仰天洞隧道爆破掘進對鄰近引水渠的影響分析*

王佳輝，周晗赟，任科亮，符瞻遠

(1.浙江交工金筑交通建設有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

0 引言

隨著國家交通運輸工程建設的快速發展，長大隧道不斷涌現。新建隧道爆破掘進產生的振動易對鄰近建筑物產生危害[1]，學者們對此進行了大量研究，如石連松等[2]通過對地鐵淺埋隧道爆破振動的監測，發現空洞效應現象，并給出了爆破減振措施；張鵬[3]通過現場監測與數值模擬，研究了隧道爆破振動對上覆高壓鐵塔塔基的影響；楊俊[4]結合理論研究、數值模擬與現場監測，研究了隧道爆破振動對鄰近樓房的影響，給出了減隔振措施；張浩等[5]基于康坂隧道與下方杭深高鐵溫福段東盛隧道之間的位置關系，制定了專項爆破施工方案和監測方案，分析了爆破振動對下方東盛隧道穩定性的影響；趙凱等[6]以南京市地鐵4號線鼓樓站工程為依托，研究了隧道爆破對鄰近文物建筑鼓樓振動響應的影響；白宇輝[7]以長春市地鐵3號線隧道工程為依托，應用LS-DYNA軟件對上部結構振動響應進行了數值模擬分析；張立人等[8]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進行了隧道爆破振動測試分析，得到爆破振動規律經驗公式；郭偉平[9]基于下營隧道工程現場爆破情況、監測數據與爆破振動速度，研究了新建隧道爆破振動對鄰近既有隧道的影響；為避免隧道爆破對環境造成影響，吳躍光[10]通過采取增加雷管段位、延長爆破時間、減少掏槽眼數量和裝藥量、減少同段裝藥量等優化措施，降低爆破振動速度。

仰天洞隧道爆破掘進過程中，需保證隧道附近引水渠的安全，但目前對類似工程的研究較少，為此，采用現場監測與數值模擬相結合的方法，對爆破振動響應進行研究。結合鄰近引水渠振動速度監測結果，通過MIDAS GTS NX軟件模擬得到引水渠振動速度云圖，并據此提出減振措施。對爆破方案合理性進行驗證，為隧道爆破施工提供依據。

1 工程概況

仰天洞隧道為分離式隧道，凈高10.75m，洞口形式為削竹式。隧道所處地段屬浙西中山丘陵區，沿線山峰連綿起伏。左線起訖里程為ZK56+820—ZK58+330，長1 510m。右線起訖里程為K56+831—K58+350，長1 519m。根據現場地質勘察資料，隧址區巖性主要為石英砂巖、砂巖，隧道圍巖長度如表1所示。隧道進口位于引水渠上方，與引水渠水平距離約為37m，距隧道左洞200m處為引水隧洞進口，如圖1所示。

表1 隧道圍巖長度 m

圖1 隧道位置

2 爆破方案設計

以隧道右線Ⅳ級圍巖為例，闡述爆破方案設計。隧道進洞60m后進入Ⅳ級圍巖，采用上下臺階法開挖，由于上臺階最大單孔裝藥量、總裝藥量均大于下臺階，且下臺階爆破時上方已形成臨空面，因此主要監測上臺階爆破振動。為保證施工安全，并控制鄰近引水渠等建(構)筑物振動響應，采取控制裝藥量與爆破時間間隔等措施。

上臺階爆破參數如表2所示，循環進尺約為2m，炮眼布置如圖2所示。為降低爆破振動速度，爆破孔內采用不同段別毫秒導爆雷管延期爆破，爆破孔外采用同段雷管簇連一次性同時起爆。按延時順序設置爆破孔內電子雷管延期時間，其中1，3，5段雷管延期時間均為50ms，7～10段雷管延期時間分別為60，70，80，90ms。

表2 上臺階爆破參數

圖2 炮眼布置

3 爆破振動監測

3.1 監測方案

由于引水渠距仰天洞隧道較近，本文主要監測引水渠振動響應，監測點布置如圖3所示，監測儀器采用L20型智能爆破測振儀，為避免環境因素的干擾，經多次試驗驗證后將觸發電平設為0.1cm/s，考慮上、下臺階分別爆破，將記錄時長設為10s，采樣率設為10 240sps，負延時設為0.25s。

圖3 監測點布置

3.2 監測結果分析

Ⅳ級圍巖第1次爆破1號監測點最大振動速度如表3所示。由表3可知，各方向主振頻率為20～50Hz；各方向最大振動速度均較小，其中切向最大，徑向次之，垂向最小，滿足GB 6722—2014《爆破安全規程》[11]的有關規定，可知爆破振動對引水渠的影響較小，證明了爆破方案合理可行。

表3 1號監測點最大振動速度

1號監測點振動速度時程曲線如圖4所示。由圖4可知，各方向振動速度時程曲線具有多個峰值，且最大振動速度出現時刻不同，掏槽眼爆破時振動速度最大，這是因為巖石夾制作用較大，自由面條件差，需通過控制掏槽眼裝藥量降低振動速度；周邊眼、底板眼由于炮眼數目較多，出現波形疊加現象，但振動速度峰值未明顯增大；底板眼單段總裝藥量雖最大，但振動速度較小，這是由于掏槽眼爆破后形成臨空面，使底板眼爆破形成的爆破波較小。

圖4 1號監測點振動速度時程曲線

3.3 安全允許振動速度預測

采用最大徑向振動速度確定薩道夫斯基公式衰減系數，進而預測其他方向最大振動速度。監測點最大徑向振動速度如表4所示。由表4可知，隨著爆心距的增加，最大徑向振動速度逐漸減小。為提供爆破安全振動速度預測依據，利用表4數據進行擬合，得到引水渠所處地質條件下的薩道夫斯基公式為：

表4 監測點最大徑向振動速度

(1)

式中：V為安全允許振動速度；Q為最大單孔裝藥量；R為安全允許距離。

4 有限元分析

為進一步分析仰天洞隧道爆破振動對引水渠的影響，利用有限元軟件MIDAS GTS NX開展數值模擬研究。

4.1 計算模型與參數

有限元模型寬度、長度分別取350，500m，結合隧道所處地形情況，模型高度取50～150m，如圖5所示，圍巖斷面如圖6所示。圍巖采用基于莫爾-庫侖屈服準則的彈塑性本構模型模擬，彈性和黏性邊界通過地層彈簧直接生成，共劃分約12萬個單元。

圖5 有限元模型

圖6 圍巖斷面

結合地質勘察資料和JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[12]選取隧道物理力學參數，如表5所示。

采用三角形加載方式，爆破荷載上升時間為12ms，總時間為120ms，火藥密度為0.8g/m3，炸藥直徑為32mm，炮眼直徑為42mm，砂巖橫向波速為3 050m/s，按一級掏槽眼6孔、單段總裝藥量8.4kg考慮。

4.2 結果分析

引水渠振動速度云圖如圖7所示。由圖7可知，徑向、垂向、切向最大絕對振動速度分別為0.325，0.303，0.394cm/s，引水渠切向振動響應最顯著，說明切向爆破波的影響最大，徑向爆破波的影響次之，但其引起引水渠徑向振動速度出現2個峰值帶，現場監測時應注意徑向振動速度的變化。

圖7 引水渠振動速度云圖(單位：mm·s-1)

5 結語

1)仰天洞隧道Ⅳ級圍巖爆破對鄰近引水渠振動響應具有一定影響，現場監測與數值模擬結果均表明引水渠切向振動速度最大，說明切向爆破波為主要影響來源。通過采取控制裝藥量與爆破時間間隔等措施后，引水渠各方向最大振動速度均滿足規范限值要求，結構未受到嚴重傷害。

2)徑向、垂向、切向最大振動速度均出現在掏槽眼爆破段位，可通過控制掏槽眼裝藥量減小隧道爆破振動的影響。同時，應設置合理的延期時間，避免一級掏槽眼與二級掏槽眼爆破產生的振動疊加。

3)爆心距越大，最大徑向振動速度越小，利用本文給出的薩道夫斯基公式可預測類似工程地質條件下的安全允許振動速度，以保證結構安全。

4)數值模擬結果與現場監測結果誤差較小，可知本文建立的有限元模型合理，可采用有限元數值模擬進行隧道爆破振動影響分析。