淺埋區間隧道爆破振動對鄰近建筑物的影響分析

錢 陽，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，地下鐵道以其方便快捷、安全舒適、綠色環保等優點在國內外大都市被大量興建[1]。地鐵在修建過程中難免穿越沖溝回填段地層，區間隧道下穿回填段施工環境極為復雜，需要采取一定的措施規避施工風險。對于淺埋區間隧道，一般采用鉆爆法施工，爆破施工振動可能危及周邊結構物的安全[2-3]。在爆區的一定范圍內，當地震動達到一定強度時，會引起地表和建/構筑物不同程度的破壞，研究既有建/構筑物在爆破過程中的力學響應就顯得十分重要[4-5]。

Lu等人[8]采用LS-DYNA有限元程序建立模型，研究了機場下穿隧道爆破開挖對跑道的振動影響，并與現場實測數據進行對比，最終確定了爆破振動影響下的跑道安全閾值。張鵬[6]以樂廣高速某隧道下穿高壓鐵塔為例，研究了淺埋隧道爆破施工時爆破振動波對鐵塔塔基的動力影響，得出了塔基振速和沉降在不同爆心距時的變化規律。

本文結合重慶軌道交通十號線中央公園站-中央公園西站區間隧道下穿典型回填土地層實際工程，根據相關設計要求和爆破施工特點，采用LS-DYNA軟件建立三維模型，研究隧道爆破過程中，掏槽眼對臨近建筑物和隧道初期支護的振動影響，進而選擇合理的爆破參數和爆破方式，為相關工程提供借鑒與參考。

1 工程概況及爆破控制標準

1.1 工程概況

重慶軌道交通十號線中央公園站-中央公園西站區間起訖里程為K39+231.45～K40+082.78，全長851.33 m，隧道穿越回填土區域，圍巖等級為V級，拱頂埋深18～29 m，軌面設計標高302.924～280.495 m，縱坡-0.2%～-3.94 %。區間隧道標準段斷面為曲墻圓拱形式，洞跨為6.80 m，洞高為7.05 m，采用鉆爆法進行全斷面開挖，開挖面積約為62.7 m2。

該區間線路沿同茂大道敷設，小里程端兩側為中央公園，現場地貌圖如圖1所示。在同茂大道兩側有燃氣、電力、給排水等管線，埋深一般小于3 m。線路兩側有建筑物分布，且線路下穿廣場框架橋，隧道拱頂距框架橋樁基底部僅17 m，空間距離較近，隧道爆破施工對既有建筑物影響較大。線路附近既有建筑物如圖2所示。

圖1 中央公園站-中央公園西站區間隧道現場地貌

圖2 區間隧道附近既有建筑物

1.2 爆破控制標準

根據GB 6722-2014《爆破安全規程》中的相關規定，各類建筑物的爆破振動安全允許標準如表1所示。

建筑物的安全允許質點振速與建筑物的重要性、建筑質量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素有關。本文基于GB 6722-2014《爆破安全規程》中的規定，同時考慮圍巖參數和周邊建筑物與隧道的相對位置關系，給出了框架橋樁基和隧道初期支護的振速安全判據標準，規定其最大臨界振速分別為1.0 cm/s和4.25 cm/s。

表1 爆破振動安全允許標準

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

在隧道爆破時，掏槽孔爆破造成的地震效應通常最為強烈[7]。本文采用ANSYS/LS-DYNA動力有限元程序模擬爆破過程，研究掏槽孔爆破對建筑物樁基和隧道初期支護的振動影響。

(a) 整體模型

(b) 初期支護及炮孔布置圖示圖3 三維模型示意

建模采用cm-g-μs單位制，所有單元均為Soild164實體單元。建立的三維模型圖3所示，框架橋樁基底部距離隧道初期支護拱頂1 700 cm，兩者相互影響較大。炮孔直徑為4.2 cm，采用耦合裝藥結構。模型中除上表面、隧道掌子面和初期支護表面為自由邊界外，其余邊界均為無反射邊界。

將獨立樁基單獨建立模型，樁基按3×3平面布設(按線性排布)。樁頂和樁底編號如圖4所示。初期支護監測單元編號如圖5所示。

圖4 樁基布置及編號

圖5 初期支護測點圖示意

2.2 計算材料及參數

計算模型中主要包含圍巖、初期支護、框架橋樁基和炸藥四種材料。圍巖材料選取本構為塑性動力學模型，關鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該材料模型為各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型。初期支護和框架橋樁基采用*MAT_ELASTIC彈性材料模型。乳化炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料進行模擬。計算材料主要物理力學參數如表2～表4所示。

表2 圍巖物理力學參數

表3 初期支護和樁基物理力學參數

表4 炸藥材料參數

3 計算結果分析

為了研究回填土淺埋區間隧道爆破對臨近結構物的影響，分別對爆破進尺為0.5 m和1 m兩種工況下的掏槽眼爆破對樁基和隧道初期支護的振動影響進行分析，從而確定合理的爆破施工參數。

3.1 掏槽眼爆破對樁基振動效應分析

八個掏槽眼同時起爆，由于不存在臨空面，因此爆破引起的樁體質點振速較大。通過有限元瞬態動力分析，可以得到不同監測點位置處的水平(X)、豎向(Y)、開挖方向(Z)最大峰值振動速度(表5)。

表5 各樁基監測點處質點峰值振速

分析表5中的數據，兩種工況下，掏槽孔爆破引起的樁基質點峰值振速均未超過1 cm/s，最大值為1 m進尺時H樁基頂部在Y方向振動速度0.91 cm/s，說明兩種開挖進尺時均可保證樁基的安全。

爆破對中間樁(B、E、H樁)的振動影響大于兩側樁(A、C、D、F、G、I樁)，是由于在爆破過程中，中間樁距離爆源最近，其在爆破時振動響應較強烈。在施工中應著重考慮爆破對中間樁的影響。

樁頂Y向振速大于樁底振速，而X、Z方向反之，說明由于地表自由面的存在導致Y方向應力波反射疊加，使得樁頂在Y向振動響應有放大作用，同時樁頂質點在Y方向振動速度普遍大于其在X、Z方向振速也驗證了此現象。

3.2 掏槽眼爆破對初期支護振動效應分析

通過有限元瞬態動力分析，提取初期支護不同監測點處的水平(X)、豎向(Y)、開挖方向(Z)最大峰值振動速度(表6)。

表6 初期支護監測點處質點峰值振速

分析表6中的數據，工況一下掏槽孔爆破引起的初期支護質點峰值振速均未超過4.25 cm/s，而工況二下質點最大峰值振速為5.34 cm/s，大于臨界標準值，會造成初期支護結構損壞，影響施工安全，因此隧道爆破開挖不適合1 m進尺。

對比兩種工況，工況二的質點峰值振速大于工況一，是由于開挖進尺增大，掏槽孔裝藥量增加，說明鄰近建/構筑物的質點振速隨著單響藥量的增加而增大。

初期支護不同位置處的質點受隧道爆破振動的影響各不相同，實際工程中應選取具有代表性的關鍵監測點，以全面反映爆破對初期支護的影響。

4 結論

本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對回填區淺埋區間隧道掏槽孔爆破進行數值模擬，分別對爆破進尺為0.5 m和1 m兩種工況下樁基和隧道初期支護的振動響應進行分析，得出以下結論：

(1)爆破振動對初期支護的影響要大于框架橋樁基的影響，爆破進尺的選取主要由爆破對初期支護的影響來決定。

(2)通過不同爆破進尺的數值模擬計算發現，從施工方法和材料參數選擇方面考慮，重慶軌道交通十號線中央公園站-中央公園西站區間隧道宜采用0.5 m的爆破進尺進行施工。

(3)爆破振動對中間樁(B、E、H樁)的影響最強烈，實際施工中，應對中間樁基進行加強設計。

(4)自由面的存在會導致其法線方向應力波產生反射疊加效應，使得附近質點在該法線方向的振速增大。

(5)爆破對初期支護影響最大的是Z方向(開挖方向)振速，爆破進尺越大，振動速度越大。