燕尾式隧道小間距段爆破振速預測方法研究

張新波

(中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081)

1 項目背景

燕尾式隧道是近年來發展的新的隧道結構形式，相比分離式隧道設計方案在工程造價上具有極大的技術優勢，普遍應用于我國高速鐵路、公路建設中。針對燕尾式隧道扁平化設計特性，燕尾段施工爆破開挖過程中存在極大的安全風險，且極易造成中巖墻的爆破擾動導致塌方和隧道變形侵限等質量事故。

毛蓬崗隧道位于浙江省杭州市，左線單線起訖里程為DK27+154～DK31+200，總長4 046 m；隧道右線單線起訖里程為YDK27+015～YDK31+143，總長4 128 m；隧道雙線起訖里程為DK31+200～DK32+909，總長1 709 m。單雙線隧道在DK31+200處實現貫通。DK30+855.2(YDK30+800)～DK31+200(YDK31+143)小間距段中隔墻巖柱寬度從5.4 m逐漸變為1.1 m，平面布置如圖1所示。

圖1 燕尾式隧道小間距段平面

毛蓬崗隧道單線單洞采用獨頭掘進方式開挖。施工過程中，左線隧道與雙線大跨段先行貫通。為保證右線隧道爆破開挖對左線隧道和巖柱的影響控制在安全范圍之內，需要對最不利段YDK31+140～YDK31+143(巖柱距離最小凈距為1.1 m)的控爆施工進行安全評估。本次掘進設計采用全斷面爆破，進尺為1 m。掏槽眼裝藥量為最大單段藥量，共布設12個炮孔，孔深2.5 m，其中裝藥長度1 m，堵塞長度1.5 m，單孔裝藥量為1 kg。

2 現階段爆破振動預測方法及其局限性

2.1 爆破振動安全評價因素

在判斷爆破對結構的影響程度時，一般依據測點振動的最大速度和最大加速度。兩者各有側重，速度可以把地震波產生的地應力、結構中產生的內力和動能與所攜帶的能量聯系起來，而加速度能夠與爆破振動產生的慣性力聯系起來，便于進行建筑結構內力分析及換算對建(構)筑物結構產生影響的地震作用。一些專家認為可以將兩者結合起來進行綜合研究[1-2]。

目前，在已有的研究和應用過程中，更多采用振速-頻率雙因素的爆破振動安全判據，我國在《爆破安全規程》中也有詳細介紹。

2.2 振速預測方法

研究認為影響質點振動速度峰值的主要因素有起爆藥量和爆心距，以此確定基本表達式。

式中，K、n、m為待定系數；V為質點振動速度峰值；Q為起爆藥量；R為爆心距。據此許多學者總結出不同形式的具體表達式，然而由于測定的區域具有較大的差異性以及自身監測技術帶有的局限性，不同的表達式只能應用在特定的環境下[3]。

國內工程常運用薩道夫斯基公式(式2)進行回歸分析，此公式是(式1)的一種具體表達形式。其預測方法通常是結合多次實測數據，代入公式進行回歸計算，得出K、α的值，從而得到具體的表達式。然后根據當次爆破最大單段藥量、爆心距，計算出對應的振速值。在沒有實測數據的情況下，只能根據參考范圍和工程經驗選取K、α的取值[4-5]，見表1。

式中，V為質點振動速度峰值，cm/s；Q為與振速V值對應的最大一段起爆藥量，kg；R為測點與爆心的直線距離，m；K、α分別為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

表1 爆區不同巖性的K、α值

然而，薩道夫斯基公式在實際應用中存在著一些局限性。張繼春[6]認為采用薩道夫斯基公式計算出的質點振動速度大于實測值，尤其在爆源近區，計算值要遠大于實測值。高善堂[7]認為在爆源中心的近區和中遠區，振動速度呈不同的衰減規律，計算爆破振速時應分別采用近區和中遠區的K、α值。

2.3 小間距爆破應用薩道夫斯基公式的局限性分析

在毛蓬崗隧道燕尾段，右線隧道與左線隧道的最小間距僅為1.1 m，爆破施工時需要保證中間巖柱的穩定性。對其進行振速預測時，運用傳統的薩道夫斯基公式具有如下局限性:

(1)K、α的取值范圍廣，在合適區間內選取某一數值進行計算，結果精確度仍較低。

(2)公式中將最大單段裝藥量集中成一個藥包或藥柱作為爆源。本次振速預測時，左線隧道巖柱上的測點距離右線隧道內的左排掏槽眼僅為3.6 m，而左排掏槽眼距離右排掏槽眼為4.6 m。同時起爆后，左右排掏槽眼對測點的影響可能具有微差間隔。

(3)爆源周邊臨空面復雜，爆破后應力波在巖柱內發生多次反射，對質點振動有較大的影響，近距離范圍內質點振動未形成明顯的傳播規律。

由于場地條件和測試手段的限制，難以在施工現場詳細觀測和研究復雜的爆破現象。因此，在進行小間距爆破振動預測時，應該改進并完善現有的預測方法。另外，隨著信息化的迅速發展以及各種力學在計算機上的應用，可以利用數值模擬分析現場爆破過程，有助于深入探討和了解爆破振動的傳播規律，從而進行爆破方案設計以及參數優化，很好地指導施工[8]。

3 薩道夫斯基修正公式假設形式

本次小間距爆破振速預測時，在采用原公式表達形式的前提下，對其進行修正。假設在公式中定義一個系數?，根據不同進尺，取0.1～1之間的某一數值，對計算結果進行一定程度地減小，因此薩道夫斯基修正公式的具體表達式為:

4 數值計算

為明確本工程中左線隧道的結構穩定性，以及薩式修正公式中?的具體數值，首先運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行模擬計算，得出左線隧道內監測點的最大振速值。

4.1 構建有限元模型

對中隔墻巖柱寬度為1.1 m的最不利情況進行模擬，建模過程中做以下說明[9-10]:

(1)由于振速峰值與最大單段裝藥量有關，因此只考慮掏槽眼裝藥的影響。另外測點距離爆源較近，需要嚴格按照炮孔位置進行建模，模擬中采用等效面積的方形炮孔。

(2)建立模型時采用cm-g-us單位制，其他物理量單位均由cm-g-us轉換而來。壓力單位為×105MPa，位移單位為×10-2m，速度單位為×106cm/s。

模型建立后，總體尺寸為5 600 cm×2 500 cm×4 000 cm，共劃分40萬個單元。有限元模型及炮孔布置情況如圖2所示。

圖2 有限元模型及炮孔布置示意

4.2 材料參數選取

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態方程來模擬巖石乳化炸藥爆炸過程，圍巖采用PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料。各材料模型主要參數[11-12]見表2～表3。

表2 炸藥參數

表3 圍巖參數

4.3 模擬結果分析

在左線隧道迎爆側與裝藥中心對應的位置，由拱頂至拱底布置6個測點，具體位置如圖3所示。提取所有測點三個方向的振動速度峰值，見表4，其中測點3的振速時程曲線如圖4所示。

圖3 測點布置示意

圖4 測點3各方向振速時程曲線

表4 各測點三個方向的振速峰值

由圖4可知，振速時程曲線出現多個波峰，證明左右排掏槽眼爆破對測點的影響具有明顯間隔，也證明傳統薩式公式中集中炮孔的假設在小間距爆破中具有局限性。由表4可知，各測點X方向振速最大，振速最大區域位于測點3和測點4之間，峰值約為12.7 cm/s。

5 確定修正公式具體形式

本段為Ⅱ級圍巖鉆爆施工，巖性屬堅硬巖石，結合表1，取K＝100、α＝1.4，最大單段藥量為12 kg，爆心距為6 m(巖柱寬度為1.1 m的最不利情況)，代入(式2)，可得V＝25.95 cm/s。結合(式2)進一步確定?取值為0.48。本工程中，薩氏修正公式的具體形式為:

6 安全評價

左線隧道圍巖穩定，在爆破振動校核時，爆破安全允許質點振速V可參照《爆破安全規程》中的交通隧道。中淺孔爆破的主振頻率一般大于50 Hz，因此安全允許振速為15～20 cm/s，此處取保守值15 cm/s。

數值模擬的振速預測值12.7 cm/s，小于安全允許值。因此在毛蓬崗隧道燕尾段，右線爆破施工對左線隧道和中隔墻巖柱的穩定性影響較小。

7 結論及思考

本文概述了現階段爆破振動的預測方法，并指出其在小間距隧道爆破振速預測中的局限性。然后通過數值模擬對原薩氏公式進行修正，并進行現場的安全預評估，得出以下結論:

(1)在進行近距離爆破時，左右排掏槽眼對測點影響有明顯間隔，因此傳統薩道夫斯基公式中將所有炮孔簡化為單一炮孔不適用于近距離爆破。

(2)通過在薩式公式中加入一個進尺修正系數?，可在一定程度上解決小間距振速預測時計算值大于實測值的問題。針對本工程，通過數值模擬得出?的具體數值為0.48，施工過程中由修正公式計算出的振速值可作為一個參考。

(3)在右線隧道的小間距段進行爆破施工時采用1 m進尺，爆破振動對左線隧道和中間巖柱的穩定性影響在安全范圍內。

由于傳統薩氏公式的某些假設在近距離爆破預測時并不適用，而修正公式是在其基礎上改進，因此仍具有一定的局限性。薩氏修正公式在本工程特定的環境下可作為一個參考，用于振速預測或藥量反算，將最大段裝藥量控制在振速允許范圍之內。小間距測振公式從變量的完整性、數據的可靠性、擬合公式的精確性上進行研究將會更加準確。