隧道爆破開挖產生地表震動效應的數值模擬

王海軍， 李業(yè)聞， 趙曉全， 魏 華

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

現如今，采用爆破開挖的礦山法仍然是隧道修建的主要方法，此種方法輕則是噪聲擾民，重則對地表的房屋建筑造成震動甚至產生實質性的破壞.截至2018年底，我國共建設有交通隧道36 103 km.其中，鐵路隧道15 177座，長度16 331 km；公路隧道16 500座，長度15 940 km；城市軌道交通隧道5 766 km，其中地鐵約4 511 km[1].隨著隧道建設總長的不斷增加，其爆破開挖對地面建筑物造成的負面影響已經得到了工程界和學術界的重視，科研人員通過現場爆破試驗[2]、實時監(jiān)測[3]、數值模擬[4]等方法和技術手段進行了廣泛研究，取得了一些研究成果.

當炸藥在巖石、土壤和其他介質中爆炸時，必須將一部分能量轉換為地震波，并且從爆炸源迅速傳播到周圍的介質中，從而導致表面和建(構)筑物的振動，在一定范圍內對非爆破目標的建(構)筑物造成不同程度的破壞.隧道爆破開挖影響區(qū)振動激勵下地震波的傳播規(guī)律和地震動速度的衰減規(guī)律是當前研究的重點.

楊云凌[5]依托長沙市地鐵二號線的一段隧道，結合爆破監(jiān)測數據和有限元分析模擬，闡述了隧道埋深與振速放大系數之間的關系；鄒新寬等[6]通過從不同角度對大量的深孔爆破地震動測試數據的分析，得到了巖石中爆破地震波傳播的頻率、幅值和持續(xù)時間等主要參數的變化規(guī)律以及它們的影響因素；王蕊等[7]以某公路隧道工程掘進開挖爆破的震動安全監(jiān)測項目為依托，運用數值三維模型實體建模研究隧道下穿村莊時當地民用建筑基礎、圈梁、樓板、柱等不同的速度響應時程，分析得出響應規(guī)律.還有一些學者就隧道爆破開挖對其鄰近隧道的影響做了分析研究[8-10].

本文在前人研究的基礎上，依托愛民山隧道，利用ANSYS有限元分析軟件建立三維隧道模型，經過瞬時爆破分析后，得到距離掌子面不同位置的地表震速波形圖，總結地表的震動規(guī)律，判斷地面建筑物的安全性，給出了爆破空洞放大效應影響區(qū)域的地表震動速度傳播和衰減規(guī)律.本研究為類似工程中小凈距單行線隧道爆破施工對先行隧道影響提供了科學依據與技術指導，也為類似隧道工程的爆破掘進在理論上和施工方法上提供參考借鑒.

1 工程概況

愛民山隧道位于丹東市郊附近，屬于丹東市四號干線(花園路至寶山大街段)，呈北東走向展布，設計為兩條小凈距單行線曲線隧道，屬短隧道；隧道左線全長500 m，右線全長42 m，采用暗挖鉆爆法施工.隧道區(qū)地表覆蓋層較厚，大部分都被殘積土、全風化變粒巖等所覆蓋，露頭較少，變粒巖節(jié)理裂隙以風化、構造裂隙為主.隧道入口段及出口段為Ⅴ2、Ⅴ1級圍巖，洞身段為Ⅳ3、Ⅳ2級圍巖.愛民山頂距隧道約50 m，且有民用建筑；隧道寶山大街段左線線位左側約60 m處為元寶區(qū)抗美援朝烈士陵園，這就要求隧道的爆破施工不能對山頂的民用建筑和烈士陵園產生影響.

2 模型建立

2.1 單元類型選取

本文利用ANSYS軟件的LS-DYNA模塊建立實體三維模型并進行運算.由于隧道爆破是一個瞬時的動態(tài)過程，并且需要輸出節(jié)點的速度波形圖，所以圍巖采用三維實體單元(solid164)；初期支護采用殼單元(shell163)，此單元有大變形、大應變能力；錨桿采用三維桿單元(link8)，因為其可承受單軸的壓力或拉力，符合錨桿在初支的受力特征.隧道不同層巖體的物理力學參數如表1所示.

表1 隧道巖土體物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of tunnel rock and soil

2.2 邊界選取

由于隧道的爆破開挖會對周圍巖體及地表產生一定的影響，實踐和理論分析表明，對于地下洞室開挖后的應力應變，僅在洞室周圍距洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度(或高度)的范圍內存在實際影響.在3倍寬度處的應力變化一般在10%以下，在5倍寬度處一般在5%以下[11].因此，計算邊界可確定在3～5倍的寬度.為減小邊界效應的影響，選取長度方向為150 m，高度為100 m，隧道頂部距地表45 m，隧道距左側隧洞為40 m，縱向深取107.5 m，其中包括前部已開挖的50 m，中部5個1.5 m正在開挖的小段以及后部未開挖的50 m.

2.3 約束施加

數值模擬采用位移邊界條件，將模型的4個側面和底部均設為無反射的固定邊界，固定邊界位移滿足ux=uy=uz=0；地表及隧道已開挖區(qū)周邊設為自由邊界.

2.4 求 解

靜力分析時，計算收斂準則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求，動力計算時的計算時間主要依據動力荷載時間來確定.劃分完網格的模型如圖1所示.

圖1 隧道模型圖Fig.1 Tunnel model diagram

3 爆破荷載及時間的確定

采用ANSYS分析爆破震動的一項重要工作就是建立一個合理的爆破加載模型，這就需要確定爆破激振力的大小、方向、作用位置、峰值時刻以及持續(xù)時間等內容.查閱相關文獻可知，巖體內的爆破波多以三角形荷載為主，即壓力經過一個上升段到達峰值后急劇衰減.根據工程資料，爆破壓力峰值取15 MPa，荷載以壓力形式均布荷載作用在隧道壁和掌子面上，加載時間為12 ms，卸載時間為78 ms，取計算時間為1 s.爆破荷載時刻圖如圖2所示.

圖2 爆破荷載時刻圖Fig.2 Blasting load time diagram

4 計算結果與分析

在介質中傳播的擾動稱為波，炸藥在巖體等介質中爆炸所激起的應力擾動的傳播稱為爆炸應力波.大多數巖石中激起的爆炸應力波在距離爆炸點不同距離處表現為沖擊波、爆炸應力波和地震波.通過分析爆炸應力波在地表產生的震速波形圖，掌握其震動規(guī)律，可以對地面的建筑物及時采取合理的保護措施，或者及時調整爆破施工方案.

4.1 地表震速波形分析

本文取爆源正上方地表的44 569號節(jié)點，已開挖段距爆源15 m處地表的27 380號節(jié)點以及未開挖段距爆源15 m處地表的76 614號節(jié)點，通過施加爆破荷載后，對其震動速度進行分析，輸出各節(jié)點在此1 s爆破過程的震速波形圖.各個節(jié)點的震速波形圖如圖3～8所示.

圖3 爆源后方15 m處地表X方向v-t圖Fig.3 X-direction v-t diagram of ground surface at 15 m behind blasting point

圖4 爆源后方15 m處地表Y方向v-t圖Fig.4 Y-direction v-t diagram of ground surface at 15 m behind blasting point

圖5 爆源上方地表X方向v-t圖Fig.5 X-direction v-t diagram of ground surface above blasting point

圖6 爆源上方地表Y方向v-t圖Fig.6 Y-direction v-t diagram of ground surface above blasting point

圖7 爆源前方15 m處地表X方向v-t圖Fig.7 X-direction v-t diagram of ground surface at 15 m ahead of blasting point

圖8 爆源前方15 m處地表Y方向v-t圖Fig.8 Y-direction v-t diagram of ground surface at 15 m ahead of blasting point

爆破地震波有縱波(P波)和橫波(S波)之分，縱波傳播速度快，振幅小.從以上震速時程波形圖可以看出，對于爆源正上方及其后15 m和前15 m處地表節(jié)點來說，X方向震速較大的部分主要集中在0.2～0.4 s之間，最大震速為爆源后方15 m處地表且數值為0.48 cm/s，0.4 s后速度峰值逐漸衰減，但相鄰的波峰和波谷之間有小幅的波動.由于縱波在固體介質中的傳播速度快于橫波的傳播速度，因此，X方向的震速峰值出現滯后性，滯后約100 ms.Y方向的震動速度較大時刻出現在0～0.2 s，0.2 s后震速逐步衰減，且衰減波形較X方向更為“規(guī)則”，即幾乎未出現波峰和波谷之間的小幅波動，最大震速為爆源后方15 m處地表且數值為1.3 cm/s.

4.2 數據對比分析

占城[12]依托重慶市某隧道工程分析了城市隧道爆破對鄰近建筑物的影響，該隧道采用微差光面爆破上下臺階法開挖，炮孔布置圖如圖9所示.

圖9 炮孔布置平面圖Fig.9 Layout plane diagram of blasting holes

本工程監(jiān)測采用中科測繪TC4850型爆破震動測試儀、TCS-B3三軸向振動速度傳感器，測得掌子面上方X方向和Y方向的一次爆破測試典型振動時程曲線如圖10所示.

圖10 測點速度的時程曲線Fig.10 Time history curve of measuring point velocity

由圖10可知，X方向的震速峰值有一定時段的滯后性，且峰值小于Y方向的峰值.這與本文模擬結果類似，說明本文模型具有一定的科學性和可信度.

4.3 地表震速衰減規(guī)律

4.3.1 爆破震動速度經驗公式

根據《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)，測點震速與測點距爆破區(qū)域距離和炸藥使用量有關，同時與爆破區(qū)域地形地質、爆破方法等因素亦有明顯關系，可按薩道夫斯基經驗公式進行計算，即

(1)

式中：v為爆破地震波質點的震動速度；K、α為與爆破點至測點之間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，應通過現場試驗確定，如表2所示；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量；R為爆破中心到測點之間的距離.

表2 爆區(qū)不同巖性的K、α值Tab.2 K and α values of different lithologies in blasting zone

4.3.2 地表節(jié)點震速分析

隧道爆破時，已開挖區(qū)域的地表震動速度不能完全利用薩道夫斯基經驗公式計算，且隧道已開挖區(qū)域的地表震動速度比未開挖區(qū)的震動速度要大，形成爆破空洞放大效應.對于隧道爆破空洞放大效應，一些研究人員只是對隧道掌子面前后的地表震動速度建立二維模型進行對比研究[13-15]，并未詳細給出爆破空洞放大效應影響區(qū)域的地表震動速度傳播和衰減規(guī)律，也未對已開挖區(qū)和未開挖區(qū)地表質點的震動速度進行預測，并且預測模型較為簡單，不能較好反應實際隧道工程地質情況.因此，分析地鐵隧道爆破開挖過程中已開挖區(qū)和未開挖區(qū)地表震動的傳播衰減規(guī)律，預測地表最大震速點的位置，確定隧道爆破開挖施工安全判據和安全距離很有必要.

以爆源(掌子面)為中心，在地表沿隧道開挖掘進方向取17個節(jié)點，相鄰節(jié)點之間的距離為15 m，其中，爆源正上方的為9號節(jié)點，1～8號節(jié)點位于隧道已開挖段正上方的地表，10～17號節(jié)點位于隧道未開挖段正上方的地表，如圖11所示.

圖11 取點位置平面示意圖Fig.11 Schematic plane of access positions

取各節(jié)點在爆破過程中的三個方向最大震速峰值繪制曲線，如圖12所示.由圖12可知，在隧道開挖掘進方向取的節(jié)點中，處于已開挖段(1～8號)和未開挖段(10～17號)的節(jié)點震速峰值衰減呈現完全不同的規(guī)律.對于未開挖段，節(jié)點震速峰值隨著與爆源距離的增大而逐漸減小，且衰減的速率較為緩慢，符合《規(guī)程》給出的經驗公式.對于已開挖段，節(jié)點震速峰值隨著與爆源距離的增大而先增大后減小，且在距離爆源25～30 m處震速峰值衰減較快，因此，不符合《規(guī)程》給出的經驗公式.震速峰值的最大值并非出現在爆源正上方的地表位置，而是在已開挖區(qū)距離爆源約10 m的位置，最大值為3.23 cm/s.隧道在爆破開挖施工中，地表質點震動速度存在空洞放大效應.隧道掘進爆破震動空洞效應是指已開挖區(qū)形成的空洞導致其上部地表震動速度大于未開挖部分的地表震動速度的現象.空洞效應導致地表震動速度存在區(qū)域性變化的特點，使得處于隧道已開挖區(qū)的地表震動速度大于未開挖區(qū)地表震動速度，且二者的爆破地震波衰減規(guī)律亦不一致.

圖12 地表節(jié)點震速峰值Fig.12 Peak vibration velocity of ground surface nodes

5 結 論

本文利用ANSYS有限元分析軟件對丹東市愛民山隧道進行爆破掘進開挖數值模擬，通過對一些地表特殊節(jié)點的震速波形分析，得出以下結論：

1) 根據我國現行國家標準《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)規(guī)定：建(構)筑物的爆破地震震動速度應小于50 mm/s.在隧道掘進方向選取的地表16個節(jié)點中，最大的震速峰值為32.3 mm/s，這個數值小于規(guī)定的50 mm/s，所以山頂的民用建筑是安全的.

2) 在隧道爆破掘進過程中，由于縱波在固體介質中的傳播速度快于橫波，所以地表同一個節(jié)點不同方向大道震速峰值的時刻不同，橫波有明顯的滯后性.爆破地震波的震速在到達峰值后逐漸衰減，但橫波會有小幅波動.

3) 由于空洞效應的存在，導致處于隧道已開挖區(qū)的地表震動速度大于未開挖區(qū)的地表震動速度，在距離爆源15～30 m處空洞放大效應最為明顯.因此，在隧道爆破開挖的過程中，應該控制炸藥用量，采用合理的爆破施工方案，做好已開挖隧道的支護和襯砌工作，同時對地表的一些民用建筑采取一定保護措施.