切向振速較小。各向振速出現最大值之后呈衰減趨勢，由于只研究掏槽孔的爆破，所以振速圖并未出現振速疊加的現象。對于同一方向振速，離爆源最近的測點振速最大，沿著前后兩側振速最大值逐漸衰減，可見振速的傳播符合薩道夫斯基公式的傳播規律。

4 ?現場監測分析

4.1 監測方案

為了真實反映后行隧道爆破施工對先行隧道的影響程度，同時驗證數值模擬的可靠性，主要監測先行隧道迎爆側振速及混凝土初襯應變，振動測試測點按5m間距依次布置在先行隧道迎爆側隧道拱腰上，振動測點布置如圖11所示，測點現場布置如圖12所示。

襯砌應力測試點布置在振動測試點旁，測點編號與振動測點編號一致，應力測試數據采集系統采用江蘇東華測試技術股份有限公司的高性能動態信號分析系統DH8302，如圖13、圖14所示。

4.2 振動現場監測分析

隧道右線先行開挖50m，左線上臺階開挖25m，下臺階開挖20m時進行左線爆破施工，得到右線隧道迎爆側拱腰上振動監測數據，振動監測結果見表4。

監測結果表明，爆破振動監測結果與模擬結果比較接近，距離爆源最近的振動監測點各方向振動速度最大，監測點振速隨掌子面距離逐漸減小，掌子面后方振速衰減比掌子面前方要快。

4.3 襯砌應力分析

左線隧道爆破施工得到右線隧道迎爆側拱腰附近襯砌應力峰值見表5。

結果表明，應力測試結果與模擬結果比較接近，距離爆源最近的測試點應力最大，最大拉、壓應力隨掌子面距離逐漸減小。

5 ?結論

該文分別對右線隧道襯砌的應力和右線隧道振速進行分析，并結合現場實測數據對比分析，評價左線爆破開挖對右線隧道的影響。

（1）爆破開始后1.2ms時刻對右線隧道產生的拉應力最大，最大拉應力為1.28MPa，最大壓應力滯后于最大拉應力，其最大值為2.73MPa，初襯混凝土的抗拉強度比較低，該范圍將可能產生隧道既有初襯結構受拉破壞，故最大齊發藥量應小于2kg為宜。

（2）右線迎爆側對應開挖掌子面處的最大振速值為33.0cm/s，對先行隧道影響較大，應減少藥量或減小一次開挖進尺，并加強監測。

（3）現場監測結果與模擬結果比較接近，距離爆源最近的測點應力最大、振動監測點各方向振動速度最大，最大應力以及監測點振速隨掌子面距離逐漸減小。

參考文獻

[1] 丁雄，陽生權，林平，等.輕軌隧道開挖引起的爆破振動特性分析[J]. 鐵道科學與工程學報，2015，12（3）：590-595.

[2] 陳平.小凈距隧道開挖工法合理性研究[J].鐵道工程學報，2018，35（4）：65-69.

[3] 趙亞龍，任剛，孔君，等.小凈距隧道合理滯后距離的確定[J].水利與建筑工程學報，2019，17（1）：215-220.

[4] 朱正國，孫明路，朱永全，等.超小凈距隧道爆破振動現場監測及動力響應分析研究[J].巖土力學，2012，33（12）： 3747-3759.

[5] 王春梅.小間距隧道爆破對既有隧道振動影響分析[J].爆破，2013，30（2）：84-89.

[6] Song KI， Oh TM， Cho GC. Precutting of tunnel perimeter for reducing blasting-induced vibration and damaged zone—numerical analysis[J]. Ksce Journal of Civil Engi-neering，2014，18（4）：1165-1175.

[7] Ahmed L， Ansell A. Vibration vulnerability of shotcrete on tunnel walls during construction blasting[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 2014，42（42）：105-111.

[8] 李云鵬，艾傳志，韓常領，等.小間距隧道爆破開挖動力效應數值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2007，27（1）：75-81.

[9] 王繼槐，劉輝，顏東煌.小間距隧道爆破振動影響分析[J].中外公路，2012，2（3）：268-271.

[10] 馮仲仁，文曦.新建隧道爆破震動對既有隧道影響的數值分析[J].爆破，2008，25（4）：20-23.

[11] 石洪超，張繼春.并行小凈距隧道楔形掏槽爆破振動效應研究[J].地下空間與工程學報，2019，15（2）：607-613，621.

[12] 岳旭光.小凈距隧道爆破施工影響的數值模擬分析研究[J].鐵道建筑技術，2018（4）：9-12，22.

[13] 郭立軍.小凈距隧道圍巖變形特征及施工方法優化[J].鐵道建筑，2017（3）：50-52，57.

[14] 孫振宇，張頂立，房倩，等.淺埋小凈距公路隧道圍巖壓力分布規律[J].中國公路學報，2018，31（9）：84-94.