隧道爆破开挖作用下洞口高边坡的动力响应

曹淑学

（深圳市光明新区建筑工务局，广东深圳 518107）

钻爆法是山岭隧道常用的施工方法，爆破施工在洞口周边围岩中产生的应力波、爆轰气体压力［1-2］使得洞口边仰坡产生振动，不利于其稳定性。

关于隧道与边坡动力作用相互影响的研究多集中在地震荷载下洞口边仰坡的稳定性问题。吴冬等［3］进行了隧道洞口段大型振动台模型试验，指出隧道洞口段仰坡水平向动力响应受隧道影响较小，可简化为自然边坡进行分析。陈永明等［4］采用离散元数值模拟技术研究了地震作用下隧道节理岩质边坡的失稳机理，并求出了该边坡的安全系数。房军等［5］分析了宝兰客运专线黄土隧道洞口段边坡进洞高程对洞口段动力响应的影响，指出在洞口段0～20 m内坡-隧系统相互影响，隧道衬砌结构受力较为复杂。

相比之下，针对普通边坡动力稳定性的研究成果较多。高文学等［6］建立爆破荷载作用下路堑边坡动力响应有限元模型，研究了下台阶爆破开挖对上台阶边坡稳定性的影响，发现采用缓冲爆破技术可有效控制路堑边坡的稳定性。闫孔明等［7］通过离心机振动台模型试验研究了含软弱夹层斜坡场地的动力响应特性，试验结果显示斜坡效应对场地中软弱夹层内的动力响应存在影响，场地软弱夹层内的加速度放大更为明显。陈训龙等［8］运用Wilson⁃θ法和MATLAB/Simulink工具建立了顺层岩质边坡地震响应简化计算方法，并提出采用整体最小平均可靠度来评价边坡的地震整体可靠性。

综上所述，以往研究成果多集中于地震荷载下隧道与洞口边仰坡的相互作用或者边坡自身的动力稳定问题，而对隧道钻爆施工引起的洞口边仰坡动力稳定问题涉及甚少。对于洞口多级高边坡，边坡振动传播规律、边坡稳定性及安全性等问题均有待研究。本文以惠州四环路西坑东隧道洞口段为工程背景，研究隧道钻爆施工对洞口多级边坡振动特性的影响。

1 工程背景

惠州市四环路南段（仲恺大道—惠南大道）道路工程中西坑隧道采用双连拱曲中墙隧道形式。隧道东洞口为采石场碎石及废料堆积区，填土厚度大、高度高，从隧道通过山脊顶部一直贯穿到隧道洞口的底部。填土呈松散状，极不稳定，易滑动。隧道洞口右侧紧邻（距离约20 m）采石场开挖所形成的边坡，边坡坡角约85º，岩体节理、裂隙发育，岩石较破碎，极不稳定。本文以隧道东洞口段及洞口边坡为研究对象。

2 计算模型

2.1 模型的建立

采用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型（图1），粉质黏土及全风化粉砂岩采用DP模型，微风化凝灰质砂岩采用弹性模型。模型左右两侧边各取3～5倍隧道最大单边尺寸可有效消除边界效应［9］，因此本模型隧道左右侧墙距离隧道侧边各5倍开挖宽度，模型总长273.5 m，宽396.0 m。模型顶部取至路堑边坡最高处，模型底部距离隧道拱底40.0 m，为隧道开挖高度（12.1 m）的3.3倍。地层物理力学参数见表1。为了避免波动在模型边界的反射对求解域的影响，在模型底部、前后、左右侧边边界施加无反射边界来模拟地层的半无限性。

图1 隧道-边仰坡有限元模型

岩土层粉质黏土全风化粉砂岩微风化凝灰质砂岩密度/(kg·m-3)1 800 1 800 2 800弹性模量/MPa 500 1 000 18 000泊松比0.35 0.30 0.25黏聚力/kPa 24 12内摩擦角/(°)19 18

2.2 爆破荷载

主隧道采用单侧壁导坑法配合台阶法开挖，中导洞采取全断面施工。围岩开挖采用短进尺，每天2个循环，每循环进尺1.6 m。炮眼分布如图2所示。其中，掏槽眼、周边眼、辅助眼、底板眼孔径分别为32，25，32，32 mm；深度分别为1.88，1.78，1.78，1.78 m；装药量分别为1.173，0.280，0.980，0.980 kg。

图2 掘进面炮眼布置示意

根据图2统计得出，每循环进尺主隧道上台阶、下台阶、侧导洞、中导洞总装药量分别为87.54，70.81，57.91，51.11 kg。

计算采用显式动力分析程序LS⁃DYNA。该软件中特有的*LOAD_BLAST关键字将Conwep空气荷载计算程序编入DYNA计算程序，按照距离、入射角等条件计算荷载到达结构表面的时间、反射超压、冲量等空气荷载爆炸参数，同时还可以考虑接触与非接触爆炸等情况，成为研究结构在爆炸荷载作用下动力响应问题的理想工具。

*LOAD_BLAST关键字中的爆炸荷载计算式为

式中：P（t）为爆破压力；Pref为反射压力；θ为爆炸入射角；Pin为入射压力；Pr0为反射超压峰值；t为爆破时间；t0为正压作用时间；a为反射压力衰减系数；b为入射压力衰减系数；Ps0为入射超压峰值。

*LOAD_BLAST关键字需指定爆炸荷载的TNT当量以及起爆点位置坐标，据相关试验测定［10］，单位质量2号岩石乳化炸药的等效TNT质量为0.933 kg。

隧道分段爆破时，首段爆破仅在一个临空面的条件下展开。首段爆破为后续爆破创造了更多的临空面，因此与后续爆破相比，其能量损耗小，炸药单耗大，首段爆破对围岩的振动影响也最大。研究表明，掏槽孔引起的周围岩体介质振动速度最大，随着后续段数炸药起爆，振动速度依次减小；周边孔起爆药量虽大，但由于自由面较多，其产生的振动速度要小于掏槽孔。因此文中计算每个开挖断面采用一次齐发装药爆破，是一种高效且偏安全的处理办法。并且就隧道开挖断面与整个模型的体量对比来看，采用上述简化处理对边坡的动力响应影响较小。

2.3 计算工况

单侧壁导坑法配合台阶法施工过程中，隧道开挖断面较多，工序复杂，每道工序对高边坡振动的影响不同。依照爆破设计，研究中导洞（工况1）→侧导洞（工况2）→上台阶（工况3）→下台阶（工况4）依次起爆对高边坡振动特性的影响，不同开挖断面起爆点位置取其几何中心。

起爆后爆破荷载在极短的时间内即可达到峰值，然后迅速衰减。现有爆破作用对隧道衬砌影响的研究［11］表明总计算时间取200 ms已经足够。本文的研究重点在于洞口边坡的响应，因其距起爆中心较远，考虑到爆破地震波在围岩中的传播，各计算工况的持续时间均取为2 s。

3 计算结果分析

3.1 边坡质点振动速度时程分析

以工况1为例，取中导洞上方拱顶、坡面以及地层中部位置测点进行研究。考虑到坡面具有较大斜度，所有方向的振动均对坡面具有影响，故此处取速度矢量和为研究对象，所得质点振动速度时程及峰值分布见图3。

图3 中导洞上方地层质点振动速度

由图3可知：起爆开始后，拱顶及地层振动速度迅速上升，均在0.01 s内到达峰值，随后快速下降。相对而言，由于爆破地震波在地层中传播的时效性，坡面振动速度峰值明显滞后，在0.19 s时峰值出现。拱顶与地层处波形基本一致，出现双峰值特性，而坡面处呈现单峰值形态。这是由于隧道处于全风化粉砂岩中，而坡面为粉质黏土，地层特性相差较大，波动在地层交界处出现折射与反射，使得波形有明显变化。中导洞拱顶、地层、坡面处振动速度峰值分别为28.810，3.238，0.383 cm/s，振动速度自下而上衰减十分迅速。这是因为上方地层为粉质黏土，地层较为松散，弹性模量低，材料阻尼较大，波动在传播过程中被迅速吸收。

分别选取隧道洞口仰坡、洞口右侧边坡、路堑边坡3处边坡上典型测点，对其质点振动速度进行定量分析。工况1边坡质点振动时程曲线见图4。

图4 中导洞起爆时边坡质点振动时程

由图4可知：爆破发生后，距离起爆点较近的洞口仰坡监测点速度迅速增大至峰值，随后逐渐减小；而距离起爆点较远的洞口右侧边坡测点以及最远的路堑边坡测点速度峰值出现的时间依次滞后。以Ⅰ测点为例，仰坡、洞口右侧边坡、路堑边坡监测点速度达到峰值的时间分别0.12，0.39，0.56 s。

由于路堑边坡距离起爆点最远，振动衰减使得其Ⅰ、Ⅱ两级边坡速度振动峰值相近。相对而言，仰坡及洞口右侧边坡上Ⅰ测点振动幅值明显最大。仰坡、洞口右侧边坡、路堑边坡最低处振动速度峰值分别为1.528，0.718，0.228 cm/s。距离越远，振动衰减越迅速。

3.2 边坡质点振动速度峰值分析

不同工况下边仰坡不同位置处质点振动速度峰值见图5。

图5 边坡质点振动速度峰值

由图5可知，不同工况均显示洞口处边坡质点振动峰值最大，随着远离隧道洞口均呈现近似指数衰减，其中洞口仰坡各测点的峰值显著高于洞口右侧边坡与路堑边坡。仰坡坡面测点振动速度峰值依次为工况 3（3.948 cm/s）＞工况 4（2.535 cm/s）＞工况 1（1.528 cm/s）＞工况2（1.366 cm/s）。由此可见，隧道起爆装药量是影响边坡振动的关键。工况3开挖断面最大，装药量最多（81.67 kg），仰坡坡面测点振动速度峰值最大。而对于工况1及工况2，其开挖面积及装药量均相近，故坡面质点振动速度相近。又由于仰坡坡面测点位于隧道中部，更邻近中导洞，故出现工况1测点振动速度峰值略大于工况2的情形。

岩土地层中爆破振动传播频率一般小于10 Hz。依照GB 6722—2014《爆破安全规程》，永久性岩石高边坡安全允许质点振动速度应小于5 cm/s。故本工程洞口高边坡在隧道钻爆施工条件下是安全的。

4 结论

1）中导洞断面起爆后，拱顶及上方地层处质点振动速度迅速上升，均在0.01 s内达到峰值。由于爆破地震波传播的时效性，顶部坡面处峰值在0.19 s时出现。由于坡面与隧道所处地层相差较大，爆破地震波在隧道附近呈现双峰值形态，而在坡面处为单峰值，且由拱顶处的28.810 cm/s峰值振动速度迅速降至坡面处的0.383 cm/s。

2）中导洞断面起爆后，距离起爆点位置较远的洞口右侧边坡测点以及最远的路堑边坡测点速度峰值出现的时间依次滞后。以Ⅰ测点为例，边仰坡、洞口右侧边坡、路堑边坡监测点速度达到峰值的时间分别0.12，0.39，0.56 s，振动速度峰值分别为 1.528，0.718，0.228 cm/s。距离越远，振动衰减越迅速。

3）仰坡坡面测点振动速度峰值依次为上台阶起爆＞下台阶起爆＞中导洞起爆＞侧导洞起爆，由此可见隧道起爆装药量是影响边坡振动的关键。据规范故本工程洞口高边坡在隧道钻爆施工条件下是安全的。