钻爆法隧道原位扩建的振动效应分析与爆破方案比选

2022-11-28吕荔炫

工程爆破 2022年5期

吕荔炫

(福州市规划设计研究院集团有限公司,福州 350108)

钻爆法因其广泛的适用性和优良的经济性，通常是山岭隧道施工的首选开挖方案。但在城市环境中，掘进爆破引起的振动效应将不可避免给周边环境(尤其是临近建筑结构)带来不利影响[1-2]。

许多学者采用理论分析、数值模拟、现场测试的手段，对钻爆施工引起的环境振动效应展开大量研究。Lu等[3]对某下穿机场隧道爆破进行现场监测，并通过数值模拟手段对爆破安全进行评估，认为爆破振动与机场跑道的主频差异明显，不会引起共振，并给出了确保机场运营安全的振动阈值。曹明星等[4]通过数值仿真分析了上方新建隧道爆破对下方交叉隧道的振动影响，认为多台阶爆破能有效降低振动危害。费聿鹏[5]利用现场实测数据，拟合得到萨道夫斯基公式的相关参数，并在HHT分析方法的辅助下，确定了保护明长城遗址免受爆破振动损害的安全限界。Shin等[6]通过数值方法，重点研究了爆破振动对临近建筑的影响，并结合实测数据给出了爆破防护区的划定方法。

近年来，随着城市交通需求的迅猛增长以及城市建设用地的限制，诸多早期修建隧道都面临着原位扩建的难题。许多学者对隧道原位扩建工法及相关爆破振动问题展开了研究。林立宏等[7]利用MIDAS/GTS对楼山隧道扩挖过程进行数值模拟，研究了不同开挖顺序的影响，得出先上后下的开挖顺序可以较好地控制围岩变形，结构内力较小。林从谋等[8]建立隧道扩建施工过程的三维数值模型，得到了采用CD工法扩挖时围岩的变形特征。李秀地等[9]利用 ANSYS/LS-DYNA 软件对邻近运营隧道下的原位扩建爆破振动效应开展计算，发现运营隧道的迎爆面拱顶及侧墙中部动力响应显著。陈良兵等[10]对扩建隧道开展爆破振动测试，重点研究在存在既有空洞的条件下的爆破振动规律，并通过萨道夫公式拟合得到了振速衰减函数，认为既有临空面对爆破振动削弱显著。

综上所述，城市复杂环境下采用钻爆法进行隧道原位扩建，其爆破振动效应的控制是决定工程成败的关键之一。本文以福州市马尾隧道扩建工程为依托，通过精细化数值模拟对传统掏槽和改进无掏槽两种爆破方案的振动效应开展分析，重点研究邻洞衬砌的振动响应和传播路径对振动衰减的影响规律，进而比选出较优的爆破方案并应用于实践。同时施工过程中振动监测数据，也验证了无掏槽爆破方案的合理性，可为类似条件下的隧道原位扩建工程提供借鉴。

1 马尾隧道原位扩建工程

1.1 工程概况

既有马尾隧道位于福州市福马路东端，始建于1987年，隧道沿线地层自上而下主要为强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩及微风化凝灰熔岩，未见大型断层或破碎带。隧道洞身所穿越岩层主要为微风化凝灰熔岩，围岩级别为II-III级。

为满足日益增长的市政交通需求，既有马尾隧道运营30年后，福州市于2018年3月起将其由双向4车道原位扩建为双向8车道。马尾隧道扩建前后的横断面(以NK18 +110里程为例)位置关系如图1所示。北侧隧道先行向北扩挖，南侧隧道向南扩挖，扩建后马尾隧道单洞净宽16.75 m(包含4个机动车道和1个人行道)，南北洞中心线距离为37.4～38.1 m。

图1 原位扩建隧道的相对位置关系(NK18+110断面)

依据设计文件[11]，北洞先行施工，施工期间交通导改至南洞双向两车道通行；待北洞施工完成后，再将交通导改至北洞双向四车道通行，同时南洞进行扩建施工。同时对于爆破振动控制，要求既有邻洞衬砌的峰值振速不得大于5 cm/s。

1.2 传统爆破方案

在II-III级围岩段，采用上下台阶钻爆法扩挖，支护结构按新奥法原理进行设计，采用锚杆、湿喷混凝土等为初期支护，二衬采用模筑混凝土。

以北洞NK18 +110里程为例，原设计上台阶的爆破方案如图 2所示，其中1段为掏槽孔，5段、8段、10段和11段为辅助孔，14段为周边孔。各段位炮孔参数如表 1所示。

图2 传统掏槽爆破方案

表1 炮孔参数

爆破设计循环进尺为2 m，炮孔深度为2.1～2.3 m，除周边孔采用间隔装药方式外，其余炮孔均为孔底连续装药形式。一个标准循环炸药消耗134.8 kg，炸药单耗为1.35 kg/m3。

1.3 优化爆破方案

隧道掘进采用掏槽爆破方案，其目的是通过掏槽孔的爆破创造新自由面，以提高破岩效率。但原位扩建项目具有天然的临空面，应充分加以利用，因此提出了无掏槽的优化爆破方案。

不同于掏槽爆破的由中心向外扩展的炮孔布置形式，无掏槽爆破方案(见图 3)采用了由既有临空面向隧道内侧扩展的炮孔布置形式：排孔走向基本与既有轮廓平行，并逐渐过渡为扩建轮廓。1、5、8、11段均为辅助孔，采用孔底连续装药；14、15段为周边孔，采用空气间隔装药，各段炮孔参数如表 2所示。设计循环进尺为2 m，炮孔深2.2 m，1个循环炸药消耗67 kg，单耗0.67 kg/m3。

图3 改进无掏槽爆破方案

表2 炮孔参数

无掏槽方案相较于掏槽爆破方案，有效利用既有隧道的既有临空面，采用平行既有临空面的逐段爆破，最大程度地利用岩石重力辅助落块，一个标准循环的总药量降低了50.3%，单段最大药量降低了57.6%。

2 掌子面爆破的精细化数值模拟

在FLAC3D数值平台上，建立隧道原位扩建的数值模型，对掏槽爆破和无掏槽爆破2种方案的毫秒延时爆破全过程进行精细化数值模拟。

2.1 掏槽爆破数值模型

隧道场地存在自然偏压(偏压角约16°)，建立隧道北洞原位扩建的数值模型如图 4所示，其整体尺寸为250 m×4 m×190 m/117 m(长×宽×左高/右高)。地层自上而下分别为强风化凝灰熔岩(厚约14 m)、中风化凝灰熔岩(厚约37 m)、微风化凝灰熔岩。

图4 马尾隧道原位扩建数值模型

岩土体采用六面体网格模拟，总计96 698个单元，105 015个节点，采用摩尔库伦本构，各土层物理力学参数如表 3所示。既有隧道衬砌采用结构单元liner模拟，弹性模量为32.2 GPa，泊松比0.2，衬砌密度2 700 kg/m3，厚度为0.35 m，共计3 332个liner单元。

表3 岩体基本物理力学参数

朱凌枫[12]通过流固耦合方法，对岩石爆破的瞬态过程开展了数值模拟，并通过全面数值试验提出了排孔爆破的三角形等效荷载，其峰值Pmean及持时dur关于装药不耦合系数Kl、炮孔间距D的综合预测公式如式(1)、式(2)所示。针对1.2节所述爆破方案，按式(1)、式(2)计算各段排孔爆破的等效三角形荷载，等效爆破荷载施加时间如图 5所示。

图5 等效爆破荷载施加时间(掏槽爆破)

+1.23D-0.021D2

(1)

dur=16.6+328e-Kl+0.81D

(2)

关振长等[13]将等效爆破荷载依段位施加于各排孔段位的爆破轮廓线上，研究爆破作用下的衬砌振动效应，其数值模拟结果与现场实测较为吻合。本文同样采用该方式施加爆破荷载：将掌子面岩体按炮孔段位进行预分区，按图 5时间轴把等效三角形爆破荷载，依次施加在各段炮孔的爆破轮廓线上(见图 6)。以第8段为例，首先通过delete命令删去第8段所控的蓝绿色区域岩体，同时在炮孔连心线上施加第8段的等效三角形荷载，其加载时间点为250 ms，峰值荷载217.2 MPa，持时109.6 μs。

图6 等效爆破荷载的数值模拟施加(掏槽爆破)

2.2 无掏槽爆破数值模型

无掏槽爆破的数值模型与掏槽爆破方案基本相同，但由于炮孔布置不同，在隧道区域的岩体分区稍有区别。无掏槽爆破的数值模拟中，同样按式(1)、式(2)，计算各段排孔爆破的等效三角形荷载，等效爆破荷载时间如图 7所示。

图7 等效爆破荷载时间(无掏槽爆破)

同样地，将掌子面岩体按非掏槽爆破方案炮孔段位进行预分区，按图 7时间轴将等效三角形爆破荷载依次施加(见图 8)。仍以第8段为例，其三角形峰值荷载186.8 MPa，持时109.6 μs，加载时间点为起爆后250 ms。

图8 等效爆破荷载的数值模拟施加(无掏槽爆破)

2.3 监测点布置

通过model history命令在数值模型中布设监测点(见图 9)：其中在既有南洞衬砌的拱顶、拱肩、边墙、拱脚处布设8个监测点；同时在中夹岩内，沿拱脚、边墙、拱肩、拱顶的水平测线，布置24个监测点。记录上台阶爆破过程中各测点的速度时程曲线，研究邻洞衬砌与传播路径上岩土体的振动效应。

图9 振动测点布置

3 基于数值模拟的振动效应分析

3.1 邻洞衬砌的振速时程曲线

以迎爆侧拱脚(M6)为例，掏槽爆破方案中该测点的振速时程如图 10所示。该时程曲线呈多峰值形态，大致与爆破方案中的6个起爆段位相对应；x向最大振速为4.11 cm/s，z向最大振速为3.56 cm/s，均出现在第四峰值(对应第10起爆段位)；x向和z向振动有较强的关联性，基本保持同步变化，y向振动微弱，文中不做详细讨论。

图10 迎爆侧拱脚M6测点的振速时程(掏槽爆破)

同样地，无掏槽爆破方案中迎爆侧拱脚(M6)的振速时程如图 11所示。该时程曲线亦呈现为多峰值形态，大致与各起爆段位相对应，x向最大振速为2.61 cm/s，z向最大振速为2.98 cm/s，均出现在第1峰值(对应第1起爆段位)。需要说明的是，第14段与第15段(周边孔)由于药量较小且时间差较小，二者段位差难以识别。

图11 迎爆侧拱脚M6测点的振速时程(无掏槽爆破)

3.2 邻洞衬砌的振速峰值分析

从邻洞衬砌各测点的振速时程中，读取其最大振速，汇总结果如表 4所示。以拱顶为界，将邻洞衬砌结构划分为迎爆侧和背爆侧，两侧衬砌上的振动效应存在显著差异。以无掏槽爆破为例，迎爆侧拱肩最大振速为3.48 cm/s(x向)和3.63 cm/s(z向)，而背爆侧拱肩为0.95 cm/s(x向)和1.07 cm/s(z向)，降幅高达72.7%和70.5%，显然空洞的存在显著降低了爆破振动效应(距离是次要的影响因素)。掏槽爆破中的情况与之类似，不再赘述。

表4 邻洞衬砌峰值爆破振速

重点关注邻洞衬砌迎爆侧的振动效应，其峰值振速呈上大下小分布。无掏槽爆破最大振速出现在拱肩处(3.63 cm/s)，与安全阈值相比还有较大余量；掏槽爆破最大振速也出现在拱肩位置(4.87 cm/s)，已相当接近安全阈值。总体上看，无掏槽爆破的振速峰值相较于掏槽爆破平均降低了30.6%。

3.3 水平传播路径上的振速峰值分析

水平传播路径上各测点的掏槽爆破和无掏槽爆破峰值振速分别如图12和图13所示。以无掏槽爆破(见图13)为例，其峰值振速沿水平传播距离呈对数衰减趋势。在邻近爆破区域岩体振动强烈，各测点峰值振速均在8 cm/s以上，其中D0测点的振速峰值最大(x向10.80 cm/s，z向13.99 cm/s)。0～5 m传播范围内峰值振速衰减极快，各测点平均每延米衰减0.91 cm/s(x向)、1.3 cm/s(z向)。5～20 m传播范围内，振速峰值衰减速度显著减缓，平均每延米衰减0.125 cm/s(x向)、0.16 cm/s(z向)。20～30 m传播范围内(穿越既有隧道空洞)，已趋平缓的振速峰值曲线再次出现了陡降的情况，空洞区域平均每延米衰减0.25 cm/s(x向)、0.3 cm/s(z向)。掏槽爆破的情况与之类似(见图 12)，不再赘述。

图12 水平传播路径上各测点的峰值振速(掏槽爆破)

图13 水平传播路径上各测点的峰值振速(无掏槽爆破)

4 振动效应的实测分析

将上述无掏槽爆破方案应用于马尾隧道北洞原位扩建的工程实践，同时对南洞衬砌的爆破振动效应开展跟踪监测。使用两台Mini-BlastⅠ型爆破测振仪，分别布置于迎爆侧拱脚和背爆侧拱脚(对应数值模拟的M6、M7测点)，且监测点随掌子面推进而同步跟进(见图 14)。马尾隧道北洞Ⅱ级围岩段(NK18+100～NK18+300)共进行了136次爆破，其中上台阶标准进尺爆破42次，得到了84个测点数据。

图14 爆破振动监测点布置

以NK18+110断面上台阶爆破为例，M6、M7测点振速时程分别如图 15、图 16所示。与数值模拟结果类似，实测振速时程可见5个明显峰值振速，与起爆段位大致对应。其中迎爆侧拱脚最大振速为x向2.23 cm/s、z向2.52 cm/s，背爆侧拱脚最大振速为x向0.85 cm/s、z向0.82 cm/s，均出现在第1段位。