下穿高速公路輸水隧洞爆破振動響應分析*

呂虎波，李 佳，彭亞雄，吳 立

(1.浙江省隧道工程集團有限公司，杭州 310005； 2.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074；3.湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湘潭 411201)

跨區域的輸水工程能夠有效緩解區域內與區域間的缺水狀況，緩解城市水資源缺乏問題。然而，在輸水工程建設中，會與市政交通等線路交錯，導致輸水隧洞下穿鐵路、高速公路、房屋等既有建(構)筑物的工程問題突出，隧洞下穿建(構)筑物施工對結構穩定性與安全性會造成極大威脅[1-3]。

隧道下穿高速公路施工必將引起公路路面沉降和結構變形[4-6]。許有俊等模擬了雙圓盾構隧道下穿高速鐵路路基全過程施工[7]，研究了路基頂面橫向沉降槽形態變化特征。雷亞峰等提出了跟管鉆進結合超長管棚施工方法[8]，有效地控制隧道下穿高速公路變形。羅剛等研究了雙線盾構下穿高速施工導致路面和邊坡失穩機制和路面沉降規律[9]。隧道下穿公路爆破施工時，爆破地震波將造成公路結構振動，導致路面動力沉降、路基邊坡動力失穩等災害[10-12]。舒磊等結合現場監測和數值模擬[13]，研究了引水隧洞爆破誘發既有隧道振動響應特征。葉宇等模擬了不同相對位置條件下隧道下穿高速公路爆破施工[14]，研究了爆破作用下公路擋墻和路基的振動規律。黃智剛在分析隧洞下穿高速公路爆破風險基礎上，提出了精細化輸水隧洞爆破設計方案[15，16]。

針對下穿高速公路輸水隧洞爆破振動危害問題，依托平潭及閩江口輸水工程，以輸水隧洞下穿既有G15高速公路為研究對象，利用現場振動監測和數值模擬，分析高速公路路面振動響應與動應力特征，研究下穿高速公路輸水隧洞爆破振動響應規律。

1 工程概況

1.1 工程簡介

平潭及閩江口輸水工程是福建跨區域的大型水利項目。本工程第4標段為大樟溪～石溪輸水線路工程，包括9條施工支洞和輸水主洞，其中施工支洞累計長度4.1 km，主洞累計長度37.9 km。隧洞沿線主要分布火山巖和侵入巖，裂隙較為發育且連通性差，地下水賦存少、潛水埋深為10～40 m。

輸水隧洞下穿既有G15高速公路施工交叉點坐標(X=2839484.345，Y=428469.359)，交叉位置高速公路路面高程約為49 m，輸水隧洞頂高程約為25 m，隧洞頂板與公路路面的高差約為24 m，下穿段高速軸線與隧洞軸線夾角約為83°，隧洞下穿位置如圖1所示。

圖 1 隧洞下穿高速位置Fig. 1 The position of the tunnel undercrossing high-speed way

1.2 隧洞爆破設計

輸水隧洞于樁號DP4+655至DP4+805位置處，下穿總長度為150 m，該區域內隧洞圍巖等級均為Ⅳ類。隧洞斷面為平底圓形，底寬×高為4.013 m×4.65 m，如圖2所示。下穿高速公路隧洞采取全斷面法開挖爆破，進尺取1 m，炮孔深度取L=1.1 m，炮孔直徑d=38～42 mm，具體爆破參數如表1所示。

表 1 爆破設計參數Table 1 Blasting design parameters

圖 2 隧洞下穿高速爆破設計方案(單位：mm)Fig. 2 Blasting design of the tunnel (unit:mm)

2 爆破振動監測

2.1 監測方案

下穿高速公路輸水隧洞爆破施工不可避免地對既有高速公路結構產生不利影響，為了研究高速公路爆破振動響應特征及其衰減規律，為控制爆破地震波有害效應控制提供依據，開展了現場爆破振動監測。在高速公路應急車道外側路面，沿垂直隧洞軸線方向設置了一條共5個監測點水平測線。從與隧洞軸線位置起，每隔10 m一個測點。

2.2 監測結果及分析

現場爆破振動監測采用TC4850爆破測振儀，設置的采樣頻率為4000 sps，測試時間1.0 s。通過3次爆破共測得15組數據。典型爆破振動曲線和監測數據如圖3～4所示。

圖 3 振動時程曲線Fig. 3 The time vibration history curve

由圖3可以基本分辨出各延期段爆破引起的振動歷程及峰值振速，由于MS1～MS5微差間隔時間較短，爆破振動存在明顯疊加作用。此外，各延期段爆破引起的峰值振速差異較為明顯；由于掏槽眼爆破藥量最大，同時缺少臨空面導致過大夾制作用，MS1段的峰值振速最大。水平徑向、水平切向和垂直方向的振動峰值速度分別為1.742 cm/s、1.996 cm/s、2.505 cm/s，垂直方向的峰值振速最大，爆破振動將對高速公路路面沉降產生較大影響。為進一步分析振動衰減規律，采用Sadovsky公式對實測數據進行非線性擬合[17]，結果如圖4所示。擬合系數r2為0.946，表明擬合具有較好精度，反映了輸水隧洞爆破開挖影響下高速公路路面振動衰減規律。

圖 4 峰值振速擬合曲線Fig. 4 Fitting curve of vibration velocity

圖 5 數值模型示意圖(單位：m)Fig. 5 Numerical model diagram(unit:m)

3 數值模擬分析

3.1 數值模型

為了詳細研究輸水隧洞爆破作用下高速公路路面振動響應特征，采用LS-DYNA建立了下穿高速公路輸水隧洞爆破動力有限元模型[18]。模型材料包括圍巖、炸藥、路面和空氣4個部分，模型尺寸為50 m×60 m×50 m，隧洞拱頂至路面距離取24.0 m，隧洞底部到洞頂的距離為4.6 m，隧洞下方巖石21.4 m，裝藥量共34 kg。采用cm-g-μs單位制。

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型模擬銨梯炸藥，其計算參數如表2所示；*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型模擬圍巖和路面材料，其計算參數如表3所示；*MAT_NULL模型模擬空氣。圍巖和路面使用Lagrange網格，炸藥和空氣使用Euler網格，并利用ALE算法進行耦合。

表 2 炸藥計算參數Table 2 Parameters of explosive

表 3 圍巖和路面計算參數Table 3 Parameters of surrounding rock

3.2 振動速度特征分析

為了分析高速公路路面的爆破振動速度特點和分布規律，沿隧洞軸線方向依次選取掌子面的路面投影點的水平距離為-20 m，-10 m，0 m，10 m，20 m的5個監測點。經計算得到各監測點的振速時程曲線如圖6所示，各方向峰值振速及合速度統計如表4所示。

由圖6和表4可知，在隧洞爆破地震波作用下高速公路路面垂直方向(Z方向)的峰值振速最大，其中掌子面正上方路面合速度達到1.924 cm/s，水平徑向和水平切向的峰值振速基本相同；隨爆心距的增加，高速公路路面的各方向峰值振速及合速度均逐漸減小。

圖 6 振速時程曲線圖Fig. 6 Time history curve of vibration velocity

表 4 各監測點峰值振速Table 4 Peak vibration velocity at each monitoring point

對比隧洞掌子面前后方爆破振速衰減規律，水平距離20 m的監測點合速度為1.526 cm/s，衰減了20.68%，而后方水平距離為20 m的監測點合速度為1.152 cm/s，衰減了40.12%。說明了隧洞爆破開挖過程中，相同爆心距條件下隧洞未開挖上部路面的爆破峰值振速大于已開挖部分。隧洞已開挖部分產生自由面，削弱了爆破地震波傳播，使得隧洞已開挖部分爆破振速衰減更快。因此，隧洞施工過程中應重點關注掌子面前方高速公路路面振動有害效應，做好相應控制措施。

3.3 動應力特征分析

為分析爆破作用下高速公路路面的動應力特點和分布規律，高速公路路面不同時刻的應力云圖如圖7所示；并沿垂直隧洞軸線方向，依次選取距離爆源水平距離為0 m，5 m，10 m，15 m的4個監測點，監測點各方向應力峰值與爆源水平距離關系如圖8所示。

由圖7和圖8可知，炸藥爆炸后，在t=1996.4 μs時，掌子面正上方高速公路路面受爆破振動影響產生較大動應力，隨著時間增加路面各點動應力增大，呈現出隨著爆破振動向外擴展的趨勢。當t=5294.8 μs，振動效應對路面邊界產生了影響，隨后爆破振動繼續向外擴散，路面動應力值逐漸降低。對比分析各監測點動應力峰值特點，在隧洞爆破地震波作用下，高速公路路面各監測點Z方向(垂直方向)動應力峰值均最大，另外X和Y方向動應力峰值均遠小于Z方向。在爆源正上方監測點的應力峰值最大，其x方向應力峰值達到了142.16 kPa，y方向應力峰值達到了584.61 kPa，z方向應力峰值達到了144.13 kPa，且隨著水平距離的增加，監測點各方向的峰值應力不斷減小。隨著水平距離的不斷增大，監測點的爆心距也在不斷增大，所受到爆破振動的影響越小。

圖 7 高速公路路面的應力云圖Fig. 7 Stress diagram of expressway pavement

圖 8 三個方向應力峰值Fig. 8 Stress peak values of three directions

4 結論

采用現場振動測試和數值模擬方法，重點研究了下穿高速公路輸水隧道爆破振動響應特征及衰減規律。主要研究結論如下：

(1)隧道爆破中掏槽眼藥量最大并且缺少臨空面導致過大夾制作用，使得MS1段爆破引起的峰值振速最大。同時引起路面測點垂直方向峰值振速最大，可能導致公路路面產生動力沉降。

(2)相同爆心距條件下隧洞未開挖上部路面的爆破峰值振速大于已開挖部分。隧洞已開挖部分形成了自由面，削弱了爆破振動效應。

(3)隧道爆破作用下上覆高速公路路面垂直方向動應力峰值最大，與實測分析結果一致。爆源正上方應力峰值最大，隨著爆心距增大，爆破振動有害效應減小。