超小凈距隧道爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測 及動力響應(yīng)分析研究

朱正國，孫明路，朱永全，孫星亮

（1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.武漢鐵路局 武漢橋工段，武漢 430000）

1 引 言

小凈距隧道是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式，由于它不受地形條件以及總體線路線型的限制，又較連拱隧道施工工藝簡單、易于防水處治、造價易于控制，采用的工程實(shí) 例有急速增加之勢，在公路交通、鐵路交通、水利以及城市地鐵等工程中都出現(xiàn)了小凈距隧道。對于小于一倍洞徑的小凈距隧道施工，極易導(dǎo)致隧道變形失穩(wěn)、支護(hù)開裂、甚至二次襯砌開裂等問題[1]。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和監(jiān)控量測等手段對小凈距隧道合理凈距、支護(hù)時機(jī)、后行隧道爆破開挖對先行隧道的影響、施工方法優(yōu)化、安全爆破控制方法等進(jìn)行了大量的研究工作[2－12]，取得了一定的研究成果。但由于南京地鐵苜蓿園站－小衛(wèi)街站隧道區(qū)間K18+773～K19+002 段中間巖柱凈距為0.309～0.580 m，長達(dá)229 m，最小凈距才0.309 m，且該段圍巖為軟巖，施工過程中多次爆破開挖、多次擾動而成為受力薄弱環(huán)節(jié)，巖柱體將不可避免地形成貫通的塑性區(qū)，而且覆土地層淺、城市環(huán)境要求高，當(dāng)屬目前國內(nèi)小凈距隧道之最。本文結(jié)合南京地鐵苜蓿園站－小衛(wèi)街站隧道區(qū)間折返線段超小凈距隧道，運(yùn)用現(xiàn)代信息化反饋設(shè)計理論，通過對現(xiàn)場爆破試驗(yàn)實(shí)測振動數(shù)據(jù)及大量數(shù)值模擬計算，研究先行隧道壁面的振動特性及其變化規(guī)律，討論振動強(qiáng)度與循環(huán)進(jìn)尺、段最大裝藥量及分段爆破差等爆破設(shè)計參數(shù)之間的相互關(guān)系，完善設(shè)計方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。本研究為本工程中超小凈距后行隧道爆破施工對先行隧道影響提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，也可為類似隧道工程的爆破掘進(jìn)在理論上和施工方法上提供參考借鑒。

2 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)控量測

為保證既有襯砌的質(zhì)量，對后行隧道爆破引起的振動進(jìn)行監(jiān)測，以此為依據(jù)來優(yōu)化超小凈距隧道工程爆破參數(shù)的設(shè)計和后續(xù)施工。

因后行隧道左側(cè)上臺階爆破無臨空面，上臺階爆破產(chǎn)生的振動一般較大，可以將后行隧道左側(cè)上臺階的爆破作為監(jiān)測的重點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，振動測試監(jiān)測點(diǎn)以5 m 為間距依次布置5 個斷面，為了對比分析先行洞襯砌爆破面前后方的影響規(guī)律，測點(diǎn)分別布置在爆破面前方和爆破面后方，如圖1 所示，每個斷面各2 個測點(diǎn)，即右拱腳和右邊墻，每個測點(diǎn)布置徑向和切向各1 個拾振器。監(jiān)測儀器采用北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的DASP2000軟件，拾振器由中國地震局工程力學(xué)研究所研制。由于爆破振動效應(yīng)隨著傳播距離的增大逐漸衰弱，每次測試在爆破點(diǎn)較近的測點(diǎn)進(jìn)行測試。每次測試結(jié)束后立即分析結(jié)果，這樣可為優(yōu)化爆破設(shè)計以及振動控制提供依據(jù)。

圖1 測點(diǎn)位于爆破面前方及后方布點(diǎn)示意圖 Fig.1 Layout of monitoring points in blasting surface of the front and rear

2.1 相鄰隧道左側(cè)上臺階施工爆破振動

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，其中臨近左線隧道的右線上導(dǎo)坑爆破振動測試結(jié)果如表1 所示。

從表1 可看出，各監(jiān)測斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動的影響稍大于后方襯砌；不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動；在爆點(diǎn)距離0 m 處1#測點(diǎn)的邊墻徑向先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速偶爾達(dá)到21.2 cm/s，超過了規(guī)范規(guī)定的上限值20 cm/s[13]，實(shí)際爆破施工中在爆破時重點(diǎn)監(jiān)測，并對爆破設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。各監(jiān)測斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，這與后面小凈距隧道爆破動力響應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果一致。

2.2 相鄰隧道左側(cè)下臺階施工爆破振動

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，典型爆破振動波形取下臺階爆破距爆點(diǎn)0 m 處1#測點(diǎn)拱腳徑向地震波如圖2 所示。

由圖和計算結(jié)果可知，各爆點(diǎn)距離的邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動的影響稍大于后方襯砌；不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動；在爆點(diǎn)距離0 m 處1#測點(diǎn)的邊墻徑向先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速偶爾達(dá)到20.4 cm/s，超過了規(guī)范規(guī)定的上限值 20 cm/s，實(shí)際爆破施工中在爆破時重點(diǎn)監(jiān)測，并調(diào)整爆破設(shè)計參數(shù)；總體來看，下臺階爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌各測點(diǎn)最大振速比上臺階爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌各測點(diǎn)最大振速小，這主要由于采用CD 法施工，上臺階爆破無臨空面，上臺階爆破產(chǎn)生的振動一般較大，因此，可以將上臺階的爆破作為監(jiān)測的重點(diǎn)。

圖2 下臺階爆破1#測點(diǎn)處拱腳徑向地震波 Fig.2 The centripetal seismic wave in #1 point arch springing during lower bench blasting

2.3 相鄰隧道左側(cè)上下臺階同時施工爆破振動

小凈距左側(cè)隧道襯砌后，相鄰右線隧道爆破振動影響區(qū)最大位置為臨近左線隧道導(dǎo)坑，其中臨近左線隧道的右線上、下導(dǎo)坑同時爆破振動測試結(jié)果如表2 所示。

由表可知，上、下臺階同時爆破，先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速為距爆破點(diǎn)0 m的1#測點(diǎn)處左線右拱腳襯砌混凝土徑向和切向振速分別為22.2、27.2 cm/s，均超過了規(guī)范規(guī)定的上限值20 cm/s，所以在實(shí)際施工中應(yīng)禁止上、下臺階同時爆破作業(yè)。

表2 上下臺階同時爆破先行洞迎爆側(cè)襯砌最大振速（cm/s） Table 2 The maximum vibration velocity of facing blasting lining in antecedence tunnel during upper and lower bench blasting

3 后行隧道控制爆破振動優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測分析可知，初始設(shè)計的爆破監(jiān)測最大振速超過了規(guī)范規(guī)定的上限值，如果按照初始爆破設(shè)計繼續(xù)爆破，將對先行隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。接下來的爆破即是根據(jù)前期爆破振動監(jiān)控量測的結(jié)果優(yōu)化爆破設(shè)計，并進(jìn)行監(jiān)測，為順利完成南京地鐵超小凈距隧道做好準(zhǔn)備。

根據(jù)小凈距隧道相鄰隧道施工擾動、地層抗力解除對先行已施工隧道安全性影響數(shù)值模擬分析，左線先行隧道襯砌后再進(jìn)行相鄰右線后行隧道施工對結(jié)構(gòu)安全有利。根據(jù)后行隧道斷面相對較大和控制爆破振動的需要，后行隧道采用CD 法施工，并且先行施工遠(yuǎn)離左線既有隧道的外側(cè)，對循環(huán)進(jìn)尺、段最大裝藥量與分段爆破差等爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定的右線后行隧道施工順序及爆破優(yōu)化設(shè)計如圖3 所示。

圖3 后行隧道施工順序及爆破優(yōu)化設(shè)計圖 Fig.3 Construction sequence using in later tunnel and blasting design optimization chart

由于右線隧道開挖距左線隧道凈距僅0.309 m，為保護(hù)先施工左線隧道支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)安全，施工設(shè)計爆破控制振動速度為20.0 cm/s，開挖順序如 圖3 中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。根據(jù)圍巖級別、小凈距隧道凈距值、爆破理論及現(xiàn)場實(shí)踐等綜合選定爆破參數(shù)：掏槽孔間距a=100 cm，排間距為50 cm，孔深L=0.6 m；周邊光爆眼間距a=45 cm，最小抵抗線W =55 cm；輔助眼孔間距a=80 cm，排間距b=65 cm，爆眼孔徑D=40 mm。

通過減小循環(huán)進(jìn)尺、控制段最大裝藥量與分段爆破差等爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，最終后行隧道爆破優(yōu)化設(shè)計如圖3 所示，滿足左線振速控制要求下爆破設(shè)計參數(shù)如表3 所示。Ⅰ、Ⅱ區(qū)先爆破，為Ⅲ、Ⅳ區(qū)的后續(xù)爆破創(chuàng)造足夠好的臨空面，周邊做減振孔和分散裝藥等手段，結(jié)合超前支護(hù)小導(dǎo)管鉆孔和預(yù)設(shè)泡沫的隔振層，使左洞Ⅲ、Ⅳ區(qū)爆破對控制點(diǎn)的振速影響有所折減，與爆破點(diǎn)至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)K 和衰減指數(shù)α 分別從250 降為150、1.8 變?yōu)?.0。

根據(jù)施工設(shè)計爆破振動控制速度和各類爆破孔距左線距離，設(shè)計該斷面爆破各段位的允許藥量和齊爆孔數(shù)如表3 所示。表中最凈距離指到右線襯砌最左邊內(nèi)表面最凈距離，為各分部開挖邊界距地面建筑物的最小距離，掏槽孔最大裝藥量根據(jù)掏槽眼距左線襯砌內(nèi)表面最凈距離得出，輔助眼、周邊眼最大裝藥量根據(jù)各分部邊界距左線襯砌內(nèi)表面最凈距離得出。

表3 邊洞先行施工方案爆破設(shè)計參數(shù)和震動分析 Table 3 Blasting design parameters of side culvert construction program and vibration analysis

4 后行隧道爆破優(yōu)化設(shè)計效果評價

為了更好地對左線先行隧道穩(wěn)定性進(jìn)行控制，確保后行隧道的順利施工和先行隧道的結(jié)構(gòu)安全，本文采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型模擬后行隧道爆破開挖過程中對先行隧道的動力響應(yīng)分析。模擬過程中選取埋設(shè)監(jiān)測儀器的斷面處為研究對象，根據(jù)實(shí)際情況取隧道的埋深、圍巖的力學(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力參數(shù)等。

4.1 模型及參數(shù)

（1）計算模型 在本次計算分析中，仍采用擴(kuò)大邊界范圍的方式以減小邊界效應(yīng)的影響。計算模型的外邊界：左、右X 方向范圍為-75～75 m，Y 方向（隧道縱向）范圍為0～60 m，Z 方向范圍為-35～35 m，上邊界取為自由邊界（地面）。而且用FLAC3D進(jìn)行動力計算，網(wǎng)格剖分的尺寸受輸入波動的最短波長控制，且要求網(wǎng)格劃分的尺寸要相對均勻。三維計算模型及網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 計算模型及網(wǎng)格劃分 Fig.4 Computational model and meshing

（2）模擬計算參數(shù) 根據(jù)本工程實(shí)際圍巖情況，圍巖和支護(hù)、結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表4 所示，其他爆破設(shè)計參數(shù)取值如 表3 所示。此次模擬采用理想彈塑性模型，計算時屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，并設(shè)置大應(yīng)變計算模式。

表4 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù) Table 4 Calculation parameters of surrounding rock and support structure

（3）初始條件與邊界條件

①初始地應(yīng)力場：僅按照自重應(yīng)力場考慮。

②靜力計算邊界條件：采用位移邊界條件，即模型的左右（X 方向）邊界、前后（Y 方向）邊界和底邊界均施加位移約束條件、上邊界取自由邊界。

③動力計算邊界條件：FLAC3D求解動力問題時，邊界條件設(shè)置有遠(yuǎn)置人工邊界和黏滯邊界條件兩種。本文采用黏滯邊界條件，在模型的左右邊界、前后邊界和下邊界均施加黏滯邊界條件，上邊界作為自由邊界。

（4）爆破荷載

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，爆破荷載采用三角形荷載，典型的爆破震動升壓時間約為8～12 ms，卸載時間約為50～120 ms。據(jù)此，在本文中，假定升壓時間為10 ms，卸載時間為100 ms，計算時間取600 ms。本工程采用32 mm 直徑藥卷，炮孔直徑D=40 mm，計算得偶合裝藥情況下炮孔內(nèi)初始徑向峰值壓力rP=3.74 GPa，不耦合裝藥情況下炮孔初始平均壓力0P=0.98 GPa。

4.2 計算結(jié)果分析

整個計算過程分為靜力計算和動力計算。動力計算以靜力計算為前提，待靜力計算完畢后，再將速度時程施加于開挖隧道的內(nèi)壁，得到動力計算結(jié)果。

為了與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果作對比，計算中取監(jiān)測的斷面包括隧道軸線方向Y =20、25、30 m（模型中間位置）、Y=35、40 m 等5 個斷面，由計算結(jié)果可知，圍巖中點(diǎn)的振動速度隨時間的變化基本成一種諧波的形式，且在橫向爆破地震荷載作用下，左、右X 方向的峰值振速要遠(yuǎn)大于上、下Z 方向的峰值振速，因此，這里主要以X 方向的峰值振速為依據(jù)進(jìn)行判斷。對左線先行隧道各截面襯砌各關(guān)鍵點(diǎn)的X 方向振動速度峰值進(jìn)行了統(tǒng)計，如表5 所示。

表5 左線隧道關(guān)鍵點(diǎn)X 方向速度峰值 Table 5 Peak velocity of key point in left tunnel along X direction

由表可知，迎爆側(cè)一面的峰值振動速度均比背爆側(cè)一面的峰值振動速度大得多；爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動的影響稍大于后方襯砌，且不論開挖面前方和后方，臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動；各截面背爆側(cè)峰值振動速度普遍比較小，最大值只有4.8 cm/s，不會發(fā)生破壞，因此，背爆側(cè)比較安全；同一截面中的最大峰值振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)右墻腳位置，這一位置是隧道截面中最危險的位置，迎爆側(cè)起拱線以上部分為次峰值振動區(qū)，是隧道截面中第2 危險位置，模型中間截面右墻腳處X 方向速度峰值最大，最大振速達(dá)15.4 cm/s，與實(shí)測最大值17.2 cm/s 相差不大，這樣既保證了數(shù)值計算的安全性，又保證了準(zhǔn)確性，故用數(shù)值計算來分析和預(yù)測后行隧道爆破開挖過程中對超小凈距先行隧道的振動影響是可行且可靠的。

另外，現(xiàn)場爆破作業(yè)嚴(yán)格根據(jù)上面優(yōu)化的爆破設(shè)計進(jìn)行，由現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊墻徑向先行隧道迎爆側(cè)襯砌最大振動速度為17.25 cm/s，小于范規(guī)定的上限值20 cm/s，其他部位各方向振動速度更小，即優(yōu)化后的爆破設(shè)計后續(xù)施工未對先行隧道產(chǎn)生較大影響，先行隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也再次驗(yàn)證了優(yōu)化后的爆破設(shè)計是合理的。

5 小凈距隧道施工爆破振動控制措施

針對本工程特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測及數(shù)值計算，施工爆破振動控制措施主要從減振和隔振兩方面來實(shí)現(xiàn)，在施工過程中減振方面控制措施主要采用了右線后行隧道CD 法外側(cè)導(dǎo)坑先施工；內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑臺階分部施工，禁止上下臺階同時；減小循環(huán)進(jìn)尺至0.5 m；控制最大齊爆孔數(shù)或單段最大炸藥量；掏槽位置盡量偏外、掏槽眼成對分段起爆；分段爆破差不小于100 ms。隔振方面控制措施主要采用了周邊小導(dǎo)管隔振（后續(xù)施工的右線隧道臨近左線隧道外側(cè)布置環(huán)向隔振孔，隔振孔直徑為48 mm，中心間距為350 mm，孔內(nèi)布置φ 40 mm 鋼管）；周邊孔隔孔裝藥；先施工隧道支護(hù)外側(cè)預(yù)設(shè)置3～5 cm泡沫隔振層。本工程通過這兩方面措施綜合實(shí)現(xiàn)爆破振動控制，在實(shí)際工程施工中效果顯著。

6 結(jié) 論

（1）在掏槽爆破時，相鄰隧道右墻腳速度峰值較大，在實(shí)際爆破施工中應(yīng)改進(jìn)掏槽爆破設(shè)計并在爆破時重點(diǎn)監(jiān)測。

（2）各監(jiān)測斷面邊墻的切向和徑向振速比拱腳相應(yīng)振速大，爆破面前方先行洞襯砌受爆破振動的影響稍大于后方襯砌；臨近爆破點(diǎn)的左線隧道襯砌表面振動大于遠(yuǎn)離爆破點(diǎn)的襯砌表面振動，在實(shí)際爆破施工中在爆破時重點(diǎn)監(jiān)測。

（3）后行右線隧道左側(cè)導(dǎo)坑下臺階爆破先行隧道迎爆側(cè)襯砌各測點(diǎn)最大振速比左側(cè)導(dǎo)坑上臺階爆破先行隧道迎爆側(cè)襯砌各測點(diǎn)最大振速小，可以將后行右線隧道左側(cè)導(dǎo)坑上臺階的爆破作為監(jiān)測的重點(diǎn)。

（4）針對工程特點(diǎn)，形成了小凈距隧道爆破振動控制措施，有效地指導(dǎo)了施工。

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