下穿既有環城公路的隧道爆破減振研究?

趙立財

①臺灣科技大學營建工程系(臺灣臺北，106)

②中鐵十九局集團第三工程有限公司(遼寧沈陽，110136)

引言

立體化交通系統是城市發展重要的一環，而隧道工程又是其重要的組成部分[1-3]。隧道在爆破施工過程中產生的振動不可避免地會對城市既有結構物造成一定的損傷甚至破壞，產生一系列的安全問題[4-6]。因此，采取行之有效的減振措施，減小隧道爆破對鄰近結構物的振動效應，具有重要的工程意義。

目前，國內外學者在隧道爆破振動響應研究的基礎上，主要從爆源和傳播路徑兩個方面，通過現場監測、模型試驗、理論分析及數值模擬提出了一系列有效的減振技術措施。高宇璠等[7]結合理論計算和實際監測數據提出了減振措施和優化爆破方案。張國勝等[8]對爆破產生的地震波信號進行分析，提出了相應的減振方法。在起爆方法上，石洪超等[9]采用掏槽炮孔間隔裝藥并采取孔內分段毫秒延遲起爆的方法，有效地控制了爆破振動強度。牛澤林等[10]提出，順層分段爆破較左右分塊爆破更具優越性。張袁娟等[11]利用有限元模擬與實驗結合的方法進行對比分析，得到加入緩沖孔的爆破降振率最高可達51%。Tian等[12]基于監測數據和振動信號分析，提出了一種可控制爆破能量延遲釋放的減振方案。根據不同的爆破掘進情況，人們還提出了一些比較新穎、有效的減振技術，如減小掘進方向爆破振動的氣墊法[13]、大孔鏜削切割爆破法[14]、先進電子雷管起爆技術[15]等。然而，考慮既有結構物自身所受載荷與隧道爆破耦合作用下結構物的減振行為的研究卻鮮有報道。

以國家鐵路重點工程項目燕都隧道為例，針對下穿既有環城公路段隧道爆破開挖產生的振動響應，同時考慮公路上方車輛瞬時載荷耦合作用，在隧道和公路之間合理布置有效的減振孔，綜合分析了環城公路的減振效應。

1 工程背景

燕都隧道位于遼寧省朝陽市雙塔區他拉皋鎮姜家窩鋪村境內。隧道進口里程DIK4＋868，出口里程DIK6＋000，全長1 132 m，最大埋深為52.6 m。隧道DIK5＋250～DIK5＋450段200 m范圍內依次下穿環城公路及人行天橋基礎。其中，DIK5＋337斷面下穿環城公路，與公路垂直相交。隧道埋深約18～22 m。公路等級為城市道路，路面寬24 m。隧道與環城公路位置如圖1所示。

研究區圍巖分級為Ⅴ級，無復雜地質構造。隧道爆破時采用中部超前小導洞先行爆破，先行5 m，隨后，光爆層開始同步跟進。小導洞爆破采用中部直眼掏槽方式，在2排掏槽眼之間，均勻布置3個空眼，最外側4個掏槽眼設置起爆時間為0、5、10、15 ms。現場采用2＃巖石乳化炸藥，正向不耦合裝藥，起爆點為從外到內，炮孔直徑42 mm，炮孔深度為1 m，單個炮孔裝藥量為0.56 kg，總裝藥量為3.36 kg。基于中部超前小導洞先行爆破所產生的爆炸載荷作用，分別對設置減振孔和未設減振孔兩種工況下隧道爆破進行了緩沖減振研究。

2 數值模擬

2.1 模型構建

在ANSYS/LS-DYNA中建立三維有限元數值模型，模型尺寸為100 m×50 m×60 m。隧道置于模型中部，走向為z負向；公路在隧道上方，走向為x正向，空間位置與隧道正交。減振孔布置在隧道及公路之間。隧道、公路、減振孔、炸藥及空氣均采用Solid164單元，設置相應的材料屬性，通過Sweep方式共劃分247 747個網格單元、265 781個節點。由于模型對稱，測點布置在模型左半部分。減振孔周圍布置3個測點:在路面的左、右兩側和中部位置各設1個測點；且每隔10 m設置1組監測路面，總共設置4組監測路面。各測點在有限元數值模型中的布置如圖2所示。

2.2 減振孔布置

布置減振孔是為了阻隔和干擾隧道爆破產生的地震波向地表公路進行傳播，加快地震波的衰減，降低其對公路的振動效應[16]。布置方案如下:減振孔共9個，距隧道頂板5 m，孔徑120 mm，孔深20 m，孔距1.2 m。選用一定比例的泡沫鋁和砂土混合，作為填充材料，并在端口處封堵密實。

2.3 參數設置

隧道圍巖主要是砂巖和礫巖，在LS-DYNA材料庫選擇*Mat_Plastic_Kinematic材料模型。實際測得圍巖的物理力學參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數Tab.1 Physical mechanics parameters of surrounding rock

減振孔填充材料選擇可壓扁泡沫材料模型

*Mat_Crushable_Foam。

炸藥選用*Mat_High_Explosive_Burn高能炸藥材料模型，并添加關鍵字*EOS_JWL對狀態方程進行描述，具體參數如表2所示[17]。

表2 炸藥材料參數Tab.2 Material parameters of explosives

空氣選用*Mat_Null材料模型。公路選用JHC材料模型*Mat_Johnson_Holmquist_Concrete。

2.4 流固耦合設置

在定義單元算法時，將圍巖、減振孔和上方公路設置為Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用ALE單元算法，通過*ALE_Multi-Material_Group定義多物質ALE單元，使得ALE單元之間能夠相互作用，Lagrange單元和ALE單元采用共節點的形式。通過*Constrained_Lagrange_in_Solid來控制流固耦合的相關設置。對圍巖四周采用無反射邊界條件，用來避免反射波對結果的影響。

2.5 車輛載荷設置

車輛載荷不同于地震等其他動載荷，它具有時間短、頻率高等特點。在這種載荷形式作用下，公路的振動響應是不同的。汽車在正常行駛過程中對路面某一點產生的載荷時間非常短，一般在0.01～0.10 s之間。為真實地反映車輛動載荷的特點，采用雙頻率正弦波[18]模擬交通載荷。

式中:p0為汽車載荷；ω1和ω2分別為動載荷的振動原頻率；k1和k2為兩個主頻的動載荷分擔系數，k1＋k2為車輛的動力放大系數。

對該路段上車輛進行調查分析:考慮車輛兩軸作用，車輛空車質量120 kN，滿載時載荷總質量300 kN，選取滿載80%下的載荷作為主要載荷；輪胎分布面積取(30×24×4)cm，ω1和ω2分別為主頻4 Hz和10 Hz對應的圓頻率；車速72 km/h時，動載荷放大系數取0.28，相應地，取k1=0.18、k2=0.10。

3 計算結果分析

3.1 減振孔部位振速分析

為了更好地反映減振孔的緩沖減振效果，分別對設置減振孔和未設減振孔兩種工況下隧道爆破進行數值模擬。選取兩種工況下相同位置的測點，提取減振孔周邊測點的水平振速和垂直振速時程曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 測點H-1的振速時程曲線Fig.3 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-1

圖5 測點H-3的振速時程曲線Fig.5 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-3

從3個測點的振速時程曲線可以看出，在前0.005 s內，未設減振孔和設減振孔兩種工況下的振速變化幾乎重合。隨著時間的增加，二者振速的振動頻率、方向都高度相近，而振幅差異明顯。在測點H-1處，水平方向的減振率為41.7%，垂直方向的減振率為30.7%。在測點H-2處，水平方向的減振率為33.0%，垂直方向的減振率為26.1%。在測點H-3處，水平方向的減振率為31.4%，垂直方向的減振率為22.7%。減振孔的布置改變了地應力的分布規律，使得爆破產生的地震波波速在傳播過程中受到阻隔和干擾，從而降低周邊圍巖的振速。水平方向減振率明顯高于垂直方向減振率。由于減振孔的位置相對于爆心較近，公路上方車輛載荷對其產生的作用較小。因此，減振孔周邊振速主要是受到地震波的影響。而地震波產生水平方向的擾動大于垂直方向的擾動，因此，設置減振孔較大程度降低了水平方向的擾動影響。

3.2 公路路面振速分析

公路路面各個測點的振速時程曲線不盡相同。以路面測點M-1為例，圖6顯示了在未設減振孔和設有減振孔兩種工況下水平及垂直方向上公路路面質點的振速時程曲線。從圖6(a)和圖6(b)對比可以看出:未設減振孔，水平方向振速峰值的波動主要發生在0.008～0.018 s和0.023～0.028 s時段；持續時間分別為0.010 s和0.005 s，分布不均，最大值為10.35 cm/s。而設有減振孔的振速極值波動主要集中在0.010～0.018 s內，持續時間為0.008 s；整體波動幅度降低，最大值為8.37 cm/s。水平方向減振率為19.1%。觀察圖6(c)和圖6(d):未設減振孔，垂直方向的振速波動范圍較廣，大幅波動的持續時間為0.015 s，幅度變化較大，最大值為13.74 cm/s；而設有減振孔的振速波動范圍減小，持續時間為0.008 s，最大值為11.38 cm/s，垂直方向減振率為17.2%。對比兩種工況，設有減振孔的公路路面大幅波動的持續時間減少了50%。

圖6 路面測點M-1的振速時程曲線Fig.6 Vibration velocity time history curves of monitoring point R-M-1 on highway pavement

圖4 測點H-2的振速時程曲線Fig.4 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-2

公路路面距離爆心較遠，其主要受到上方車輛載荷的作用。車輛載荷會對路面施加一個應力波，應力波會向巖層中傳播。當爆破產生的地震波和應力波相遇時，兩波會進行一個疊加。減振孔的布置一方面減弱了地震波的傳播，另一方面也降低了兩波的疊加效應。因此，在隧道爆破和公路車輛載荷作用下，減振孔可以有效降低路面振速大幅波動的持續時間和幅度大小，使得公路的振動效應更趨于平穩。

兩種工況下公路路面各個測點的振速峰值的計算與實測數據如表3所示。從表3中可看出，實測振速峰值與數值模擬結果在同一量級，且二者相差不大，說明數值模擬結果具有一定的合理性。在爆破和車輛載荷耦合作用下，水平方向和垂直方向最大減振率均發生在監測路面1＃的中部，減振率分別為19.1%和17.2%。沿著公路走向，即沿路面1＃至路面4＃，隨著與爆心距離的增大，減振率在逐漸減小。從4個監測斷面公路左、右兩側與中部位置振速的比較都可得出，公路兩側減振率相差不大，中部減振率要高于兩側的減振率。由于公路兩側為臨空面，振動幅度較大，且兩側位置距離爆心較遠，地震波衰減導致其振動水平本身就比較小，故減振效果不及中部位置。

表3 兩種工況下公路路面測點的減振率Tab.3 Vibration reduction rate of monitoring points on highway pavement under two working conditions

3.3 公路路面應力分析

以公路路面中部測點為例，其Mises等效應力時程曲線如圖7所示。從圖7(a)中可看出，未設減振孔時，路面中部的應力大幅波動的時間范圍主要集中在0.005～0.010 s和0.028～0.030 s之間，應力最大值為3.9 MPa。而設有減振孔工況下[如圖7(b)所示]，應力時程波動曲線大致呈山字狀，即在中間時段0.010～0.020 s，應力波動較大，而在初始0～0.010 s和末尾0.020～0.030 s時段，應力波動較小，最大值為3.5 MPa。由于公路上方車輛載荷作用產生的應力波與隧道爆破產生的地震波會在巖層中產生疊加，公路路面的等效應力即是此疊加的結果。未設減振孔下，巖層中應力狀態基本穩定，疊加效應明顯；在初期一段時間內，應力大幅波動，且在末尾時段產生二次波動。設置減振孔改變了巖層中的應力狀態，使應力重新分布；同時，也適當減弱了地震波的傳播速度。當兩波疊加時，應力大幅波動的時間延后，且持續時間縮短，疊加后的應力幅值也大幅降低。這說明減振孔可改變應力傳播的路徑，降低應力波和地震波的疊加效應，使得公路路面受到的應力減小，并且降低應力大幅波動的持續時間。這也和路面振速的分析相對應。

圖7 路面中部測點的應力時程曲線Fig.7 Stress time history curves of the monitoring points in the middle of the road surface

4 結 論

以燕都隧道DIK5＋337斷面下穿既有環城公路的爆破研究為工程背景，利用LS-DYNA分別對設置減振孔和未設減振孔兩種工況下的隧道爆破進行數值模擬，分析在爆破開挖和車輛載荷耦合作用下的緩沖減振效應，得出以下結論:

1)在減振孔周邊，最大減振率約為41.7%，水平方向減振率明顯高于垂直方向減振率。設置減振孔可有效降低隧道爆破對周邊振動的影響。

2)公路路面的最大減振率發生在中部，約為19.1%。設置減振孔使公路振速大幅波動的持續時間減少了50%。減振孔可以有效降低路面振速波動，使得公路的振動效應更趨于平穩。

3)減振孔可使應力大幅波動的時間延后且持續時間縮短，降低應力波和地震波的疊加效應。