隧道爆破開挖作用下洞口高邊坡的動力響應

曹淑學

（深圳市光明新區建筑工務局，廣東深圳 518107）

鉆爆法是山嶺隧道常用的施工方法，爆破施工在洞口周邊圍巖中產生的應力波、爆轟氣體壓力［1-2］使得洞口邊仰坡產生振動，不利于其穩定性。

關于隧道與邊坡動力作用相互影響的研究多集中在地震荷載下洞口邊仰坡的穩定性問題。吳冬等［3］進行了隧道洞口段大型振動臺模型試驗，指出隧道洞口段仰坡水平向動力響應受隧道影響較小，可簡化為自然邊坡進行分析。陳永明等［4］采用離散元數值模擬技術研究了地震作用下隧道節理巖質邊坡的失穩機理，并求出了該邊坡的安全系數。房軍等［5］分析了寶蘭客運專線黃土隧道洞口段邊坡進洞高程對洞口段動力響應的影響，指出在洞口段0～20 m內坡-隧系統相互影響，隧道襯砌結構受力較為復雜。

相比之下，針對普通邊坡動力穩定性的研究成果較多。高文學等［6］建立爆破荷載作用下路塹邊坡動力響應有限元模型，研究了下臺階爆破開挖對上臺階邊坡穩定性的影響，發現采用緩沖爆破技術可有效控制路塹邊坡的穩定性。閆孔明等［7］通過離心機振動臺模型試驗研究了含軟弱夾層斜坡場地的動力響應特性，試驗結果顯示斜坡效應對場地中軟弱夾層內的動力響應存在影響，場地軟弱夾層內的加速度放大更為明顯。陳訓龍等［8］運用Wilson?θ法和MATLAB/Simulink工具建立了順層巖質邊坡地震響應簡化計算方法，并提出采用整體最小平均可靠度來評價邊坡的地震整體可靠性。

綜上所述，以往研究成果多集中于地震荷載下隧道與洞口邊仰坡的相互作用或者邊坡自身的動力穩定問題，而對隧道鉆爆施工引起的洞口邊仰坡動力穩定問題涉及甚少。對于洞口多級高邊坡，邊坡振動傳播規律、邊坡穩定性及安全性等問題均有待研究。本文以惠州四環路西坑東隧道洞口段為工程背景，研究隧道鉆爆施工對洞口多級邊坡振動特性的影響。

1 工程背景

惠州市四環路南段（仲愷大道—惠南大道）道路工程中西坑隧道采用雙連拱曲中墻隧道形式。隧道東洞口為采石場碎石及廢料堆積區，填土厚度大、高度高，從隧道通過山脊頂部一直貫穿到隧道洞口的底部。填土呈松散狀，極不穩定，易滑動。隧道洞口右側緊鄰（距離約20 m）采石場開挖所形成的邊坡，邊坡坡角約85o，巖體節理、裂隙發育，巖石較破碎，極不穩定。本文以隧道東洞口段及洞口邊坡為研究對象。

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型（圖1），粉質黏土及全風化粉砂巖采用DP模型，微風化凝灰質砂巖采用彈性模型。模型左右兩側邊各取3～5倍隧道最大單邊尺寸可有效消除邊界效應［9］，因此本模型隧道左右側墻距離隧道側邊各5倍開挖寬度，模型總長273.5 m，寬396.0 m。模型頂部取至路塹邊坡最高處，模型底部距離隧道拱底40.0 m，為隧道開挖高度（12.1 m）的3.3倍。地層物理力學參數見表1。為了避免波動在模型邊界的反射對求解域的影響，在模型底部、前后、左右側邊邊界施加無反射邊界來模擬地層的半無限性。

圖1 隧道-邊仰坡有限元模型

巖土層粉質黏土全風化粉砂巖微風化凝灰質砂巖密度/(kg·m-3)1 800 1 800 2 800彈性模量/MPa 500 1 000 18 000泊松比0.35 0.30 0.25黏聚力/kPa 24 12內摩擦角/(°)19 18

2.2 爆破荷載

主隧道采用單側壁導坑法配合臺階法開挖，中導洞采取全斷面施工。圍巖開挖采用短進尺，每天2個循環，每循環進尺1.6 m。炮眼分布如圖2所示。其中，掏槽眼、周邊眼、輔助眼、底板眼孔徑分別為32，25，32，32 mm；深度分別為1.88，1.78，1.78，1.78 m；裝藥量分別為1.173，0.280，0.980，0.980 kg。

圖2 掘進面炮眼布置示意

根據圖2統計得出，每循環進尺主隧道上臺階、下臺階、側導洞、中導洞總裝藥量分別為87.54，70.81，57.91，51.11 kg。

計算采用顯式動力分析程序LS?DYNA。該軟件中特有的*LOAD_BLAST關鍵字將Conwep空氣荷載計算程序編入DYNA計算程序，按照距離、入射角等條件計算荷載到達結構表面的時間、反射超壓、沖量等空氣荷載爆炸參數，同時還可以考慮接觸與非接觸爆炸等情況，成為研究結構在爆炸荷載作用下動力響應問題的理想工具。

*LOAD_BLAST關鍵字中的爆炸荷載計算式為

式中：P（t）為爆破壓力；Pref為反射壓力；θ為爆炸入射角；Pin為入射壓力；Pr0為反射超壓峰值；t為爆破時間；t0為正壓作用時間；a為反射壓力衰減系數；b為入射壓力衰減系數；Ps0為入射超壓峰值。

*LOAD_BLAST關鍵字需指定爆炸荷載的TNT當量以及起爆點位置坐標，據相關試驗測定［10］，單位質量2號巖石乳化炸藥的等效TNT質量為0.933 kg。

隧道分段爆破時，首段爆破僅在一個臨空面的條件下展開。首段爆破為后續爆破創造了更多的臨空面，因此與后續爆破相比，其能量損耗小，炸藥單耗大，首段爆破對圍巖的振動影響也最大。研究表明，掏槽孔引起的周圍巖體介質振動速度最大，隨著后續段數炸藥起爆，振動速度依次減小；周邊孔起爆藥量雖大，但由于自由面較多，其產生的振動速度要小于掏槽孔。因此文中計算每個開挖斷面采用一次齊發裝藥爆破，是一種高效且偏安全的處理辦法。并且就隧道開挖斷面與整個模型的體量對比來看，采用上述簡化處理對邊坡的動力響應影響較小。

2.3 計算工況

單側壁導坑法配合臺階法施工過程中，隧道開挖斷面較多，工序復雜，每道工序對高邊坡振動的影響不同。依照爆破設計，研究中導洞（工況1）→側導洞（工況2）→上臺階（工況3）→下臺階（工況4）依次起爆對高邊坡振動特性的影響，不同開挖斷面起爆點位置取其幾何中心。

起爆后爆破荷載在極短的時間內即可達到峰值，然后迅速衰減。現有爆破作用對隧道襯砌影響的研究［11］表明總計算時間取200 ms已經足夠。本文的研究重點在于洞口邊坡的響應，因其距起爆中心較遠，考慮到爆破地震波在圍巖中的傳播，各計算工況的持續時間均取為2 s。

3 計算結果分析

3.1 邊坡質點振動速度時程分析

以工況1為例，取中導洞上方拱頂、坡面以及地層中部位置測點進行研究。考慮到坡面具有較大斜度，所有方向的振動均對坡面具有影響，故此處取速度矢量和為研究對象，所得質點振動速度時程及峰值分布見圖3。

圖3 中導洞上方地層質點振動速度

由圖3可知：起爆開始后，拱頂及地層振動速度迅速上升，均在0.01 s內到達峰值，隨后快速下降。相對而言，由于爆破地震波在地層中傳播的時效性，坡面振動速度峰值明顯滯后，在0.19 s時峰值出現。拱頂與地層處波形基本一致，出現雙峰值特性，而坡面處呈現單峰值形態。這是由于隧道處于全風化粉砂巖中，而坡面為粉質黏土，地層特性相差較大，波動在地層交界處出現折射與反射，使得波形有明顯變化。中導洞拱頂、地層、坡面處振動速度峰值分別為28.810，3.238，0.383 cm/s，振動速度自下而上衰減十分迅速。這是因為上方地層為粉質黏土，地層較為松散，彈性模量低，材料阻尼較大，波動在傳播過程中被迅速吸收。

分別選取隧道洞口仰坡、洞口右側邊坡、路塹邊坡3處邊坡上典型測點，對其質點振動速度進行定量分析。工況1邊坡質點振動時程曲線見圖4。

圖4 中導洞起爆時邊坡質點振動時程

由圖4可知：爆破發生后，距離起爆點較近的洞口仰坡監測點速度迅速增大至峰值，隨后逐漸減小；而距離起爆點較遠的洞口右側邊坡測點以及最遠的路塹邊坡測點速度峰值出現的時間依次滯后。以Ⅰ測點為例，仰坡、洞口右側邊坡、路塹邊坡監測點速度達到峰值的時間分別0.12，0.39，0.56 s。

由于路塹邊坡距離起爆點最遠，振動衰減使得其Ⅰ、Ⅱ兩級邊坡速度振動峰值相近。相對而言，仰坡及洞口右側邊坡上Ⅰ測點振動幅值明顯最大。仰坡、洞口右側邊坡、路塹邊坡最低處振動速度峰值分別為1.528，0.718，0.228 cm/s。距離越遠，振動衰減越迅速。

3.2 邊坡質點振動速度峰值分析

不同工況下邊仰坡不同位置處質點振動速度峰值見圖5。

圖5 邊坡質點振動速度峰值

由圖5可知，不同工況均顯示洞口處邊坡質點振動峰值最大，隨著遠離隧道洞口均呈現近似指數衰減，其中洞口仰坡各測點的峰值顯著高于洞口右側邊坡與路塹邊坡。仰坡坡面測點振動速度峰值依次為工況 3（3.948 cm/s）＞工況 4（2.535 cm/s）＞工況 1（1.528 cm/s）＞工況2（1.366 cm/s）。由此可見，隧道起爆裝藥量是影響邊坡振動的關鍵。工況3開挖斷面最大，裝藥量最多（81.67 kg），仰坡坡面測點振動速度峰值最大。而對于工況1及工況2，其開挖面積及裝藥量均相近，故坡面質點振動速度相近。又由于仰坡坡面測點位于隧道中部，更鄰近中導洞，故出現工況1測點振動速度峰值略大于工況2的情形。

巖土地層中爆破振動傳播頻率一般小于10 Hz。依照GB 6722—2014《爆破安全規程》，永久性巖石高邊坡安全允許質點振動速度應小于5 cm/s。故本工程洞口高邊坡在隧道鉆爆施工條件下是安全的。

4 結論

1）中導洞斷面起爆后，拱頂及上方地層處質點振動速度迅速上升，均在0.01 s內達到峰值。由于爆破地震波傳播的時效性，頂部坡面處峰值在0.19 s時出現。由于坡面與隧道所處地層相差較大，爆破地震波在隧道附近呈現雙峰值形態，而在坡面處為單峰值，且由拱頂處的28.810 cm/s峰值振動速度迅速降至坡面處的0.383 cm/s。

2）中導洞斷面起爆后，距離起爆點位置較遠的洞口右側邊坡測點以及最遠的路塹邊坡測點速度峰值出現的時間依次滯后。以Ⅰ測點為例，邊仰坡、洞口右側邊坡、路塹邊坡監測點速度達到峰值的時間分別0.12，0.39，0.56 s，振動速度峰值分別為 1.528，0.718，0.228 cm/s。距離越遠，振動衰減越迅速。

3）仰坡坡面測點振動速度峰值依次為上臺階起爆＞下臺階起爆＞中導洞起爆＞側導洞起爆，由此可見隧道起爆裝藥量是影響邊坡振動的關鍵。據規范故本工程洞口高邊坡在隧道鉆爆施工條件下是安全的。