城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學特性分析

【摘要】在巖溶地層中修建城市地鐵一直是隧道工程界的難題之一。針對城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工問題，采用數值模擬的方式，開展了對爆破施工中地層縱橫剖面以及地表的振速分析。結果表明：（1）爆破開始后，振速呈分條狀分布，出現于爆破掌子面，經過溶腔底部后，沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播。（2）泥質土層中機械波波形分布出現畸形，且巖土分界面的溶腔會增大周邊圍巖的振動響應。（3）爆破后地表最大振速為3.36 cm/s，爆后5 s左右振速基本衰減，其質點振動頻率在4～6 Hz之間。地表橫向與縱向最大質點振速分別為1.762 cm/s以及1.876 cm/s，分別位于掌子面正上方左側6.25 m處以及前方地表3.75 m處。

【關鍵詞】地鐵隧道； 巖溶地層； 爆破施工； 數值模擬； 爆破力學特性

【中圖分類號】U455.6A

0 引言

我國目前正處于城市化進程快速發展的階段，在緩解城市交通壓力、提升城市居民生活質量方面，城市地鐵逐漸受到人們的青睞［1］。但在淺埋巖溶區進行城市地鐵爆破施工時，巖溶不良地質將會引發涌水、巖爆、塌方等地質災害，將對施工安全性及經濟性產生較大的負面影響［2］。因此針對淺埋巖溶地層城市地鐵隧道施工的力學特性研究，具有較強的現實意義。

針對巖溶區隧道建設問題，國內外學者依托各項具體工程，開展了相關研究。其中，楊昊坤［3］、何高峰［4］、周超［5］、黃秋鵬［6］等分別依托南京地鐵4號線工程、南寧地鐵2號線、徐州地鐵1號線、深圳地鐵16號線，論述了不同巖溶洞穴的發育特點及分布規律，并針對不同巖溶區引起的工程問題，分析了成因并提出了防治對策。黃焰［7］、曾建軍［8］等結合廣州地鐵工程，通過各種水文、地質、物探等試驗及勘察方法，分析了巖溶地質對地鐵施工的不良影響，研究了巖溶地區城市地下隧道工程的設計施工技術。吳建偉［9］通過分析巖溶地區地鐵隧道勘測方法，提出了相應的評估及處理方法。蔡義等［10］通過三維模型試驗以及數值模擬相結合的手段對淺埋地鐵隧道不同位置地層空洞對地表沉降的影響規律與空洞變形特征進行了研究。劉輝［11］、黃靜波等［12］以廣東白須公路隧道巖溶段爆破開挖問題為背景，通過數值模擬以監測數據分析，總結了巖溶地層中爆破引起的地震波的衰減規律，并提出了隧道爆破施工時臨近溶洞的安全質點振動速度峰值。蔡軍等［13］利用FLAC3D對隧道開挖后的震動效應進行數值模擬，發現開挖區與未開挖區的地表質點震動速度以及衰減規律存在較大區別，且在距掌子面一定距離內隧道爆破施工存在著顯著的空洞效應。李健等［14］通過LS-DYNA分析了單孔爆破后溶洞尺寸及位置對圍巖損傷的影響，并以此優化了爆破方案。

鉆爆法已成為在巖溶區修建城市地鐵隧道較為常見的施工方法，但對于埋深較淺的巖溶區地鐵隧道爆破施工的研究尚不完善。為了探明城市地鐵淺埋環境下巖溶區爆破施工對周圍環境的擾動規律，在參考國內已有巖溶區城市隧道爆破理論研究的基礎上，本文通過有限元數值模擬的方法，依托貴陽地鐵3號線實際工程，對城市環境淺埋巖溶隧道施工爆破力學特性進行分析，可為類似工程提供參考價值。

1 工程背景

1.1 工程簡介

浣紗路站—黔靈山公園站區間起點位于棗山路，終點位于棗山路與雙峰路交叉路口，沿棗山路下穿行，里程范圍YDK32+479.934～YDK32+743.025，拱頂埋深8～31 m，施工方法為礦山法，為雙洞雙線型式，單洞截面寬度6.52 m。交通位置如圖1所示。

1.2 巖溶不良地質

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，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，溶洞被黏土呈全充填狀態。擬建場地內的巖溶主要成管道連通。擬建場地為巖溶強發育區，鉆孔遇溶率57.1％，線溶率為1.9％。且大冶組灰巖與安順組一段為古巖溶成因，地層呈溶塌不整合接觸，接觸帶層厚存在較大的溶塌角礫巖和不規則巖溶管道。

2 有限元模型概況

2.1 模型邊界條件

本隧道爆破施工分析通過ANSYS軟件展開，模型尺寸控制在3～5倍開挖隧道直徑，模型地層截斷處采用粘彈性人工邊界（地表為自由邊界），在ANSYS中通過COMBIN14（彈簧阻尼器）單元模擬地基土的彈性恢復性能及其對散射波能量的吸收。

2.2 數值模擬的建立及參數選取

隧頂隱伏溶腔計算模型如圖2所示，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。溶腔位于左線隧道拱頂，4 m，距離隧道拱頂4 m。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。

3 計算結果分析

3.1 地層縱剖面振速分析

為明確在隧道頂部賦存巖溶空腔時，爆破施工下地層內速度及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速度及應力傳播分析。圖3為地層縱剖面振速云圖。

根據爆破振動理論分析，計算中將爆破荷載簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，其中上升段峰值時間為0.012 s，下降段結束時間為0.1 s。由圖3可知荷載上升段結束時，在爆破掌子面周邊很小范圍內質點出現一定速度，在0.03 s左右時，速度傳播至溶腔底部質點，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之間。在0.12 s左右時，臨近地表質點出現明顯振速，表明爆破后的機械波在此時傳播至地表。在0.4 s左右時地層中質點振速處于較低水平，而地表處質點出現較大范圍的高位，最大振速為3.32 cm/s。0.4 s后，地層中質點速度均處于較低水平，地表各質點振速也開始衰減，在0.6 s后，地層內各質點振速基本衰減至較低水平。

從波形分布特征來看，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。

3.2 地層橫剖面振速分析

圖4為地層橫剖面不同時間點質點速度云圖，由圖4可知0.03 s左右時速度傳播至溶腔底部質點，0.12 s左右時，臨近地表質點出現明顯振速，0.4 s左右時地表處質點出現較大范圍的高位，0.4 s后地層中質點速度均處于較低水平，地表各質點振速也開始衰減，在0.6 s后地層內各質點振速衰減至較低水平。從橫剖面來看，巖土分界面及巖溶空腔對周邊圍巖的影響更為明顯，在分界面及空腔壁上出現高于周邊圍巖的振速水平，同時可以觀察到當機械波在到達隧道正上方地表后繼續向左右兩側傳播并逐漸衰減。

3.3 地表振速分析

地鐵、城市隧道的修筑，淺埋地下結構的開挖爆破震動對地面設施，特別是對城市地面建筑物的危害往往較大且具有不可逆性，對爆破施工后地表的波形及地表質點振速進行分析，揭示爆破施工對其地表的影響特征及規律。圖5為不同時間地表振速云圖。

由圖5可知隧道掌子面爆后0.08 s左右在掌子面正上方質點開始出現振速，隨后以近圓形向周邊展開并出現明顯的波動帶，在爆后0.4 s左右地表出現最大振速點，位于隧道掌子面正上方偏左側5～8 m范圍內，0.4 s時最大振速值為3.36 cm/s。

為進一步分析隧道爆破施工后地表質點振動時程特征，取圖6所示的監測斷面及地表質點監測點進一步進行分析。圖7、圖8分別為橫向測點X1～X6、縱向測點Z1～Z6質點振速（Vy）時程曲線。

從振速曲線整體分布來看，監測點在爆后0.3～0.4 s內達到振速峰值，在爆后5 s左右其振速衰減基本完成，其質點振動頻率在4～6 Hz之間。觀察各測點在其時域內的峰值振速，有X1gt;X2gt;X3、X4lt;X5lt;X6，表明爆破掌子面正上方并非最大振速點，結合地表振速云圖得知最大振速點分布于其兩側一定范圍內；縱向監測斷面上各測點峰值振速大小關系為：Z1gt;Z2gt;Z3gt;Z4gt;Z5gt;Z6，表現為掌子面前方對應地表振速大于掌子面后方對應地表，結合前面的地表振速云圖，縱向監測斷面上的監測點最大振速點分布在隧道掌子面前側對應地表一定范圍內。

圖9為兩條監測斷面在整個計算時域內質點最大振速曲線，其分布特征表現為中間低、兩端高，呈“M”型分布。橫向監測斷面上最大質點振速為1.762 cm/s，位于掌子面正上方左側6.25 m處；縱向監測斷面上最大質點振速為1.876 cm/s，位于掌子面前方地表3.75 m處。

4 結論

本文基于貴陽軌道交通3號線浣紗路站—黔靈山公園區段工程，通過有限元分析的方法，對城市淺埋巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學特性進行了分析研究，主要得到以下結論。

（1）爆破施工開始后，爆破掌子面周邊質點首先出現振速，之后傳播至溶腔底部，接著繼續沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播。振速主要呈現分條狀分布，且前后兩條波帶間隔距離在6～8 m之間。機械波在到達隧道正上方地表后繼續向左右兩側傳播，在0.6 s之后逐漸衰減，各質點振速減小到較低水平。

（2）機械波在泥質土層中傳播速度更小，使得波形分布出現畸形，且處于巖土分界面的溶腔對周邊圍巖的振動響應具有增幅作用。

（3）隧道掌子面發生爆破后的0.4 s地表振速達到峰值3.36 cm/s，位于隧道掌子面正上方偏左側5～8 m范圍內，在爆后5 s左右振速衰減基本完成，其質點振動頻率在4～6 Hz之間。其中，地表橫向與縱向最大質點振速分別為1.762 cm/s以及1.876 cm/s，分別位于掌子面正上方左側6.25 m處以及前方地表3.75 m處。

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