小凈距隧道爆破振動及結構響應數值模擬分析

摘要：對實際工程案例建立小凈距隧道FLAC 3D數值分析模型，分析后施工隧道爆破對先施工隧道結構的影響。研究結果表明：后施工隧道爆破對先施工隧道襯砌結構主要影響部位，為拱頂與臨爆面側墻與底板交接處，使先施工隧道襯砌結構應力最大增大1.61MPa;平行截面監測點中，隧道掌子面前方10m位置處的VPP值最大，右邊墻、右拱腰相較于拱頂、左邊墻、左拱腰的VPP值較大;先施工隧道截面中，距離掌子面中心距離越遠VPP值越小，地表位置處的VPP值處于安全范圍內。

關鍵詞：小凈距隧道;數值模擬;爆破振動;動力響應

0" "引言

小凈距隧道以其經濟性、安全性、合理性等特點，越來越多的被應用于公路建設中，尤其以高速公路應用最多。小凈距隧道爆破開挖易引起相鄰隧道出現圍巖失穩、坍塌等問題，因而對于圍巖結構較差、兩隧道間距離較小的小隧道爆破問題，是一項較為重要的研究課題。

目前，大量的專家學者對小凈距隧道爆破問題進行了研究，并取得的了一定的成果。龔建伍等[1]通過對某實際小凈距隧道工程建立數值分析模型，分析了不同隧道開挖方法對隧道開挖穩定性的影響，比選出較為合理的施工的方案。湯勁松等[2]對小凈距隧道的參數進行研究，通過建立數值分析模型，分析了不同隧道凈距條件下，小凈距隧道的應力、位移等參數的變化，進而確定了小凈距隧道的最小凈距。仇文革[3]通過理論分析的方法，分析了地下隧道工程施工過程中常見問題及解決措施。晏啟祥等[4]通過建立數值分析模型，模擬了不同開挖方式下軟巖小凈距隧道的力學特征。姚勇等[5]通過現場監測級數值模擬對比的方法，分析小凈距隧道不同開挖方式條件下，隧道結構的位移、應力等特征。侯福金等[6]對三種小凈距隧道常用的開挖方法進行對比分析研究，得出半步 CD法相較于其他方法具有安全、經濟、適用等特征。荊春燕等[7]對小凈距隧道施工中隧洞襯砌結構的收縮位移進行現場監測，分析其不同特征的原因，并對隧道施工工藝、方案進行評價。王明年等[8]通過建立數值分析模型，分析了小凈距隧道施工過程中隧道地表的沉降，并針對沉降過大問題提出解決方案。

基于前人對小凈距隧道的研究基礎，本文對安徽省大別山區某公路隧道建立小凈距隧道FLAC 3D數值分析模型，分析后施工隧道爆破施工對先施工隧道的振動及結構響應。

1" "工程概況

安徽大別山區某公路隧道斷面為雙側隧道，全長951.6m，一般施工段開挖寬度為19.38m，開挖隧洞高度為13.18m，施工方法采用CD法施工，開挖斷面如圖1所示。按照數字順序開挖。隧道開挖前打入直徑50mm、厚度5mm的鋼管，對隧道斷面進行支護，鋼管與鋼管間的搭接長度大于1.76m。

隧道開挖采用光面爆破開挖，先開挖掏槽孔，接著開挖輔助孔，最后開挖周邊孔。本研究的研究范圍為施工難度較大的Ⅴ施工段。該區域圍巖等級為Ⅳ級，雙側隧道凈距較小，炮孔直徑為0.022m，采用機械進行施工。

2" "模型建立

根據原始地質和施工方案資料，本研究采用FLAC 3D數值分析軟件建立該小凈距隧道整體模型，如圖2所示。圖3為該隧道CD法開挖模型圖。建模的研究范圍為隧道上下及左右兩側延伸5倍洞徑巖體，計算模型尺寸為長190m、寬128m、高60m。

模型的邊界條件設置如表1所示。兩隧道凈距為15m，隧道距山頂埋深為45m，模型的網格劃分共計有197346個節點，209715個網格單元。墻后圍巖結構計算選用M-C理論，對于模型單元的選取，主要采用實體單元對墻后圍巖和隧道襯砌結構進行模擬。模擬施工順序為沿著道路行進方向，先施工左側隧洞，再進行右側隧洞的施工，模型中最大計算網格單元尺寸小于輸入爆破振動最小波長的1/8。模型中，圍巖結構和隧道襯砌結構的相關參數選取如表2、表3所示。

模擬的爆破荷載波形采用指數型荷載波形。該種爆破荷載波形條件下，爆破產生的沖擊波壓力在模擬中，直接作用于炮孔空腔的巖壁上。該種沖擊波壓力為隨時間變化沿空腔巖壁均勻布置成環狀，爆破持續時間取0.1s。

查閱相關資料發現，爆破開挖產生的動力響應主要與爆破點與先施工隧道的距離有關。先施工左側隧道，再施工右側隧道，為此右側隧道的左上臺階爆破對左側隧道影響相較于其他部分更大。左上臺階距離較遠，底部臺階由于藥量少、爆破沖擊作用小，因而爆破對左側隧道的動力響應更小。綜上，在進行爆破振動及結構響應數值模擬計算中，主要分析左上臺階爆破的沖擊作用。

3" "數值計算結果分析

對后施工隧道爆破過程中先施工隧道襯砌結構的受力狀況進行全程監測，將監測結果中先施工隧道結構動力響應最大時間點篩選出來，分析該時間點先施工隧道結構的最大主應力與最小主應力，并分別將兩云圖與爆破之前（即初始時間節點）的應力云圖進行比較，得到如圖4、圖5所示的結構受力云圖。

圖4、圖5中，結構應力拉為正，壓為負。在初始時間節點，整個襯砌結構的最大主應力值為拱頂位置受到的拉力0.3628MPa，最小主應力值為兩側墻與底板位置交界處收到的壓力-3.0788MPa。在動力響應最值時間節點，整個襯砌結構的最大主應力值為0.5626MPa，該點位于臨爆側邊墻位置處。最小主應力值為-4.6228MPa，該點位于臨爆側邊墻墻角位置處。后施工隧道爆破主要影響先施工隧道襯砌結構的拱頂與臨爆面側墻與底板交接處，其值最大增大約1.61MPa。

質點峰值振動速度（VPP）主要用來描述地下隧洞爆破工程中，某點的絕對振動速度，因而本研究采用VPP作為隧道爆破過程中，后施工隧道爆破對先施工隧道縱向影響范圍的評價指標。

對模型中后施工隧道的掌子面內外5m分別取一個隧道截面，利用FLAC 3D軟件分別在該截面的左右兩側邊墻、拱腰部位、拱頂部位布置監測點。為了研究隧洞爆破振動時，振動波在圍巖中的傳播規律，在先施工隧道截面沿著隧道截面中心點豎向、水平向、斜向上每間隔一段距離布置監測點，以監測這些點的VPP值。

將部分數值模擬結果與現場實際監測值進行比較，模擬結果顯示右側邊墻的VPP最大值為10.643cm/s，現場監測結果顯示右側邊墻的VPP最大值為11.711cm/s，兩結果相差1.068cm/s，模擬結果準確率為90.88%，模擬效果良好。

平行截面監測點的監測結果如圖6所示。x軸0點右側為掌子面掘進方向，x軸0點左側為掌子面臨空面方向，x軸0點為后施工隧道掌子面位置。對于右邊墻位置，隧道掌子面前方10m位置處的VPP最大，最大值為11.63cm/s。對于右拱腰位置，其VPP最大值也位于掌子面前方10m位置處，且右邊墻、右拱腰不同截面的VPP值相差較大，相較于拱頂、左邊墻、左拱腰，右邊墻、右拱腰VPP值明顯較大。拱頂、左邊墻、左拱腰的VPP最大值也位于掌子面前方10m位置處，但拱頂、左邊墻、左拱腰不同截面的VPP值相差不大。其主要原因在于：當隧道爆破過程中，右邊墻、右拱腰直接承受爆破帶來的振動波，因而其VPP值相對較大。而拱頂、左邊墻、左拱腰承受的爆破振動波，主要是繞拱傳遞過來的，因而其VPP值相對較小，與其他作用面相比較為安全。

對于不同截面的作用力，沿掌子面隧道掘進方向的VPP普遍大于沿掌子面向外方向。分析原因在于：隧道爆破作用的振動波主要來源于掏槽孔爆破過程，振動波主要沿著周邊巖石傳播。本文進行爆破振動波研究時，主要分析掌子面沿隧道掘進方向的巖石受力和變形狀況。

先施工隧道截面監測點VPP值如圖7所示。由圖7可知：各個方向的VPP值變化規律基本相同，均是隨著距離掌子面中心距離越遠，VPP值逐漸減小，VPP最大值出現在斜向上布置的監測點上，最大值為62.91cm/s。但隨著距離增大其值快速減小，最終趨于穩定，穩定在2.00cm/s上下，最小值為右向布置的質點峰值振動速度監測點，在該方向上的VPP最大值為48.40cm/s。分析原因在于：右向為遠離爆破點的區域，在該位置的沖擊波主要是通過巖石傳遞并沿著右側隧道拱圈周圍傳遞過來的，因而該位置的VPP值較小。豎向傳遞的沖擊波是沿著隧道開挖斷面向地面傳播的，其VPP最大值為8.97cm/s，在地表位置處的VPP值為2.602cm/s，符合規范規定的隧道開挖地表振動速度值。

4" "結論

本文對安徽省大別山區某公路隧道建立小凈距隧道FLAC 3D數值模型，通過分析先施工隧道結構的最大和最小主應力、平行截面監測點VPP值、先施工隧道截面監測點VPP值，主要得到以下結論：

后施工隧道爆破對先施工隧道襯砌結構主要影響部位為拱頂與臨爆面側墻與底板交接處，可使先施工隧道襯砌結構應力值最大增大約1.61 MPa。平行截面監測點中，隧道掌子面前方10m位置處的VPP值最大，右邊墻、右拱腰比拱頂、左邊墻、左拱腰的VPP值大。先施工隧道截面中，距離掌子面中心距離越遠VPP值越小，地表位置處的VPP值處于安全范圍內。

參考文獻

[1] 龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優化分析[J].巖土力學，2009，30（1）：236-240.

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[4] 晏啟祥，何川，姚勇.不同開挖方式下軟巖小凈距隧道力學效應分析[C]//中國土木工程學會年會.2004.

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[7] 荊春燕，黃宏偉，張子新，等.小間距隧道施工動態監測與數值模擬分析[J].地下空間與工程學報，2007（3）：503-508.

[8] 王明年，李志業，關寶樹.孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術研究[J].巖土力學，2002（6）：821-824.