山嶺隧道爆破條件下初支混凝土振動影響研究

萬春浪　黃文寧

摘要：文章以我國西部某省的某小徑距山嶺隧道為工程背景，采用有限元軟件Midas GTS NX研究了不同隧道開挖方法下相同爆破動載的初支混凝土振速和爆破中心點距離之間的關(guān)系，分析了爆破載荷對初支混凝土的影響，并提出了適宜山嶺小徑距隧道的爆破開挖方法。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道;初支混凝土;爆破;小徑距隧道

中圖分類號：U455.6A210755

0 引言

我國西部地區(qū)為多山地貌，在該類地區(qū)修建高等級公路，遇到復(fù)雜地質(zhì)圍巖時，受特殊地形限制，不可避免地需要修建小徑距隧道。對于硬質(zhì)巖地區(qū)，傳統(tǒng)的機(jī)械開挖方法并不適用，爆破施工方法在現(xiàn)有技術(shù)條件下具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和施工效率，在公路隧道挖掘中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但爆破振動容易導(dǎo)致隧道初期支護(hù)混凝土的開裂，使隧道結(jié)構(gòu)的安全受到干擾，產(chǎn)生巨大的噪聲及振動等一系列嚴(yán)重問題，尤其是對于小徑距的山嶺隧道而言。因此，對于小徑距山嶺隧道的爆破施工，必須研究初支混凝土的動態(tài)響應(yīng)和微擾動設(shè)計[3]，才能夠有效地控制爆破振動，確保隧道工程安全高效地完成。

目前，國內(nèi)外的研究學(xué)者在不同的工程背景下，對隧道爆破施工的初支混凝土動態(tài)響應(yīng)和擾動設(shè)計問題進(jìn)行了大量有益的研究。胡錦華[4]通過現(xiàn)場試驗并結(jié)合測振儀模擬研究了山嶺隧道爆破過程中振動對二次襯砌混凝土的內(nèi)部損傷，并得出新澆筑12 h以內(nèi)的混凝土在爆破作用下受影響最大的結(jié)論。劉閩龍等[5]通過結(jié)合LSDYNA軟件及數(shù)值模擬研究了淺埋小徑距隧道斷面爆破周圍的損傷范圍，并得出小徑距隧道爆破最大損傷范圍為0.58 m的結(jié)論。褚玉成、王眾等[6-7]通過數(shù)值模擬手段以及現(xiàn)場試驗分析了爆破作用下的初支混凝土的力學(xué)演變機(jī)制，得出了爆破振動在初支混凝土中的能量衰減規(guī)律及齡期混凝土的爆破損傷規(guī)律。

如今，我國隧道的修建數(shù)量已成為世界第一，隧道修建的方式方法也發(fā)生了較大改變，尤其在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建的山嶺小徑距隧道，對其穩(wěn)定性機(jī)制的研究仍存在較大空間，為此，本文采用有限元軟件Midas GTSNX進(jìn)行了山嶺小徑距隧道在爆破振動條件下的穩(wěn)定性機(jī)制分析，主要研究了爆破載荷作用下初支混凝土的振速與爆破中心點距離之間的關(guān)系，分析了爆破載荷對初支混凝土的影響，并以此提出了適宜山嶺小徑距隧道的爆破開挖方法和爆破參數(shù)。研究結(jié)果為揭示小徑距山嶺隧道爆破施工中的初支混凝土穩(wěn)定性力學(xué)機(jī)制提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

本研究以我國西部地區(qū)某省的山嶺小徑距隧道為工程依托。該山嶺隧道位于該省A、B兩市之間，是兩市高速公路交通樞紐的控制性工程。如圖1所示，該隧道是一座雙向分離式隧道，左幅全長5 762 m，右幅全長5 589 m。該隧道是一個小徑距隧道，其出入口之間，高差69 m，縱坡-1.89%（單向坡），最大埋深864 m。根據(jù)對地質(zhì)資料的初步勘探表明，隧道區(qū)域以花崗巖為主，主要的巖體結(jié)構(gòu)由一系列的褶皺和斷層組成，Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖交替存在，其中隧道左幅Ⅲ級圍巖共647 m，Ⅳ級圍巖4 126 m，Ⅴ級圍巖989 m;隧道右幅Ⅲ級圍巖共698 m，Ⅳ級圍巖4 208 m，Ⅴ級圍巖683 m，由此可見本隧道工程總體圍巖情況較差。因此，隧道開挖采用了不同施工方法，整體以鉆爆法為主。

2 隧道爆破施工計算參數(shù)的選擇

2.1 巖體及初支計算參數(shù)

由于該隧道通過的地質(zhì)環(huán)境以Ⅳ級圍巖居多，圍巖自穩(wěn)能力較弱，在爆破施工過程中容易破壞或崩塌，因此選擇Ⅳ級圍巖斷面進(jìn)行爆破影響分析。對于不同的爆破因素及不同開挖工法下，采用摩爾-庫侖模型修正的巖土體本構(gòu)計算模型及其物理力學(xué)性能的計算值，如表1所示給出了施工中圍巖破壞的有限元計算模型具體參數(shù)。

2.2 隧道數(shù)值計算模型的建立

由于隧道爆破采用光面爆破形式，實際爆破動力無法按真實模擬，因此，在進(jìn)行數(shù)值模型建立時：（1）假設(shè)隧道爆破過程的復(fù)雜性可以簡化，對于復(fù)雜的爆破面，用靜力等效的分布面進(jìn)行替代;（2）對于次要邊界面，如遠(yuǎn)離爆破孔的圍巖接觸面，假設(shè)其符合圣維南原理。在此基礎(chǔ)之上，選擇隧道模型的橫截面尺寸為隧道直徑的8倍。如圖2所示即隧道和巖體的三維固體有限元模型。在進(jìn)行長度選取時，由于隧道Ⅳ級圍巖最長連續(xù)長度為1 000 m，因此為節(jié)省數(shù)值模擬計算時間，選擇最具代表性的隧道長度進(jìn)行計算，故本模型計算寬度為81.6 m，長度為8 000 m，高度為76 m[6]。模型中的圍巖定義為三維實體元素，初支定義為板元素，材料性質(zhì)均假定為線彈性材料。隧道初支混凝土材料計算參數(shù)如表2所示。

2.3 爆破荷載計算

結(jié)合三維數(shù)值模擬軟件的特點，一次性收集爆破孔后，考慮到在爆破現(xiàn)場難以建立單一的爆破孔單元，假設(shè)爆破壓力同時作用在隧道爆破輪廓線及隧道壁，在垂直方向上，爆裂壓力的計算公式如下：

式中：Pdet——爆破壓力（kPa）;

PB——孔壁壓力（kPa）;

Ve——爆破速度（cm/s）;

de——乳化炸藥直徑（mm）;

dh——鉆孔直徑（mm）;

sge——火藥比例。

利用上述方程，計算爆破產(chǎn)生的空氣動力壓。但在實際工程中，作用于孔壁的動壓會隨時間而變化。因此，在計算爆破載荷時，可以使用Statfield給出的時空相關(guān)的動力壓方程，該計算方程如式（3）所示。

式中：B——常數(shù)，取163.38。

由式（3）可以計算出每1 kg所產(chǎn)生的動力壓，由此，再根據(jù)式（1）、式（2）可以計算出隧道爆破時的爆破荷載。式（3）中參數(shù)如下：乳化炸藥直徑為32 mm，爆孔直徑為42 mm，爆破速度為4 500 mm/s。

本研究在計算過程中，以測量到的爆破振動波作為動態(tài)載荷。振動波的高頻部分會影響其在模型中的傳播。高頻振動波的波長需要比模型中的網(wǎng)格尺寸的濾波小8～10倍，因此采用希爾伯特-黃變換（HHT）小波處理方法對高頻振動波進(jìn)行處理。如圖3和圖4所示為計算出的爆破時間-荷載曲線圖和傅里葉光譜曲線圖。爆破動力載荷在約6 ms時達(dá)到最大值。

綜上，在進(jìn)行數(shù)值模擬計算時，為最大程度反映隧道初支混凝土在爆破荷載下的影響，本文研究爆破荷載參數(shù)均按上述最高值進(jìn)行選取。由于數(shù)值模擬計算采用全斷面法、上下臺階法及三臺階法三種開挖方式開挖，為避免因能量不同導(dǎo)致的結(jié)果偏差，在進(jìn)行數(shù)值計算分析時，本文均假設(shè)隧道爆破面為全斷面。

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

該隧道由于兩幅間距較小，僅有4.5 m，且隧道埋深大，開挖距離大，且整體工程地質(zhì)條件差，施工難度極具挑戰(zhàn)性。因此本文對隧道的不同施工方法進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。主要模擬了三種不同開挖方法條件下的隧道在最大爆破荷載下的初支混凝土振速隨爆心距變化的規(guī)律。

3.1 全斷面法施工爆破荷載下的初支混凝土振動影響

如圖5（a）所示為全斷面施工條件下的隧道斷面數(shù)值模擬圖，圖5（b）為全斷面施工條件下的隧道斷面初支混凝土在最大爆破荷載下振速衰減隨爆破中心帶距離的變化曲線圖。從圖5（b）可以看出，全斷面法爆破荷載下隧道拱頂、拱腰及拱腳處的振速均隨爆破中心帶距離的加大而減小，且三者的減小趨勢趨于一致，峰值振速大小相同，在距爆破中心點越近位置，初支混凝土振速越大，并在0～5 m位置達(dá)到峰值，超過140 cm/s。振速變化總體趨勢明顯呈現(xiàn)兩個階段變化：

（1）第一階段，距離爆破中心點<10 m位置，隧道拱頂、拱腰、拱腳的振速隨距離增大快速衰減，幾乎呈現(xiàn)直線下降。此階段初支混凝土一般表現(xiàn)為遭受強(qiáng)烈振動，最容易開裂，也是最危險的位置。

（2）第二階段，遠(yuǎn)離隧道爆破中心帶>30 m。此階段隧道初支混凝土受爆破振動影響已經(jīng)很小，隧道拱腳、拱腰、拱頂位置的振速已基本降為10 cm/s，但在全斷面法開挖隧道中，爆心距直至70 m的振速仍然未減小至0。

3.2 上下臺階法施工爆破荷載下的初支混凝土振動影響

圖6（a）為上下臺階法施工條件下的隧道斷面數(shù)值模擬圖，圖6（b）為上下臺階法施工條件下的隧道斷面初支混凝土在最大爆破荷載下振速衰減隨爆破中心帶距離的變化曲線圖。從圖6（b）可以看出，上下臺階法爆破荷載下隧道拱頂、拱腰及拱腳處的振速均仍隨爆破中心帶距離的加大而減小，但三者的峰值振速明顯存在不同，盡管減小趨勢趨于一致，但在拱腳處由于下臺階未進(jìn)行開挖，峰值明顯小于拱腰及拱頂，僅有90 cm/s，拱腰及拱頂?shù)姆逯嫡袼僖裁黠@小于全斷面法開挖。振速變化總體趨勢仍明顯呈現(xiàn)兩個階段變化：

（1）在距離爆破中心點<15 m的位置，隧道拱頂、拱腰、拱腳處的振速隨距離增大快速衰減，峰值振速出現(xiàn)位置為10 m左右。由于拱腳很大區(qū)域未進(jìn)行開挖，因此拱腳振速很快在爆破中心點附近衰減，對15 m以外初支混凝土結(jié)構(gòu)安全影響較小。此階段僅有少部分初支混凝土遭受強(qiáng)烈振動，由于振速較小，混凝土開裂的可能性也大大降低，危險明顯減弱。

（2）在遠(yuǎn)離隧道爆破中心帶15 m之外。此階段隧道初支混凝土受爆破振動影響已很小，隧道拱腳、拱腰、拱頂位置的振速已基本降為5 cm/s，并在55 m位置處，混凝土振速逐漸向0靠近。

3.3 三臺階法施工爆破荷載下的初支混凝土振動影響

圖7（a）為三臺階法施工條件下的隧道斷面數(shù)值模擬圖，圖7（b）為三臺階法施工條件下的隧道斷面初支混凝土在最大爆破荷載下振速衰減隨爆破中心帶距離的變化曲線圖。從圖7（b）可以看出，三臺階法爆破荷載下隧道拱頂、拱腰及拱腳處的振速隨爆破中心帶距離變化趨勢整體與上下臺階法相同，但三臺階法由于開挖時采用的施工工藝從兩個臺階改為三個臺階，其能量吸收范圍更多，在進(jìn)行爆破時，盡管表現(xiàn)趨勢仍為兩階段形式，但此時的振速相比于上下臺階法又有所減小，尤其是對于拱腳位置的振速已經(jīng)降為80 cm/s，振動影響范圍控制在5 m左右;拱腰位置的振速已經(jīng)降為90 cm/s以下，振動范圍控制在8 m左右;拱頂振速大小降為100 cm/s，振動影響范圍控在10 m位置左右。

綜上對比，在爆破動能相同的條件下，采用數(shù)值模擬方法，對初支混凝土的爆心距-振速曲線進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)無論是全斷面法、上下臺階法還是三臺階法施工，隧道初支混凝土振速峰值均出現(xiàn)在拱頂位置，其次是拱腰位置，拱腳振速峰值最小。由此說明，采用爆破法施工的隧道無論采用以上哪種方式進(jìn)行開挖，隧道的最大振速均出現(xiàn)在拱頂位置，也是隧道初支混凝土受力最不利點。因此，在進(jìn)行初支混凝土噴射時，拱頂宜加強(qiáng)支護(hù)。由隧道初支混凝土的爆心距-振

速曲線規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，無論采用何種方法進(jìn)行隧道爆破開挖，最不利位置均為靠近隧道爆破中心點位置，其中全斷面法開挖的隧道影響距離最廣，上下臺階法次之，三臺階法影響最小，且三臺階法施工與上下臺階法施工各方面指標(biāo)接近，但三臺階法開挖施工工藝較其他兩種更為復(fù)雜，造價更高。因此，綜合經(jīng)濟(jì)及開挖效率等綜合因素，在進(jìn)行Ⅳ級圍巖開挖時，建議采用上下臺階法開挖。

4 結(jié)語

本文在數(shù)值模擬軟件Midas GTS NX的輔助下，研究了不同隧道開挖方法下相同爆破動載的初支混凝土振速和爆破中心點距離之間的關(guān)系，分析了爆破載荷對初支混凝土的影響并以此提出了適宜山嶺小徑距隧道的爆破開挖方法。得出以下結(jié)論：

（1）隧道開挖過程中，無論采用何種方法開挖，隧道受爆破振動影響的趨勢范圍基本相同，其中拱頂受爆破振動影響最大，其次是拱腰，拱腳影響最低。

（2）對于Ⅳ級圍巖條件下的小徑距隧道開挖，不同開挖方式條件下隧道受爆破影響差異較大，其中全斷面法開挖影響最大，其次是上下臺階法，三臺階法影響最小。

（3）綜合經(jīng)濟(jì)效率等多角度，在山嶺小徑距隧道開挖方法選擇中，宜優(yōu)先考慮采用上下臺階法進(jìn)行施工。

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作者簡介：萬春浪（1987—），工程師，主要從事公路道路橋梁技術(shù)研究和施工管理工作;

黃文寧（1987—），工程師，主要從事公路道路橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。