小净距隧道爆破施工振速规律探究

2019-03-19胡利平

铁道建筑技术 2019年9期

胡利平

（中国铁建大桥工程局集团有限公司天津 300300）

1 引言

随着高速公路的发展，双洞隧道在选择线路时受到地质条件限制，致使两相邻隧道无法保证最小净距的要求，因此小净距隧道应运而生。由于围岩的性质一般不均一，故在隧道施工中很难选用隧道全断面掘进机TBM（Tunnel boring machine）或者盾构法，而较多采用钻爆法施工。在隧道爆破开挖的过程中，爆破产生的地震波对相邻隧道施工相互影响的问题越来越严重，当振动波速度幅值较大时可能对小净距隧道先行洞围岩造成一定破坏，影响隧道的安全施工。因此对小净距隧道爆破施工过程中，隧洞不同位置爆破振动速度规律的探究是隧道施工中一个重要研究课题。

截至目前，已有许多学者对隧道爆破进行了研究。王明年［1］等应用现场监测和数值分析两种方法对开挖爆破产生的地震波对既有隧道衬砌结构的安全和稳定进行了分析研究。赵东平［2］等以小净距交叉隧道为例，发现当新建隧道在距离隧道交叉点10 m以外位置以全断面法爆破施工时，下方既有公路隧道仅受到较小的影响；当其在距离交叉点10 m以内位置以全断面法爆破施工时，既有公路隧道二次衬砌振动速度超标，而采用台阶法爆破施工时，新建隧道可安全通过。龚建伍［3］等以福州国际机场高速公路鹤上三车道小净距隧道为依托工程，通过监测岩柱振动速度大小，研究爆破振动速度分布规律。申玉生［4］等结合襄胡二线新刘家沟隧道实际工程，通过对既有花果山隧道的四次爆破振动测试分析及一次爆破验证，说明爆破振动的参数设计是合理的，质点的振动速度能够客观反映现场的地质状况和衰减规律，新建隧道施工爆破对爆心距最小的左边墙影响最大。蔚立元［5］等通过数值模拟得出爆破施工对海底隧道岩石覆盖层的影响范围在15 m之内的结论；施工洞和服务洞的围岩振动影响较大，且爆破工作面前方的爆破振动强度大于后方，在其影响范围内应注意加强监控量测并推迟二次衬砌的施作。罗忆［6］对爆破地震波作用下岩体中波的传播问题和边坡动力响应问题的不同破坏机理加以区分，在爆破振动安全判据中对振动频率和持续时间的影响加以考虑。田志敏［7］等采用三维有限元计算方法，分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响；研究了作用于隧道衬砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律，给出了衬砌上反射超压峰值的估计公式。朱正国［8］等以南京地铁超小净距隧道为工程背景，结合国内外现有的研究成果和规范，研究确保小净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工控制技术。通过三维数值模拟计算，得到先行隧道壁面的质点振动速度随时间的变化规律，所得最大振速符合规范要求，也再次验证了优化后的爆破设计是合理的。张云良［9］等以湖南省某隧道为工程依托，建立小净距隧道后行洞爆破施工的数值模型，得出先行洞衬砌迎爆侧振速较大，支护结构的主应力和振速极值均位于先行洞迎爆侧墙腰处；支护结构内外侧的应力值相差不大。贾磊［10］等建立了爆破施工对既有衬砌振动影响的数值模型，得出在既有隧道迎爆侧的拱脚和墙腰部位，衬砌受到爆破施工影响最显著；新建隧道爆破施工时，开挖的进尺越大，既有衬砌的振速就越高；既有衬砌受隧道间的距离影响显著，隧道间距越大，既有衬砌的振动速度受影响越小。鲁卫华［11］等结合小净距公路隧道后行洞开挖过程中的爆破监测情况，对质点垂直和水平振动速度进行回归分析，推导出了爆破振动传播衰减规律，进而得到控制隧道爆破开挖的单段最大药量。王照刚［12］等针对爆破应力波产生的巷道围岩振动破坏问题，基于弹性波理论，建立了弹性空间体中质点振动模型。计算并分析了爆破应力波作用下的巷道围岩质点位移及振动速度波形特征，研究了单次最大起爆药量和岩体弹性模量对岩体质点位移和振动速度波形的影响。

本文借鉴前人研究的小净距隧道爆破施工对近距隧道影响经验，对在爆破作用下的先行洞围岩爆破振动速度进行探究，研究结果可为以后小净距隧道爆破的设计与施工提供经验。

2 依托工程概况

蒙古道隧道是扎倒公路扎麻隆至倒淌河标段重点控制工程。隧道为双线分离式，其中左隧道全长630 m，右隧道全长565 m，隧道位于曲线上。隧道内行车道最大宽度为14 m，拱顶最大高度8.1 m，最大埋深约142 m（见图1）。隧道围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主。为了保证隧道小净距段的施工安全，在蒙古道隧道出口段后行洞掘进爆破时实施了现场振动监测。后行洞采用上下台阶法开挖，其中上台阶为楔形掏槽孔掘进爆破，下台阶为水平拉槽爆破。根据以往研究成果，上台阶掘进爆破产生的振动强度较大，所以监测的主要对象为上台阶爆破。为了降低爆破振速决定采用微差爆破，微差爆破上台阶炮孔平面布置如图2所示。图中 1、5、7、9、10、11雷管段别为0ms、110 ms、220 ms、310 ms、380ms、460ms。开挖钻爆参数见表1。

图1 小净距隧道出口段示意（单位：m）

图2 上台阶炮孔平面布置

表1 Ⅳ级围岩段上台阶开挖钻爆参数

3 数值模拟

此次爆破影响分析选用Midas/GTSNX模拟软件，根据现场小净距隧道位置关系建立计算模型，本构模型为Mohr-Coulomb模型。隧道左洞和右洞间中夹岩厚度为38.5 m，模型的长、宽、高分别为174 m、144 m、70 m，模型计算参数见表2。采用黏性阻尼边界条件模拟地形概貌。

表2 爆破振动模拟参数

本次模拟假定爆破荷载作用在隧道上台阶开挖轮廓线上，作用方向垂直于轮廓线。采用弹性边界分析其特征值，采用黏性边界进行时程分析。

建立隧道爆破开挖断面K50＋586的数值模型，计算蒙古道隧道出口K50＋580～K50＋650段在爆破振动波作用下的振速变化规律。爆破点位于左洞掌子面处。隧道爆破施工在小净距隧道左洞，观测隧道右洞各质点的振速情况。

图3为蒙古道隧道右洞喷混结构X方向最大振速图。在隧道Ⅳ级围岩段和Ⅴ级围岩段均出现极大值，且极大值的大小相差不大，Ⅳ级围岩段爆破振动极大值为4.92 cm/s，Ⅴ级围岩段爆破振动极大值为4.91 cm/s。Ⅳ级围岩段和Ⅴ级围岩段爆破振动极大值均出现在隧道迎爆侧拱腰位置，在此处围岩受爆破振动影响最为严重；对于隧道背爆侧喷混结构而言，爆破振动对其影响较小，振速基本在1 cm/s以下；隧道拱顶处爆破振动速度介于迎爆侧和背爆侧之间。在爆破振动振速监测中以迎爆侧监测为主。

图3 喷混结构X方向最大振速

隧道右洞喷混结构振速图中出现两个极大值点，出现这种情况的原因为爆破振动波衰减在Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩中不同，根据萨道夫斯基公式：

式中，V为质点振动速度；K为与介质和爆破条件因素有关的系数；Q为一次齐发总药量；R为爆源至保护建筑的距离；α为振动衰减系数。

在萨氏公式中K、α的选取与隧道围岩坚硬程度有关，具体可按表3进行选取。从表中数据可以发现，岩石越软K、α值越大，因此质点振动速度V值也就相对越大，才会出现两个极值点的情况。

表3 爆区不同岩性K、α

为了更清晰地了解爆破振速在隧道围岩中的衰减过程，提取右洞邻近截面的最大振速图（见图4）。从图中可以发现在Ⅳ级和Ⅴ级围岩段间有明显的分界面，不同的衰减速度导致了右洞喷混结构和左洞喷混结构振速最大值相差不大。

图4 爆破振速变化示意

图5为蒙古道隧道喷混结构Z方向最大振速图。隧道Ⅴ级围岩段拱肩部位出现极大值点，极大值为4.41 cm/s，Ⅳ级围岩段爆破振动极大值为4.02 cm/s，相比于Ⅴ级围岩段极值略小。计算分析同样表明，爆破振动速度极大值在X、Y、Z方向的分布不同，但最大值处仍集中在隧道爆源近区，爆源远区的爆破振动值相对较小。因此应重点关注爆源近区振速大小，确保隧道施工的安全进行。

图5 喷混结构Z方向最大振速

对于隧道迎爆侧拱腰位置质点合速度和X、Y、Z方向振动速度，X方向质点振动速度要明显大于Y、Z方向质点振动速度，合速度的大小主要由X方向振动速度决定。在质点振动曲线中出现7个极值点对应相应微差爆破时间，7个极值点分离明显，可以忽略不计。

考虑爆破振动对既有隧道迎爆侧影响较大，数值计算中重点分析迎爆侧拱顶、拱肩、拱腰和拱脚位置的振动速度规律。选取典型位置点，通过数值计算得到的各个测点振动峰值速度见图6。

图6 测点振动峰值曲线

由图6可知，从拱顶到拱脚位置，径向振速（迎爆侧X方向）呈现先增大后减小的趋势，最大振速出现在拱腰位置（4.17 cm/s），拱肩处次之（3.64 cm/s），拱顶处最小（1.90 cm/s）；Y方向振速呈现先增大后减小的趋势，最大振速出现在拱肩位置（3.92 cm/s），拱腰次之（3.47 cm/s），拱脚处最小（3.14 cm/s）；Z方向各处振速基本相同且小于X、Y方向振速。隧道拱腰和拱肩处的振动速度明显大于其他位置，是最危险处，此处振动过大会导致喷混结构出现裂纹，进而可能影响隧道右洞施工。因此，时刻关注振动监测数据（尤其是迎爆侧）对隧道左洞的安全施工具有重要意义。

4 现场监测

4.1 监测方案

为了研究后行洞上台阶掘进爆破引起的振动效应，在先行洞迎爆侧的边墙上沿隧道轴线方向布置了6个监测点，测点间距D为10 m，测点的起点位置为先行洞隧道出口10 m处。每个测点布置TC-4850爆破测振仪传感器，传感器布置见图7。图中 P1、P2、P3、P4、P5、P6为振动测点，阴影部分为未开挖围岩段。每个振动监测点设垂直、水平、径向振动速度传感器。

图7 振动监测点在隧道平面布置示意（单位：m）

4.2 监测结果及分析

从表4的监测结果可以看出，采用微差爆破减震方式可以较好地实现爆破振动的控制，其中径向速度最大值为5.28 cm/s，低于振速控制标准值12 cm/s，切向和垂向振速均小于径向振速。爆破最大振速对应的频率主要集中在30.07～54.74 Hz之间。径向振速在P3和P6测点处要大于其他测点振速，验证了数值计算中的振速规律。

表4 爆破振动数据统计

为了更好地观察爆破振动信号的时频特征，采用MATLAB软件中Hilbert-Huang变换分析爆破振动信号的瞬时频率和瞬时能量特征。

图8为Ⅳ级围岩段后行洞爆破施工采用7段微差爆破时，先行洞迎爆侧拱腰部位某振动点信号波形图。可以看出，测点最大爆破振速发生在检测信号的100～200ms之间，并未出现在掏槽爆破阶段。掏槽爆破并没有使岩石的夹制作用降低多少，直至到100～200ms间爆破作用的抛掷效应才显现。对典型爆破振动信号进行分解，分析信号的EMD分解模态函数（IMF），发现其本征模态函数（IMF）幅值在原始爆破振动信号中集中在前三个本征模态函数（IMF 1、IMF 2、IMF 3），其余本征模态函数振幅值明显较小且频率小于2 Hz，判定为干扰信号。因此选取前三个本征模态函数作为Hilbert变换到爆破振动信号Hilbert谱。从爆破振动信号Hilbert谱可见，爆破振动频率主要集中在30～60 Hz之间，信号的振幅较大区域集中在0.1～0.2 s之间。为了更加清楚地观察爆破振动信号对隧道结构的作用情况，现对信号的Hilbert谱频率积分可得振动信号的瞬时能量谱（见图9）。

图8 爆破振动径向速度时程曲线

图9 爆破振动信号瞬时能量谱

瞬时能量谱中包含3个本征模态函数（IMF），第一个本征模态函数的瞬时能量谱要明显大于其他两个，表明第一个本征模态函数所携带的能量要明显大于其他两个。在瞬时能量谱中极大值点表示一次瞬时能量的作用，可以发现7个极值点代表了微差爆破的7段。瞬时能量在前三段连接较为紧密，微差爆破间隔时间较短，后四段分离明显，微差爆破间隔时间较长。