引水隧道爆破施工对临近公路边坡影响浅析

魏 雯

福州大学土木工程学院，福建 福州 350108

0 引言

随着国家“十三五”计划的进行，促进了我国大量的道路交通、矿山、水利、城建等工程建设。在工程建设过程中涉及到大量隧道施工问题，而爆破是现代隧道工程开挖最主要的施工方法之一［1-3］。

吴燕开等［4］通过某采石厂矿石爆破工程，研究了爆炸引起临近岩石的振动效应，得出高边坡在爆破作用下的质点振动衰减规律。郑明新等［5］采用最小二乘法进行了监测数据的回归分析，研究得到单段爆破的最大装药量。陈江［6］通过某大断面公路隧道洞口段爆破开挖工程，分析了洞口爆破对临近边坡稳定性的影响。熊文林［7］分析不同工况下边坡的剪应变增量变化及塑性区破坏情况，探讨了边坡的稳定性问题。陆广亮［8］研究某隧道施工爆破对洞顶临近既有边坡的振动效应。

爆破振动影响边坡岩体结构的稳定性，同时高边坡力学性质复杂性，进一步放大爆破所产生的的高程效应［9-11］。本文在既有研究的基础上，以福州市某引水隧道工程为研究背景，选取典型断面研究隧道爆破对既有边坡的振动影响，供类似工程参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 工程概况

本文依托福州市某引水隧道下穿高速公路高边坡工程。交叉处引水隧道桩号为DH5+108，交叉角度约84°，高速公路路面高程38.75m，引水隧道交叉点隧道中心高程6.99m，隧道洞顶高程8.59m，上覆岩体厚30.16m，埋深约9.4 倍的引水隧道洞径。引水隧道横断面示意图如图1 所示。

图1 引水隧道建筑限界及净空断面图（mm）

1.2 工程地质与水文条件

隧道区属丘陵山地，隧道后段山体低矮，主要发育近南北向展布的冲沟，冲沟及两侧多基岩裸露。隧道区物理地质现象以岩体风化、卸荷裂隙发育和崩塌堆积为主，局部冲沟口及陡崖下可见孤滚石崩塌堆积，厚度1～4m，主要为大孤石、碎石为主。

引水隧道沿线分布的地层主要为侏罗系南园组第三段流纹英安质晶屑凝灰熔岩，属坚硬岩类。隧道出口段有少量燕山早期第三次侵入中粒含黑云母花岗岩。交叉段隧道围岩岩性为弱风化中粒含黑云母花岗岩，岩石致密坚硬，围岩为Ⅱ级围岩。

2 模型建立

2.1 建立有限元模型

本文采用Midas GTS NX 数值分析软件三维模拟引水隧道爆破施工对临近公路边坡的振动影响。

为减小边界效应影响，提高数值分析的精确性，隧道横向应选取3～5 倍的洞径。综合考虑后，最终模型范围X 向选取150m，Y 向170m，Z 向147m。模型示意图如图2 和图3 所示。

图2 计算模型示意图

2.2 参数选取

计算分析中，围岩材料假定为均质、各向同性材料，本构关系为理想弹塑性模型，采用四面体实体单元，屈服条件采用Mohr-Coulomb 准则。

隧道初期支护结构属性定义为弹性材料，采用三角形板单元模拟。围岩材料参数根据该工程岩土勘察报告和地区经验选取。各围岩材料物理参数如表1 所示。

表1 材料物理力学参数

2.3 边界条件

地表设置为自由边界，其余边界面均施加了粘弹性边界，采用曲面弹簧定义。按《公路隧道设计细则》建议的Ⅱ级围岩将各面法向基床系数作为围岩弹性抗力系数，切向基床系数取值为零。经结构特征值分析，计算得到第1，2 振型周期值各为：0.8847021s，0.5008572s。

2.4 分析工况

为了分析引水隧道爆破对临近边坡的影响，分别在临近两侧边坡位置共设计7 种工况，各工况起爆位置如图3 所示。隧道开挖方法为上下台阶法，单段最大爆破装药量为9.6kg。本次分析拟在模型上施加爆破冲击时程荷载，通过调整不同爆破位置，得到各工况下公路边坡的振动速度和应力结果。

图3 典型爆破点平面分布图

爆破荷载采用美国National Highway Institute里提及的计算分析公式，每1kg 炸药爆破压力为：

式中，Pdet 为爆破压力（kPa）；Ve：为爆破速度（cm/s）；ρ 为炸药比重（g/cm3）；PB 为孔壁面上压力（kPa）；dc 为火药直径；dh 为孔眼直径。

现实中爆破压力作用于孔壁上是随时间变化的，满足指数型时间滞后函数分布规律。依据现有研究与工程实践，本文拟采用的时程动压力公式如下：

式中，B=163.38，为荷载常量。

3 计算结果分析

在不同工况下，采用时程分析法计算引水隧道爆破施工对既有公路边坡的影响，主要从振动速度和边坡应力两方面进行探讨。

3.1 边坡振动速度分析

通过各工况计算对比分析，工况2 爆破后沈海高速公路南侧高边坡的爆破振动速度最大，为0.79cm/s。分析爆破振动速度规律可知，隧道爆破引起边坡同一纵断面的振速，随着距离的增加，振速不断衰减。

3.2 应力结果

各工况爆破后，公路边坡最大主应力为0.14MPa，最大剪应力为0.02MPa，小于M7.5 砂浆的抗剪和抗拉强度，说明在引水隧道爆破作业下，边坡浆砌片石开裂脱落、掉块的危险较小。

4 现场监测对比分析

为了分析引水隧道爆破施工对临近公路边坡的影响，实际爆破施工过程中在边坡及路基处布设了若干振动监测点。从监测结果中选取对应计算工况的爆破数据来看，最大振动速度为0.82cm/s，如图4 所示。

振动效应受复杂的地质条件影响较大，实际监测振速略高于计算分析值，计算值相对于实际监测值变化约4%，且振动速度变化趋势大致相同，能较好的模拟实际振动规律。

图4 各工况下监测的最大振动速度（南侧边坡）（cm/s）

5 爆破施工控制措施

通过上述计算分析可知，引水隧道进行爆破施工开挖后对既有公路边坡有一定振动影响。为防止因爆破产生的边坡滚石、浆砌片石脱落以及爆破过程中振动对驾驶人员的影响，应做好相关防护措施。

一是为了防止滑石和滚石在爆破时侵入公路行车限界，影响行车安全应设置排架。在既有边坡台阶处设置排架，钢管底端采用锚杆和山体固定。

二是合理安排爆破作业时间。爆破作业过程中还有车辆运行时，应提前做好交通警示牌和声音播报告知经过车辆，让车辆驾驶员做好心理准备前方有爆破施工作业，必要的话实行短时间的交通管制。

6 结论

本文采用Midas 有限元软件分析引水隧道爆破对临近公路边坡的影响，得出如下结论：

（1）在单段最大爆破装药量9.59kg 施工作业下，边坡在所有工况中的最大振速0.79cm/s，对于实际监测值变化约4%，能较好的模拟实际振动规律；隧道爆破引起边坡同一纵断面的振速，随着距离的增加，振速不断衰减；

（2）边坡最大主应力为0.14MPa，最大剪应力为0.02MPa，小于M7.5 砂浆的强度，说明在引水隧道爆破作业下，边坡浆砌片石开裂脱落、掉块的危险较小。

（3）为了确保边坡以的安全，在引水隧道爆破施工作业时，采取相关防护体系措施以及合理的安排爆破作业时间，保证车辆的安全运行。