城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學振動研究

【摘要】在巖溶地層采用爆破施工修建地鐵隧道具有較大風險。以貴陽市軌道交通3號線一期工程某工程段為依托，對城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學振動特性進行了研究，利用數值模擬的方法，對在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層內的速度及應力波的時空特性進行分析，探明了巖溶地層下地鐵隧道爆破施工時的力學振動規律。

【關鍵詞】地鐵隧道；巖溶地層；爆破施工；數值模擬；擾動影響規律

【中圖分類號】U455.6A

0 引言

在巖溶環境下修建地鐵一直都是隧道施工中的重點問題之一［1］。由于巖溶地層地質條件較為復雜，且對于現階段施工技術來說，想要確定巖溶地層準確的地質情況還較為困難，這使得在施工階段穿越巖溶地層時容易發生突水、突泥及涌水等施工災害［2-3］。對于巖石地層的掘進通常采用爆破施工，但由于巖溶地層的特殊性，需要對巖溶地層條件下的爆破施工進行力學特性及規律研究，以確保施工的安全進行。

陳先國等［4］從炮孔設置、裝藥結構、炮孔堵塞以及起爆網絡設計4個方面，詳細說明并改進了穿越巖溶地層隧道的爆破設計方案。趙國祝［5］詳細介紹了在宜萬鐵路金子山隧道中，針對不同地質條件和不同級別的圍巖開挖施工中使用的光面爆破技術，并討論了在各種圍巖類別中的爆破參數、施工工藝和爆破效果。劉家明等［6］對新建隧道在不同情況下的爆破振動規律進行了研究，確定了爆破振動的影響分區，并通過三維有限元模型，研究了新建隧道在既有隧道正下方爆破時既有隧道的動力響應規律。涂穎等［7］通過應用變分模態分解（VMD）方法，將爆破荷載引起的巖石振動和地應力快速釋放引發的巖石振動進行了分離，利用小波包分解方法研究了爆破振動和誘發振動的能量分布特征以及其影響因素，并建立了一個用于預測深埋隧洞爆破挖掘中爆破荷載和地應力快速釋放共同作用下引發的巖石振動的模型。歐陽林等［8］梳理了深埋隧洞施工期巖爆的分類、機制、評價預警方法及防控原則后，對巖爆的防控措施進行了整理，著重分析其作用原理、適用范圍和防控效果，對比了鉆爆法和全斷面隧道掘進機（TBM）法在施工過程中巖爆的不同特征規律和防控重點。曹孝君等［9］通過數值模擬研究了淺埋隧道爆破施工時的地表震動效應，模擬取得的振動曲線與實際測量的曲線相似，振動速度隨著時間和距離的減小趨勢也與現場實測基本相同。郭東明等［10］通過實驗研究發現，當間隔較小時，迎爆側呈三角形破壞形態，背爆側則出現從起拱點到底角的裂紋擴展，隨著間隔的增加，破壞程度逐漸減弱。虞程林［11］結合具體工程案例，探明了工程范圍內巖溶分布及填充情況，確定了處理范圍，并制定了安全可靠且經濟高效的處理方案。杜紅波［12］針對復雜巖溶地層中盾構施工對周邊環境影響及相應施工關鍵技術難題，探討了灰巖上覆粉細砂地層巖溶段巖溶處理技術以及盾構掘進施工技術。

本文依托貴陽市軌道交通3號線一期工程，闡述了該工程概況以及所處的不良地質情況，利用ANSYS有限元分析軟件對爆破施工進行數值模擬，對爆破施工下地層內的振速及應力進行分析，相關研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

松花路站—浣紗路站區間隧道起點位于松花路與中山南路交叉“十字路口”，終點位于棗山路與延安西路十字交叉路口。區間出松花路站后沿中山南路走行，穿越道路兩側建筑物，至中山南路與浣紗路路口沿浣紗路向北走行，接入活塞風井，出活塞風井后向北穿越市西河、過街通道后直至浣紗路站。右隧區間設計起止里程：YDK30+653.911～YDK32+303.069，長1644.657 m；左隧區間設計起止里程：ZDK30+653.911～ZDK32+306.750，長1630.992 m。其中包含兩個聯絡通道和一個2號線和3號線聯絡線，施工方法為礦山法，為雙洞單線型式，單洞截面寬度6.52 m。其設計平面示意如圖1所示。

1.2 不良地質

擬建場地為可溶巖分布區，碳酸鹽巖分布較廣，據工程地質調繪、鉆探及相關資料表明，本次勘察的范圍內可溶巖分布地段巖溶形態主要以溶洞、溶溝（槽）、裂隙為主，巖體內主要為溶孔、垂直溶洞（隙）等，溶洞被粘土呈全充填狀態。區間存在大量開采地下水和建筑基坑及基礎設施建設等大量抽排水降低地下水位的工程活動，這些活動導致場區地下水動力條件改變，破壞了地下水的平衡，致使地下水反復在巖土交界面附近頻繁降升，造成塌陷區及鄰區土體的負壓吸蝕，是土體被地下水帶走形成土洞，加劇了土體的淘蝕和土洞的發展，最終土洞頂板土體不足以支撐上部荷載形成路面塌陷［13］。

2 有限元模型概況

2.1 數值模擬的建立及參數選取

為研究分布式巖溶發育情況下爆破振動波的傳播規律，探明附近隧道爆破開挖時溶洞質點安全振動速度標準。建立如圖2所示有限元模型，模型尺寸為：90 m（橫向）×60 m（縱向）×50 m（豎向），隧道拱頂埋深13.5 m。隨機分布巖溶位于左線隧道拱頂，隨機巖溶底部距隧道拱頂1 m，初支厚度為0.26 m，隧道截面面積為32.25 m2。模型中地層采用solid45單元，隧道初期支護采用shell63單元，模型左右側、前后側及底端截斷處為COMBIN14單元模擬的粘彈性人工邊界，地表為自由邊界。模型地層材料參數值見表1。

2.2 爆破荷載的確定

根據依托工程地勘報告，統計區間最小埋深，并假設地層均以覆蓋層加基巖形式存在，考慮隱伏巖溶發育于巖土分界面位置，計算所選取地質斷面為松花路站—浣紗路站區間，里程YDK30+739.466，隧頂埋深13.5 m，雙線隧道間距采用區間均值且均只考慮初期支護。以此工況作為最危工況并借助于GB 6722-2014《爆破安全規程》中對地表振速的理論公式計算模擬裝藥量。以地面及周圍建筑物基礎底部（或地面）至爆源中心的距離R為安全控制半徑，運用薩道夫斯基經驗公式有：

R=（K/V）1/аQ1/3

式中：V為保護對象的安全允許震動速度；Q為炸藥量；R為爆破地震安全距離；K、а為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，中硬巖石K=150～250，=1.5～1.8。

工程結構施偉， 廖永鵬： 城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學振動研究

3 計算結果分析

3.1 振速分析

為明確在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層內速度在地層內的時空特性，取爆破開挖隧道中心縱向軸線的剖面和過爆破施工掌子面的橫剖面做質點速度分析。其中，圖3、圖4為地層縱剖面、橫剖面總速度云圖。

由圖3可知爆破機械波在0.03 s就傳播至巖溶底部并引起質點震動，之后繼續沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播，并且振速分布出現明顯的分條狀，前后兩條波帶間隔距離大致在6～8 m。在0.1 s時機械波傳播至巖溶頂部并在0.14 s傳播至地面，此時地層中最大振速為3.54 cm/s。機械波在未接觸地表前，會呈現出如空氣中無約束爆炸后所示的“球對稱”形式向前方和上下傳播。在接觸模型底部經模型底部反射后沖擊波開始變得紊亂。在0.4 s時，地表振速表現出較大范圍的高位為3.69 cm/s，而地層質點振速維持在較低水平，0.4～0.8 s最大振速出現在地表較近處。在1.2 s以后沖擊波衰減，各質點振速降低到較低水平。

從波形分布特征來看，爆破產生的縱波首先在巖層中傳播，到達巖土分界面后折射進入土層，最后傳播到地表。巖土分界面的存在對其分布及傳播有較大影響，由于覆蓋層主要為泥質土層，其壓縮性、可變形性更高，機械波于其中的傳播速度更小，導致波形分布出現畸形，同時位于巖土分界面的溶腔也增加了溶腔周邊圍巖的振動響應，因此隧道爆破施工要特別關注溶腔圍巖的穩定性。

地層中橫剖面總速度云圖和縱剖面有著相似的規律，在圖4中可以更加清楚地看到機械波在0.04 s傳播至巖土分界面。從波形分布上看，巖土分界面對機械波的傳播有著一定的折減作用，對波的傳播范圍有抑制作用。在0.2 s左右傳播至地表。機械波在未接觸地表前，會呈現出如空氣中無約束爆炸后所示的“球對稱”形式向周圍傳播。在起爆到機械波傳播到地表這段時間中，質點振速最大值逐漸從爆心向地表移動，在0.4 s時在地表一定范圍內出現較高水平的振速，此時最大振速就在起爆點最上方地表處為3.70 cm/s。

3.2 地層應力分析

為明確在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層應力波在地層內的時空特性，取爆破開挖隧道中心縱向軸線的剖面和過爆破施工掌子面的橫剖面做質點應力傳播分析，圖5為地層橫剖面Mises應力云圖。

在爆破荷載作用下，巖石的破壞形式為拉伸破壞。由圖5可知在0.1 s之前機械波傳遞至巖土分界面，在0.3 s傳播至右線隧道并到達地表。從波形分布上看，機械波的傳播具有明顯的帶狀傳播，以爆源為中心向四周擴散。1 s以后地層中各質點應力開始消散，波形由帶狀變得開始紊亂，地層中Mises應力到達比較低的水平。

4 結論

本文依托貴陽城市地質及城市巖溶典型發育特征，利用數值模擬的方法，對城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學振動特性進行了研究，主要得到以下結論。

（1）機械波在未接觸地表前，會呈現出如空氣中無約束爆炸后所示的“球對稱”形式向前方和上下傳播，在接觸模型底部經模型底部反射后沖擊波開始變得紊亂，振速分布出現明顯的分條狀，前后兩條波帶間隔距離在6～8 m之間。在1.2 s以后沖擊波衰減，各質點振速降低到較低水平。

（2）爆破產生的縱波首先在巖層中傳播，到達巖土分界面后折射進入土層，最后傳播到地表。機械波于泥質土層中的傳播速度更小，導致波形分布出現畸形，同時位于巖土分界面的溶腔也增加了溶腔周邊圍巖的振動響應。

（3）在爆破荷載作用下，巖石的破壞形式為拉伸破壞，機械波的傳播具有明顯的帶狀傳播，以爆源為中心向四周擴散，消散后波形由帶狀變得開始紊亂，地層中Mises應力到達比較低的水平。

參考文獻

［1］ 賀勇，米少龍. 巖溶區地鐵盾構隧道施工關鍵技術研究［J］. 現代隧道技術， 2022， 59（S1）： 903-910.

［2］ 聶信輝. 高速鐵路巖溶隧道大型溶洞綜合勘察及處理技術研究［J］. 鐵道標準設計， 2022， 66（1）： 121-124.

［3］ 張會遠，穆靜靜. 巖溶區大斷面隧道突泥突水的防治［J］. 鐵道建筑， 2009（6）： 49-51.

［4］ 陳先國，張雪金，康海波，等. 大斷面巖溶隧道爆破設計與施工技術［J］. 施工技術， 2014， 43（S2）： 192-196.

［5］ 趙國祝. 復雜巖溶隧道開挖中的光面爆破施工技術［J］. 水利與建筑工程學報， 2008（3）： 78-81.

［6］ 劉家明，張俊儒，王智勇，等. 硬質地層下近接隧道爆破振動影響分區及動力響應研究［J］. 現代隧道技術， 2023， 60（2）： 125-137.

［7］ 涂穎，晏育松，楊建華，等. 深埋隧洞爆破開挖圍巖振動能量分布特征與預測［J］. 長安大學學報（自然科學版）， 2023， 43（1）： 62-71.

［8］ 歐陽林，張如九，劉耀儒，等. 深埋隧洞巖爆防控技術及典型工程應用現狀綜述［J］. 長江科學院院報， 2022， 39（12）： 161-170.

［9］ 曹孝君，張繼春，呂和林，等. 淺埋隧道掘進爆破地表震動效應數值模擬［J］. 西南交通大學學報， 2006（6）： 680-684.

［10］ 郭東明，劉康，張偉，等. 不同間距鄰近爆破載荷下隧道破壞規律及動態響應研究［J］. 北京理工大學學報， 2018， 38（10）： 1000-1005.

［11］ 虞程林. 隧道穿越巖溶區處理關鍵技術研究［J］. 中國水運（下半月）， 2021， 21（9）： 134-135.

［12］ 杜紅波. 復雜巖溶地層地鐵盾構施工影響的關鍵技術研究［J］. 中國建材科技， 2021， 30（5）： 161-164.

［13］ 郝江南，袁志英. 貴陽市中華北路巖溶塌陷成因及處理［J］. 貴州大學學報（自然科學版）， 2010， 27（3）： 122-125.