地鐵隧道小凈距下穿地下洞室振速控制研究

陳 沛，吳劍鋒，蒙云琪，張兆龍，李小貝，何 理

(1.中鐵四院集團工程建設有限責任公司，武漢 430063；2.武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室，武漢 430065)

在《交通強國建設綱要》的引領下，我國城市軌道交通迅猛發展，地下交通隧道的建設處于繁忙時期。城市地鐵隧道穿越地下復雜巖層的工程項目屢見不鮮[1-2]，堅硬巖層及破碎軟弱巖層對地鐵隧道掘進帶來不利影響，但制約地鐵隧道施工進度的關鍵因素往往為隧道爆破掘進引發周圍環境構筑物的不利振動[3-4]，譬如地下人防洞室結構、地下淺表城市管線、地表林立的城市建筑等。為有效減弱地鐵隧道爆破對鄰近建筑物的影響，大多可采用數碼電子雷管精確延時控制隧道掌子面的單段藥量[5]，如此能夠有效控制爆破振動效應。數值模擬方法已廣泛應用在交通隧道爆破掘進的振動影響研究中[6-7],研究表明，有限元數值模擬能夠較為貼近的表明隧道掘進爆破對周圍建筑物的影響趨勢與重點危險區域。對于地鐵隧道爆破對鄰近結構的影響研究，吳昊[8]以工程實際經驗為例，介紹了2 m內凈距的地鐵隧道的爆破掘進方案，并以加固支護為主，輔以數值模擬手段取得了較好工程效果。薛憲彬[9]研究了地鐵隧道爆破振動影響下多層砌體結構振動信號的變化規律，汪平等[10]研究了淺埋隧道爆破振動傳播的規律和監測技術。陳桂龍等[11]以工程實際與數值模擬結合，研討了不同影響因素下，地鐵隧道爆破振動對地表建筑群的影響規律，諸如此類的研究較多。然而地鐵隧道小凈距下穿地下人防結構的爆破振動響應研究不夠全面。

針對上述問題，基于武漢市地鐵5號線彭劉楊站～司門口站區間隧道下穿武漢市人防工程爆破施工項目，最近距離僅4.2 m，首先利用ANSYS-Lsdyna動力有限元軟件建立高精度毫秒延時掏槽起爆模型，探究距離人防工程小凈距下地鐵隧道掏槽孔起爆的最佳延時時間。通過在鄰近人防洞室布設爆破振動監測點進行跟蹤監測，并精確控制起爆網路的起爆時序和最大單段藥量進行施工現場試驗。而將數值模擬與實測數據結果進行對比分析，驗證有限元方法的有效性。最后總結得出堅硬巖石鄰近地下人防洞室小凈距爆破開挖的最佳爆破參數與數碼雷管網路延時時間設置參數。

1 工程項目概況

1.1 工程背景

武漢地鐵5號線彭劉楊站～司門口站區間左右線隧道分別開挖，區間左、右線間距為15～19 m(凈距7.8～11.8 m)，雙線隧道設計軌面高程右線10.96～10.31 m，左線10.99～10.31 m，隧道開挖直徑7.1 m。

開挖隧道區間在蛇山景區處下穿既有防空洞和繁忙的京廣鐵路。區間隧道頂部與此處防空洞間距約為4.2 m，距離京廣鐵路26.3 m，與黃鶴樓主樓底層地坪垂直高差約42.1 m，水平距離約74.65 m；與圣像寶塔地坪垂直高差約35.25 m，水平距離約33.22 m。爆破施工時，控制爆破振動，減少對既有人防工程和黃鶴樓景區運營的影響為爆破振動控制的重點。地鐵暗挖隧道與周圍建筑結構相對位置及與人防結構高程相對位置如圖1、圖2所示。

注：1-圣像寶塔；2-人防洞室；3-黃鶴樓；4-左線隧道；5-右線隧道。圖1 地鐵隧道與周圍建筑結構相對位置Fig.1 Relative position between the metro and surrounding building structures

圖2 地鐵隧道與人防結構高程相對位置Fig.2 Relative position of elevation between the metro tunnel and civil air defense structures

1.2 爆破設計及振動監測方案

地鐵5號線彭劉楊站～司門口站區間下穿蛇山人防及京廣鐵路段全部位于強風化石英砂巖及中風化石英砂巖層中，隧道圍巖分級為II、III級，圍巖強度較高。下穿人防工程區段隧道采用上下臺階法爆破開挖，盡量拉開同時爆破的工作面距離，減小爆破振動的疊加，上下臺階距離5～10 m間隔開挖。左、右線隧道典型爆破斷面為直徑7.1 m。上臺階采用楔形掏槽方式，嚴格按設計開挖輪廓線布置周邊孔及輔助孔，爆破采用2#巖石乳化炸藥，起爆網路采用電子數碼雷管組網；下臺階采用水平結合垂直鉆孔方式來控制爆破振動，以減小爆破振動疊加的可能。上下臺階炮孔布置如圖3所示。

注：序號1～13為起爆順序。圖3 上下臺階炮孔Fig.3 Blast hole of upper and lower bench

在按照設計爆破方案實施爆破作業時，對鄰近人防工程洞室設置移動爆破振動監測點，爆破振動監測點跟隨每次隧道掌子面移動而移動，同一位置設置2臺儀器，避免偶然故障發生。監測點放置位置選取在人防洞室靠近地鐵隧道一側堅硬地面處，隧道掘進過程人防洞室監測點布置如圖4所示。根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)中規定交通隧道，采用保護對象所在地質點峰值振動速度，其振動最大允許值為10～20 cm/s。項目實施過程中因人防工程與新建隧道凈距僅為4.2 m，且人防工程結構堅固，抗沖擊能力較強，截面小，故選取安全振動控制值為20 cm/s，經過爆破參數優化及選用適宜的數碼電子雷管網路延時時間，隧道爆破振動對人防洞室振動影響大大降低。

圖4 人防洞室監測點布置Fig.4 Layout of monitoring points in civil air defense cavern

爆破施工過程中，研究振動監測數據時發現，引起人防洞室結構振動的主要振源是由掏槽孔爆破所致，因此研究如何減弱掏槽孔炸藥爆炸引起的振動是降低地鐵5號線隧道爆破振動危害的關鍵。

2 質點峰值振動速度衰減規律

對于爆破應力波對中、遠區的振動破壞效應，利用薩道夫斯基公式計算所得出的振動速度分布與實測振動數據分布存在一定誤差[12]，因此許多學者對爆破引起的質點峰值振動速度衰減公式做了進一步改進[13]。

對于柱狀裝藥，在C-J爆轟條件下，炸藥爆炸的平均爆轟壓力表示為

(1)

式中：pe為炸藥平均爆轟壓力；ρe為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度；γ為炸藥的等熵指數。

假設爆生氣體為多方氣體，則其狀態方程為

(2)

式中：p為某一狀態下的爆生氣體壓力；ρa為某一狀態下爆生氣體的密度；A為常數；ν0為爆生氣體的等熵指數。

當p≥pk時，取ν0=γ=3.0；當p

對于耦合裝藥條件，有p0=pe；對于不耦合裝藥條件，如果裝藥時的不耦合系數b/a值較小(a為裝藥直徑)，則爆生氣體的膨脹只經過p>pk一個狀態，則此時由式(2)得到炮孔初始平均壓力p0為

(3)

如果裝藥的不耦合系數值較大，此時爆生氣體的膨脹需經歷p≥pk及p

(4)

把式(3)或者式(4)代入炮孔壁上質點峰值振動速度公式：u0=p0/ρcp中去，則可得到不耦合裝藥條件下炮孔壁上的質點峰值振動速度u0。

在多孔同時起爆的條件下，質點峰值振動速度公式可反應諸如炸藥種類、炸藥特性、鉆孔孔徑、裝藥結構及巖石性能參數等因素對質點峰值振動速度的影響，其修正公式為

(5)

式中：k′為多孔同時起爆條件下的修正系數，主要與同時起爆的炮孔個數、振速測算點與同時起爆炮孔連線的相對位置等參數有關。

3 數值模型的建立

3.1 材料模型及載荷輸入

基于動力有限元ANSYS-Lsdyna平臺進行數值模擬分析，對于人防洞室和隧道周圍巖石均采用HJC材料模型，該材料模型能夠比較好的模擬巖石及混凝土材料在高應變率下的大變形相關問題，對于巖石在高速碰撞下的力學行為相關問題上表現較好[14]。該材料模型通常適用于Lagrange算法及Euler算法中。HJC僅有材料模型，無狀態方程，主要包括狀態方程、屈服面方程以及演化方程3個方程[15]。HJC材料模型的方程形式以及各項材料參數含義在此不多贅敘(見表1)。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

模型中爆破荷載的加載方式以炮孔壁面施加沖擊荷載的方式實現，將炮孔內部炸藥爆炸的壓力時程曲線簡化為三角形荷載。為研究掏槽孔延時爆破的振動效應，根據設計方案，選取掏槽孔施加爆破沖擊荷載的順序如圖5所示，圖中數字1～5代表掏槽孔荷載施加順序。

圖5 掏槽孔施加荷載順序Fig.5 Loading sequence of cut hole

3.2 隧道毫秒延時掏槽有限元模型

炸藥在巖體中爆破是一個非常復雜的力學過程，由于炸藥在炮孔內部爆炸的機制難以被現在的有限元數值方法模擬，尤其是炮孔內部炸藥爆轟、爆轟波及爆生氣體將巖石粉碎進而發展到激發彈性地震波這一復雜的過程，因此需要一種等效模擬辦法。地鐵隧道毫秒延時掏槽有限元模型是采用等效彈性邊界的模擬方法[16-17]，炮孔周圍的巖體根據破壞程度可分為 3類：粉碎區、破碎區、彈性振動區，將整個非彈性區作為爆源，在掏槽孔群孔起爆時的等效邊界即為各孔各自所形成的破碎區的包絡線。則在模擬時，將隨時間變化的壓強荷載施加在掏槽孔非彈性區形成的包絡線的面上(見圖6)。

圖6 隧道毫秒延時掏槽有限元模型Fig.6 Finite element model of millisecond delay cutting in metro tunnel

根據人防洞室與新建地鐵隧道的相對位置關系建立精細化數值模型，掏槽孔等效邊界范圍近似取r=10r0(r0為實際炮孔半徑)，計算區域為30 m×28 m×3.6 m，為防止模型邊界反射應力波，巖體外包面均采用非反射邊界條件設置。等效邊界爆破荷載施加在掏槽孔等效彈性邊界面上，沖擊荷載壓力峰值為56 MPa，載荷上升時間為0.7 ms，持續時間為8.0 ms。根據圖5中掏槽孔延時起爆的順序，設置各個掏槽孔群的等效彈性邊界，利用*DEFINE_ELEMENT_DEATH_SOLID_SET關鍵字實現等效彈性邊界內單元。計算模型單元總數為203 970個，具體三維有限元模型如圖6所示。

4 結果對比分析

為初步驗證所建立的有限元數值模型對人防洞室結構振動規律的有效性，將現場振動監測數據和與之對應工況的數值模擬結果進行對比，所參照的掏槽孔的延時時間設置為：圖5中所示掏槽序號，1所示主掏槽與2所示一級掏槽間隔時間t1=150 ms，2所示一級掏槽孔與3所示一級掏槽間隔時間t2=10 ms，3所示一級掏槽與4所示二級掏槽間隔時間t1=150 ms，4所示二級掏槽與5所示二級掏槽間隔時間t2=10 ms。選取人防洞室靠近新建隧道一側洞室底角的振動監測數據與數值模擬x方向上振動速度時程曲線(見圖7)可知，兩者數據曲線分布規律接近，峰值大小接近，表明所建立的有限元數值模型能夠較真實地反映地鐵5號線隧道掘進掏槽爆破對人防結構影響的振動特性。

圖7 人防洞室振動時程Fig.7 Vibration time history of civil air defense cavern

為了探尋對人防洞室振動影響最小情況下的最佳掏槽延時時間，設置了11種模擬工況(見表2)，得到數值模擬結果產生的峰值振速分布情況如圖8所示。由結果分析可知，隨著不同掏槽起爆延時時間以及同一級掏槽起爆延時時間的增加，掏槽孔對人防洞室所造成的振動是呈減小趨勢，且隨著延時時間的增加，人防結構振動速度逐漸趨于平穩，變化不大?？紤]到爆炸沖擊波在近處傳播，延時時間較長時，爆炸沖擊波基本不疊加，相當于單個沖擊波對人防洞室作用，再增加延時時間意義不大。由圖8中可知，在地鐵5號線工程背景下的不同級別掏槽起爆適宜延時時間為10 ms，同一級別掏槽起爆適宜延時時間為6 ms。

表2 不同延時時間下的人防結構振動值Table 2 Vibration value of civil air defense structure under different delay time

圖8 數值模擬峰值振速分布情況Fig.8 Distribution of peak velocity by numerical simulation

在地鐵5號線的爆破掘進項目中，根據數值模擬結果得出的各級掏槽最佳延時時間的結果開展爆破施工，實際裝藥參數根據現場斷面情況不同而進行調整，得到地鐵5號線隧道爆破對鄰近人防洞室振動監測數據如表3所示。根據表3所示結果可知，在地鐵5號線工程地質條件下，數碼電子雷管組網參數采取上文所述最佳延時時間的前提下，合理的最大單段起爆藥量為0.6 kg。在采取該單段藥量，人防結構振動速度最低為12.76 cm/s，在施工過程中保障了相鄰人防洞室的安全。

表3 人防振速監測Table 3 Monitoring of civil air defense vibration velocity

5 結論

1)采用等效彈性邊界載荷加載的有限元數值模擬方法，模擬復雜環境下地鐵隧道掏槽爆破振動是合理的，能夠較好地模擬爆破振動對小凈距下的人防洞室的振動規律。

2)通過數值模擬方法和工程實踐結果可以得出，在武漢地鐵5號線工程背景下，對掏槽孔而言，隧道不同級別掏槽起爆適宜延時時間為10 ms，同一級別掏槽起爆適宜延時時間為6 ms。

3)經5號線工程實踐總結，在隧道圍巖分級為II、III級情況下，采用數碼電子雷管起爆網路，在地鐵隧道與鄰近人防洞室僅相距4.2 m的小凈距隧道爆破適宜最大單段掏槽藥量為0.6 kg，可為類似小凈距隧道爆破提供借鑒和參考。