赤水河特大桥锚碇隧洞开挖爆破振动效应特征分析

2022-02-23郑彩英

工程爆破 2022年6期

张丹，郑彩英，王祥，郭勇

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610041；2.四川省安全科学技术研究院，成都 610045)

特大悬索桥跨过深壑峡谷，隧洞锚碇因内在特点[1]成高陡悬崖岸，诸如川藏高速公路泸定特大桥成都岸，近乎垂直的陡坡上最适宜采用的锚固形式。

随着高铁、高速公路网络在深谷陡山的西部延伸，隧洞锚碇被广泛应用，涌现出诸多锚碇隧洞爆破开挖研究项目，研究方向集中于针对具体锚碇隧洞特定区间或断面、确定的高度点进行爆破开挖振动实验监测，利用信息拟合、数值模拟等手段，研究中隔岩柱爆破振动累积效应、应力分布特征[2]，其丰富的锚碇开挖爆破经验与理论研究成果，促进锚碇隧洞及其公路铁路隧洞开挖爆破技术的提高。

锚碇隧道开挖存在主要3大问题：①陡坡锚碇隧洞或公路隧道洞口短距离爆破开挖，洞口危石和卸载裂缝或顺坡裂缝因爆破振动激励加强振动而最易被破损而失稳或垮塌甚至滑坡。②无论锚碇位于公路路基上或下，锚碇隧洞、公路隧道均为小净距相邻，四隧洞爆破开挖振动而中隔岩柱呈现脆性破坏或塑性流变而被损伤，使竖向或水平相邻隧洞围岩失稳，增加悬索桥的风险。③锚碇隧道或公路隧道谁先爆破开挖相互损伤或影响程度较小。

针对锚碇隧洞、公路隧道结构特征、空间位置关系、围岩及地表地质特征，依据随机复合波动力学理论，借助已有的数值模拟、监测数据进行复核，从岩石力学和非平稳随机复合波动理论研究锚碇隧洞或公路隧道爆破开挖，陡坡洞口不耦合岩层、偏压套拱孤石，中隔岩柱、隧洞间柱、隧洞围岩爆破振动响应特征进行分析，从而优化爆源因素，确定最佳工作面布置几何尺寸和推进线路，确定先、后锚碇隧洞爆破开挖最小安全间隔，解决锚碇隧道开挖主要3大问题。

赤水河特大桥，目前为亚洲山区跨径第一的悬索桥，不但风场方向多变，峰值尖锐，而且岩石强烈溶蚀，构造发育。隧洞锚碇爆破开挖效果将直接关联赤水河特大桥风险。西部高铁、高速公路隧洞锚碇类似情况很多，本文以赤水河大桥隧洞锚碇开挖爆破振动效应特点作为研究方向，且有重要参考价值。

1 工程概况

江习古高速公路赤水河特大桥起止桩号为K95+991.656、K96+071.919，主跨1 200 m。赤水河特大桥四川岸地形受地质构造控制，山脉高耸、切割强烈，岭谷高差近500 m，隧洞锚碇位于海拔768 m高山腰，四川岸塔高243.5 m(见图1)，洞口陡坡赋存三套岩层，陡倾顺层卸载裂缝离隧洞口10 m，拉张宽度约30 cm，全断面贯通，且巨大孤石偏压套拱。

图1 赤水河特大桥四川岸Fig.1 Sichuan bank of Chishui Rive Super Bridge

锚碇隧洞围岩岩层由钙质泥岩与灰岩构成，互为夹层，岩层产状由315°∠35°变为270°∠15°，单斜构造，为Ⅲ、Ⅳ类。锚碇隧洞后锚室最大断面17 m×27 m，近460 m2，轴长79 m，倾角45°，锚固索力76.607 万kN，左右锚碇最小距离10 m，最大距离17 m，远小于规定最小净距离54 m。

高速公路毛家寨隧洞位于锚碇隧洞左右斜下侧，与后锚室最近空间距离23 m，远小于规定界限值最小净距54 m(见图2)。

图2 锚碇隧洞与公路隧道相互空间关系Fig.2 The spatial relation between anchorage tunnel and highway tunnel

2 短掘洞口爆破振动响应特征分析

2.1 岩体整体性好陡坡洞口爆破开挖振动响应效应

关于顺层岩质边坡隧洞洞口爆破振动稳定性研究，文献[3]认为洞口坡体安全系数应考虑振动频率、阻尼、振动频率特征更为合理。实验研究坡底前沿爆破开挖，山坡迎爆侧响应强于山脊背爆侧放大振动作用，频域随浅埋隧洞跨覆比与垮高比增加而变宽，地表响应增强，且主频高移[4-5]，锚碇隧洞或公路隧道开挖为陡坡坡体内非坡底前沿地表爆破开挖，且因黏性土滤波作用，本频率域变窄，主频低移，而当山坡自振频率偏高，两者必然回移，因此需研究陡坡洞口爆破振动响应特征，以确认诱发坍塌隐患难易程度。

物理模型被视地质体为黏弹体，隧洞轮廓与地表为自由面，其他界面为无限体，对等同爆源因素、等距离、类似的地质条件进行地质体爆破动力数值模拟研究，有阻尼受迫动力平衡方程为

(1)

物理力学模型数值模拟研究结果表明洞口振动增强，有放大振动作用。

由于离洞口短距离掘进，地震波传播路径短，岩土滤波作用弱，频率未能降至洞口自振频率而因共振而出现反弹，出现振动速度隆起，而是下卧岩层牵引上覆盖层振动，上覆岩层位于远端或末端，即自由端，地震波入射到地表界面发生反射而强度加倍增加，振动必然成倍加强，如爆破振动峰值强烈至一定程度，洞口出现浅层卸载裂缝，甚至发展，上或外岩层即洞口岩体可被甩脱或滑坡。

2.2 陡坡深层卸载裂缝爆破开挖洞口振动效应

地震波因以岩土颗粒相互牵引而传播，而卸载裂缝或断层岩粒空隙增大致使具有短波长、高频波难以为继；或因其充填物黏性较强，其有阻高频通低频特征，因此断层或卸载裂缝滤波作用突出，仅能低频长波传播。

因锚碇隧洞或公路隧道近洞口短距离开挖爆破扰动形成地震波主震频率偏高，波长短，因此上、下或里、外岩层振动特征区别显著，出现振型与下卧岩体不一致，振动频率降低，振幅加大，呈现相对位移，裂缝或断层层间垂直越大越明显，相对振动越强烈，裂缝发展或断层走滑越快，因而覆盖层或残积地层振动响应相对加强，存在放大效应，导致深层卸载裂缝外层岩体整体大规模滑坡(见图3)。

图3 锚碇隧洞深层陡倾斜顺层卸载裂缝Fig.3 Unloading crack of deep steep inclined bedding of anchorage tunnel

2.3 偏压套拱巨型危石洞口爆破振动力学特点

洞口赋存竖向“X”交叉次生断层，形成巨型危岩偏压套拱，易形成轴向、横向裂缝发展，套拱畸变失稳。

锚碇隧洞爆破掘进，可加剧恶化孤石偏压套拱力学参数。

偏压套拱巨型孤石，由于位于远端或末端，且无受山体牵引作用，仅存推力作用，当洞口受爆破地震波地振响应，孤石回程可为非触及，必然出现砸向套拱，损伤套拱，导致洞口岩体失稳，甚至导致洞口崩塌。

赤水河大桥锚碇隧洞洞口深部陡倾斜顺层卸载裂缝经勘察确认贯通锚碇隧洞，巨型孤石偏压套拱。因高陡边坡不适宜削坡，清除危石。

通过对深部顺层卸载裂缝注浆锚固支护，地表多级截洪排水治理；孤石偏压套拱适宜于缝隙灌浆增厚，加长加厚套拱和二衬，同时用砼浇筑以斜坡形式抹平孤石四周进行防治，使洞口形成整体性强的结构体(见图4)。实践证明加固效果良好。

图4 孤石偏压锚碇隧洞加强套拱Fig.4 Strengthened arch of anchorage tunnel with isolated rock bias

3 中隔岩柱振动响应力学分析

3.1 先行洞中隔岩柱爆破振动特征分析

3.1.1 轴向振动特征分析

数值模拟和实验研究随后行锚碇隧洞爆破开挖推进，先行洞中隔岩柱振动响应逐渐增强[6]。中隔岩柱振动响应特征必受边界约束与药包群包络空间激励因素或特征的影响。沿锚碇隧洞轴线，断面连续扩张，中隔岩柱高厚比增大，厚度减小，柔性增强，摆动幅度必然增大，先行洞中隔岩柱振动响应也应逐渐增强(见图5)。

图5 中隔岩柱先行隧洞侧测点分向振动速度Fig.5 Vibration and velocity of the measuring point on the rock pillar in the proceeding tunnel

在中隔岩柱上先行洞侧，与后行洞掌子面0、3、8 m布设质点速度监测点(见图6)，验证了理论分析正确性(见图5)，体现了后行洞爆破开挖，中隔岩柱先行洞侧沿轴质点振动速度空间分布态势。当然若振源强度增强，必然整个中隔岩柱摆动增大。

图6 后行洞单药包爆破先行洞中隔岩柱质点振动速度Fig.6 Particle vibration velocity of rock separation column in the first tunnel of single charge blasting in the rear tunnel

自振模态频率是研究的结构系统内在、固有特性，与质量反向相关，与刚度正向相关，系统刚度与结构自然边界自由度、边界约束条件呈正向相关，受迫振动频率越接近自振频率，越接近基频，结构系统摆幅越大。

爆破地震波为非平稳随机复合波动，为多阶振型波，越接近岩土自振频率、基频，岩土振动幅度越大。由于岩土阻尼作用，地震波高级振型更易衰减，仅在初始时域、近区域才比较明显。

但先行洞中隔岩柱振动响应，从后行洞开挖断面处，沿隧洞轴线至出口方向，不是逐渐减小，而是逐渐增大，然后开始逐渐减小至消失。中隔岩柱约束在后行洞开挖断面处因发生突变，后行洞对中隔岩柱约束在断面处发生突变，解除边界约束，远离突变点，中隔岩柱柔度增强，受后行洞开挖断面约束影响减弱，必然振幅逐渐增大，爆破振动响应增强。爆破地震波远离爆源传播，因地震波能流耗损与弥散，必然衰减。

中隔岩柱径向不受约束，暴露面积大，轴向无边界条件，而竖向上下边界约束条件较强，相对于爆源特征，径向、轴向、法向三分量振动响应依次减弱。远离爆源，因地震波能流路径存在耗损与弥散，三分量逐渐缓慢而倾于一致。

面内点阵药包群爆破地震波主传播方向为药包群面中心法线方向，该方向15～20 m内衰减很慢，因此前后洞爆破开挖面需拉开距离，确保施工安全。

为避免中隔岩柱出现过度振动响应，可通过改善轴向爆破振动响应动力分布特征，拉开先、后行洞爆源距离，优化爆破参数而实现，同时调整原“一”型正台阶为“L”型台阶或垂直梯形掏槽控爆推进(见图7)，同等条件下，爆破振动测试强度降低，其实质增加了中隔岩柱边界约束。

图7 优化后“L”型台阶控爆、垂直梯形控爆开挖推进Fig.7 Propulsion of “L” bench or vertical trapezoid blasting excavation

相邻两轮分别采取普通“一”型台阶与“L”型台阶爆破开挖，采用相同爆破参数、装药结构与起爆方式，在隔岩柱先行洞侧对应点使用TC-4850爆破测振仪拾振分析，“一”型台阶爆破振动较“L”型强烈(见图8)。

图8 普通台阶爆破与“L”台阶爆破质点振动度比较Fig.8 Comparison of particle vibration degree between ordinary bench blasting and “L” bench blasting

3.1.2 断面振动特征分析

中隔岩柱边墙从拱脚至柱顶较从拱脚至柱脚振动响应峰值更快衰减。

地震波径向远离爆源，先行隧洞产生应力集中，后逐渐恢复原有地震波远行传播特征。先行洞因应力集中，可能被破损，因中隔岩柱为迎爆侧，边界约束弱，中隔岩柱为应力集中峰值点，远端约束条件强，地震波畸变下降，远端柱脚围岩摆幅最弱。

为改善先行锚碇隧洞爆破振动动力分布，可优化后行洞爆破参数。减少上台阶爆破高度，掏槽靠近对侧布置，控制掏槽最大段药量。

3.2 后行洞爆破开挖形式对振动响应特征反应分析

3.2.1 爆源因素与距中隔岩柱距离对中隔岩柱影响

炸药爆速低、冲击波强度弱、药包远离圆形、单药包量低、单段药量低、药包分散大、延时长，重心远离中隔岩柱，则后行洞中隔岩柱爆破振动相应响应小。

孔特征、孔网参数、起爆顺序、延时特征、掏槽形式、孔参数、预裂状态、光爆形式、不耦合系数等爆破参数决定了炸药包特征及其空间点阵状态，起爆时间状态，装药集中度、装药量、药包集中度、夹制系数，与中隔岩柱空间位置关系，最终决定和影响中隔岩柱、隧洞围岩响应程度，破损与围岩与中隔岩柱的稳定。应避免使用近球形、较大药包、药包群高度集中，耦合装药和近中隔岩柱掏槽。

3.2.2 改变爆破开挖形式

为降低隧洞围岩、中隔岩柱振动损伤、控制失稳，确保开挖进度，可改原台阶开挖、中间掏槽爆破为远离中隔岩柱，不对称竖向梯形掏槽，且预裂孔与光面孔错开增大距离[7]结合使用(见图7)，靠近中隔岩柱可采用逐孔起爆，降低最大段药量，控制振动，保护中隔岩柱。

在同一锚碇隧道先后进行“一”型、垂直梯形不对称掏槽同循环进尺爆破开挖，尽管因“一”型断面较垂直梯形不对称掏槽断面稍小，爆破药量相对较少，其他条件不变情况下，但在隔岩柱先行洞侧对应点拾振分析，垂直梯形不对称掏槽爆破振动较“一”型小(见图9)。

图9 振动监测Fig.9 Vibration monitoring

3.3 先行洞爆破开挖中隔岩柱爆破振动响应分析

先行洞与后行洞工作面间最小要求间隔距离取决于先行洞爆破开挖激励振动标准距离与后行洞爆破开挖激励振动所确定的距离中较大值。由于后行洞开挖激励先行洞中隔岩柱迎爆侧振动响应受到边界约束沿掘进方向传播更加自由，爆破地震能流密度减小，刚度更好，稳定性高。先行洞爆破开挖中隔岩柱刚度更弱，能流密度传播更加狭窄，能流更加集中，刚度更弱(见图10)，因此由先行洞爆破开挖，确定间隔距离。

图10 振动响应速度Fig.10 Vibvation response speed

4 爆破开挖公路隧道与锚碇隧洞间的相互影响分析

4.1 公路隧道先行掘进振动响应力学特征分析

分离式和小净距公路隧道呈竖直平面对称，均匀位于锚碇隧洞左、右斜下侧，与后锚室最近空间距离23 m，远小于规定的小净距54 m，且后锚室地下空间断面面积甚至达到460 m2。

离散数值模拟研究认为，爆破振动在垂直方向较水平衰减更快[8]，上跨或下穿隧洞实验研究均认为拱顶振动响应最为强烈[9]，因此需对爆破振动激励锚室与公路隧道间间柱、锚室间中隔岩柱的振动响应进行研究。先后分别在对侧锚碇隧道、公路隧道采用相同爆破参数、装药结构与起爆方式进行开挖爆破，在对应在靠的最近公路隧道、锚碇隧道点拾振分析，公路隧道开挖爆破在锚碇隧道产生振动较锚碇隧道开挖爆破在公路隧道强烈(见图11)。