淺埋地鐵隧道爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律及預(yù)測(cè)

汪 平，吉 凌

(1.中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100070；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074)

隨著城市的快速發(fā)展以及人口的增加，地鐵隧道的建設(shè)日益增多[1-3]。城市地鐵隧道一般屬于淺埋隧道，當(dāng)處于巖石地層時(shí)多采用爆破開挖方式，在施工中不可避免地要產(chǎn)生爆破地震效應(yīng)[4-5]。當(dāng)?shù)乇碚駝?dòng)效應(yīng)較大時(shí)，會(huì)對(duì)建(構(gòu))筑物造成巨大影響。因此，分析、預(yù)測(cè)隧道爆破開挖作用下地表振動(dòng)特征是淺埋地鐵隧道進(jìn)行安全爆破施工的前提[6-8]。

目前，關(guān)于淺埋隧道爆破開挖作用下地表振動(dòng)響應(yīng)特征已有相關(guān)學(xué)者作了大量研究。高文學(xué)等[7]研究表明淺埋隧道爆破開挖振動(dòng)波傳播規(guī)律與其斷面尺寸、隧道埋深、開挖方法以及圍巖地質(zhì)條件等有關(guān)。李勝林等[9]結(jié)合地表振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)以及理論回歸分析結(jié)果預(yù)測(cè)了淺埋地表隧道爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律。高照帥等[10]通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，研究了城市淺埋地鐵隧道掘進(jìn)掌子面前后相同距離處地表爆破振動(dòng)特性。張繼春等[11]發(fā)現(xiàn)在淺埋隧道爆破開挖過程中，沿隧道軸向己開挖區(qū)的地表振動(dòng)速度要大于相同爆心距下未開挖區(qū)的地表振動(dòng)速度，提出了“空洞效應(yīng)”現(xiàn)象。隨后，楊云凌[12]、喻軍等[13]、宋杰[14]研究也證實(shí)了該現(xiàn)象，并分析了隧道爆破開挖作用下的地表振動(dòng)特性。

筆者依托武漢地鐵八號(hào)線洪山站～小洪山站區(qū)間隧道開挖工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了地鐵隧道爆破作用下地表爆破振動(dòng)特征以及傳播規(guī)律，并對(duì)比了已開挖區(qū)域與未開挖區(qū)域的地表爆破振動(dòng)特點(diǎn)，以便為隧道爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)與安全控制提供依據(jù)。

1 工程概況

武漢地鐵八號(hào)線洪山站～小洪山站區(qū)間為雙線隧道，需爆破開挖區(qū)段的圍巖為Ⅲ級(jí)微風(fēng)化灰?guī)r，隧道全長(zhǎng)326.158 m。隧道斷面形狀為曲墻仰拱形，跨度與高度分別為20.4 m與11.8 m。區(qū)段地形變化不大，地面高程為24～38 m。上覆土層自上而下依次為：雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏土夾碎石、黏土、中風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化灰?guī)r等巖層，基巖埋深11.4～45.0 m不等。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、淺孔光面爆破開挖。為保持穩(wěn)定、減小一次爆破規(guī)模，隧道共分9部分順序開挖施工。隧道斷面形狀、尺寸及施工順序如圖1所示。

注：1～9為隧道開挖順序，10為導(dǎo)坑側(cè)壁。

采用對(duì)稱直孔掏槽布孔方法，掏槽孔間距為400～700 mm，周邊孔按光面爆破方式進(jìn)行布孔，間距400 mm，光爆層厚500 mm，炮孔直徑40 mm，斷面炮孔布置如圖2所示。采用2#巖石乳化炸藥爆破，藥卷直徑φ32 mm，采用非電導(dǎo)爆管延時(shí)毫秒雷管起爆，具體爆破參數(shù)如表1所示。

圖2 斷面炮孔布置

表1 隧道爆破參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

根據(jù)項(xiàng)目開挖工況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立隧道爆破開挖模型。由于仰拱的開挖位置距離需要監(jiān)測(cè)的開挖面較遠(yuǎn)，故可在模型中將仰拱開挖假定為暫未開挖。利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)地層及開挖隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道開挖輪廓尺寸為寬20.4 m，高11.8 m。因?yàn)榈叵马鲜议_挖后圍巖應(yīng)力重分布范圍為3倍硐徑，所以模型自隧道外側(cè)向外取61.2 m，向下取40.3 m。為方便建模對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，隧道模型沿開挖設(shè)置為軸向60 m，垂向70 m，徑向140 m(見圖3)。模型的頂面(即地面)為自由面，其余5個(gè)面設(shè)置為非反射邊界。

注：1-素填土；2-黏土層；3-中風(fēng)化灰?guī)r；4-開挖斷面。

2.2 材料參數(shù)

在該模型中雜填土、黏土材料使用改進(jìn)的Drucker-Prager屈服面，使表面的形狀能夠被扭曲成更真實(shí)的土壤定義，中風(fēng)化灰?guī)r采用隨動(dòng)硬化模型[15-16]。巖、土體的物理力學(xué)參數(shù)分別如表2與表3所示。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3 土體物理力學(xué)參數(shù)

由于隧道爆破開挖時(shí)，同段起爆的炮孔中掏槽孔裝藥量最大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅模擬了掏槽孔爆破。炸藥模型通過關(guān)鍵字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN進(jìn)行定義，并通過關(guān)鍵字*EOS_JWL模擬炸藥爆轟壓力，起爆點(diǎn)設(shè)置為炸藥底部。炸藥參數(shù)如表4所示。

表4 炸藥參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 振速波形特征

選取掌子面正上方振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振速波形(見圖4)進(jìn)行分析，可知x(隧道徑向)、y(隧道垂直)、z(隧道軸向)方向的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間基本相同約為0.4 s，振動(dòng)速度均在0.15 s左右達(dá)到峰值。3個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度垂直方向最大。這是由于隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，x、z方向傳播途中有臨空面，使得垂直向振速最大。

圖4 各方向峰值振速波形

3.2 振速傳播規(guī)律

1)隧道徑向地表振速預(yù)測(cè)。由地表沿隧道徑向爆破振動(dòng)速度分布規(guī)律(見圖5)可以看出，地表振動(dòng)速度在隧道徑向左右兩側(cè)差別較小，基本成對(duì)稱分布。隨著距掌子面距離的增加，掌子面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度都呈現(xiàn)衰減的規(guī)律，同時(shí)由于隧道上臺(tái)階右側(cè)區(qū)域(見圖1中數(shù)字“4”所在區(qū)域)為未開挖區(qū)域，而隧道上臺(tái)階左側(cè)(見圖1中數(shù)字“1”所在區(qū)域)存在臨空面，故在距離掌子面相同距離情況下，隧道徑向已開挖區(qū)域地表振動(dòng)速度峰值大于隧道徑向未開挖區(qū)域地表振動(dòng)速度峰值。

薩道夫斯基公式表示了測(cè)點(diǎn)振速與測(cè)點(diǎn)距離，最大單段藥量以及爆區(qū)場(chǎng)地的關(guān)系，基于此關(guān)系可回歸分析出隧道徑向左側(cè)和右側(cè)方向測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律，分別如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Q為最大單段藥量，kg；r為測(cè)點(diǎn)與爆破位置水平距離，m;PPV為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，m/s。

注：與掌子面距離正、負(fù)分別表示掌子面前方(未開挖區(qū)域)、掌子面后方(已開挖區(qū)域)，下同。

2)隧道軸向地表振速預(yù)測(cè)。由地表質(zhì)點(diǎn)沿隧道開挖軸向振動(dòng)分布規(guī)律(見圖6)可以看出，地表振動(dòng)速度最大可以達(dá)到3.36 cm/s，掌子面前方(未開挖區(qū)域)地表振動(dòng)速度隨著與掌子面距離的增加不斷衰減，掌子面后方(已開挖區(qū)域)0～10.33 m范圍內(nèi)，地表振動(dòng)速度隨著與掌子面的距離增加而減小，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與掌子面水平距離大于10.33 m時(shí)，地表振動(dòng)速度呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。掌子面后方，大斷面左側(cè)為已開挖區(qū)域，開挖區(qū)域形成的空腔上表面為應(yīng)力波的反射提供良好的自由面，入射波和反射波在地表的疊加使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)與掌子面水平距離大于10.33 m后，約0.6～0.7倍洞徑之間，地表振動(dòng)速度產(chǎn)生增大的現(xiàn)象，此時(shí)已開挖區(qū)域?qū)Φ乇碚駝?dòng)存在放大效應(yīng)(空洞效應(yīng))。為了分析出隧道軸向未開挖巖體方向測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律，擬合薩道夫斯基公式如式(3)所示：

(3)

圖6 掌子面上方隧道軸向的地表質(zhì)點(diǎn)振速分布規(guī)律

4 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

為研究淺埋隧道爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行5次爆破振動(dòng)測(cè)試，每次爆破測(cè)試在隧道掌子面上方沿開挖軸線方向共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m。第1個(gè)測(cè)點(diǎn)位于掌子面正上方，其余點(diǎn)沿隧道開挖掌子面兩側(cè)均勻分布，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

將每次爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果平均值作為各位置爆破振動(dòng)速度，提取與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型上節(jié)點(diǎn)各方向峰值振速(見表5)可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)各方向振速最大誤差為18.2%，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的可靠性。從表5可以看出，y方向峰值振動(dòng)速度大于x和z方向峰值振動(dòng)速度，y方向爆破振動(dòng)速度對(duì)地表爆破地震效應(yīng)起主導(dǎo)作用。提取隧道掌子面正上方1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形與模擬波形(見圖8)可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)振動(dòng)峰值速度大小接近、波形時(shí)間大致相同。

表5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果

圖8 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)y方向振動(dòng)波形對(duì)比

5 結(jié)論

1)對(duì)淺埋地鐵隧道掌子面上方的地表進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并用數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

2)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)x(隧道徑向)、y(隧道垂直方向)、z(隧道軸向)三矢量方向的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間基本相同約為0.4 s，振動(dòng)速度均在0.15 s左右達(dá)到峰值振速。地鐵隧道爆破開挖作用下地表3個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為垂直方向最大。

3)沿隧道徑向方向，隨著距掌子面距離的增加，掌子面正上方左、右兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度都呈現(xiàn)衰減的規(guī)律。在距離掌子面相同距離情況下由于存在臨空面，隧道徑向已開挖區(qū)域地表的峰值振動(dòng)速度大于隧道徑向未開挖區(qū)域地表的峰值振動(dòng)速度。

4)沿隧道軸向方向，當(dāng)?shù)乇肀O(jiān)測(cè)點(diǎn)與掌子面水平距離約0.6～0.7倍洞徑后，掌子面上方沿隧道軸向方向地表振動(dòng)速度產(chǎn)生增大的現(xiàn)象，此時(shí)已開挖區(qū)域?qū)Φ乇碚駝?dòng)存在放大效應(yīng)(空洞效應(yīng))。