小净距隧道爆破振动响应与控制研究综述

李俊晖,邱 翼,楚泽元,余海洪

(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031; 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756; 3.中铁四川生态城投资有限公司,四川眉山 620562)

0 引言

随着经济迅猛发展,隧道交通也迎来了不断扩张提升的时期。由于已有隧道较多、地质地形复杂、空间条件较为苛刻等因素,新建隧道爆破开挖经常出现临近既有隧道。国内外已有大量小净距隧道爆破开挖实例:日本修建了六月新镇干线交叉隧道[1];福厦线左右近接苔井山隧道[2];青岛地铁1号线海底隧道临近胶州湾海底公路隧道[3];图1展示了新云居山隧道近接上跨清凉山公路隧道[4]。

图1 新云居山隧道近接清凉山公路隧道

如何控制爆破开挖使既有隧道保持安全是重点与难点[5-7]。而从目前对于小净距隧道爆破开挖的研究情况来看,各个工程项目所处地区的地质条件、隧道间距布置、特殊施工要求等均不一致,难以严格使用某一固定标准判断既有隧道是否处于安全状态,往往会给定一较为严格的振动安全判据,再结合现场爆破实验、监测数据、数值模拟以及专业人员的相关经验进行调整。对于小净距隧道爆破的理论分析并无一完整体系,达到的控制效果受到多方面因素影响,难以精确控制。

本文就小净距隧道爆破开挖产生的振动响应、振动安全判据以及振动控制研究对前人科研成果进行总结分析,并讨论现有研究方案的不足与对未来研究方向的展望。

1 小净距隧道爆破振动响应研究现状

1.1 隧道爆破在岩体中动力响应规律

隧道爆破开挖绝大部分是位于岩石地层中,关于岩石爆破破碎有3种假说[8],分别是爆轰气体压力学说、应力波作用学说与爆生气体和应力波综合学说,前2种学说的机理分别见图2、图3。

图2 爆轰气体压力学说机理

图3 应力波作用学说机理

爆轰气体压力学说属于静力学领域,即认为岩石的破碎主要是由于爆轰气体的膨胀压力所引起的。岩石中进行爆破产生的作用效果不同主要分为爆破近区、爆破中区和爆破远区,其中爆破近区中岩体最先受到爆轰气体的巨大脉冲而形成空腔;爆破中区,如图2所示空腔周围一定范围内,也称为裂纹区,主要受到法向和切向的爆轰气体作用力,与爆破近区相比,未直接受到爆轰气体压力,且岩石的抗拉强度远远小于抗压强度,在切向爆轰气体的作用下首先产生裂纹,并在法向爆轰气体的助力下慢慢发展;爆破远区,也称为弹性变形区,产生的振动效应不大,主要由岩石与爆破地震波的主振频率接近时产生共振引起破坏。

应力波作用学说属于动力学领域,认为岩石的破碎主要是由应力波引起的。初始阶段,爆破引起应力波压碎爆源附近岩石形成空腔,随后应力波进一步传播到达自由面形成反射,反射应力波对于自由面产生的作用使得表面岩石破碎,最终碎裂抛掷。

而爆生气体和应力波综合学说则综合了前面二者,认为是在二者共同作用下,产生的岩石破碎,目前得到较多认可。

1.2 小净距隧道分类标准

目前我国对于小净距隧道的分类,依照JGJD70-2004《公路隧道设计规范》[9]定义如表1所示,根据不同围岩等级进行判断,围岩等级越高,所要求的最小净距越小。

表1 我国小净距隧道分类标准

1.3 既有隧道结构动力响应规律

小净距隧道爆破开挖的重点关注对象为既有隧道,其动力响应规律一直以来为国内外学者所探究,主要手段为现场监测与试验,辅以理论分析与数值模拟。

1.3.1 现场监测与试验

作为最原始、应用最为广泛的手段,试验与现场监测数据能更加准确、具体地反映出各个工况的实际情况,由于爆破影响因素众多,现场围岩条件、地质情况均较为复杂,因此需要因地制宜进行调整与测试。陈秋南等[10]结合实际工程对不同强度的混凝土试块进行爆破振动分析,得出爆心距越小,不同等级的混凝土强度折减比差距越大。于建新等[11]对新建走马岗隧道交叉上穿引水隧洞的爆破开挖工程进行现场监测,对实测数据回归分析,得出相应的Sadovsk拟合公式,反算出符合施工规范和安全的最大掏槽药量和最小安全爆心距。苏建遥[12]根据草帽山隧道现场监测数据与数码雷管爆破振动试验对振动速度、加速度和频率进行分析,拟合出各个因素随距离变化公式,并根据主频判断是否会发生共振。此外,众多学者对现场监测数据进行了函数分析并得出结论:JIANG等[13]利用多组监测数据拟合出平均误差11.8%的萨道夫斯基公式,并与有效拉应力进行线性拟合反算出现场峰值振速极限为11 cm/s;LIU等[14]根据武汉黄龙山隧道现场监测值,对振速时程曲线进行PSD功率谱分析,得出爆破引起的主振频率均大于100 Hz,而一般隧道结构固有频率小于50 Hz,不会发生共振。

1.3.2 理论分析与数值模拟

理论分析与数值模拟的广泛运用大量提高了隧道爆破开挖前准备工作的效率,随着科研人员的广泛研究,能为实际工程提供一定的指导意义。程康等[15]推导出了在标准抛掷爆破条件下深孔爆破振速与炮孔深度、堵塞长度的关系式。程平[16]等以贵州省里平Ⅱ号隧道为依托,通过LS-DYNA软件计算了在开挖隧道上方溶洞影响下,小净距隧道的爆破动力特性,并分析了不同直径溶洞与不同隧道和溶洞间距下位移场、速度场和应力场的分布情况。钱安康等[17]结合福平铁路苔井山,采用数值模拟对全断面和短天窗2种爆破开挖方案进行对比分析,得出短天窗方案可充分利用其分段优势,经济高效完成目标任务。邹新宽等[18]采用数值模拟计算雅安隧道明挖段拉槽爆破并与现场实测数据进行对比验证,得出既有隧道迎爆侧竖向振速峰值较大,且与Von-Mises应力呈明显线性关系,根据衬砌结构的最大抗拉能力得出安全系数2.0的振速阈值。

总结以上小净距隧道爆破振动响应的研究现状,对于绝大多数理论分析和数值模拟研究,最终都要结合实际工程验证并不断优化,相辅相成。

2 既有隧道振动安全判据

小净距隧道进行爆破开挖,会对既有隧道的结构产生振动甚至损坏的风险,而爆破振动与地震动有所不同,其持续时间短,频率较高,释放出能量更有局部性和爆发性。对此,选择正确的安全判据是国内外一直以来研究的方向。

2.1 加速度安全判据

对于较为早期的研究者来说,往往仅通过单一因素考虑安全判据,加速度就是其中之一。根据动力学方程,加速度代表了结构的惯性力的大小,通过计算得到结构的动能、内力和等效荷载。

国外学者对此研究最早,早在20世纪60年代,Edwards A T[19]、Longerfors[20]、Duvalland W I[21]、Northwood T D[22]等就通过现场试验研究了加速度对结构的损伤关系;国内学者舒大强[23]、何韵龙[24]、阳生权[25]、刘维柱[26]等在21世纪初对多个现场工况的加速度进行分析,得到加速度与弹性模量近似的计算方法。

随着研究的深入与理论的进步,学者们逐渐发现加速度作为安全判据是有较大的局限性的,一般岩体的损伤、开裂,结构的失稳、破坏大部分属于振动响应,仅以加速度作为判据很难具有说服力。

2.2 振速安全判据

振速安全判据目前是国内外使用最为广泛的判据,通常以3个正交的XYZ方向中的最大值作为安全判据,也有国家使用这3个方向的合速度作为安全判据。

我国使用的安全判据为单方向的振速峰值,根据保护对象的类别进行分类,不同重要程度的对象允许的振速不同。虽然采用单一的振速作为判据大多是处于保守的[27],但实际施工过程中会发现结构振动速度未超标却发生了安全性问题,而有时超出了振速指标结构却没有发生破坏。越来越多的工程实际表明单一的振速指标也需要进行一定的完善。

2.3 振速-频率安全判据

根据我国GB6722-2014《爆破安全规程》[28]隧道等地下工程的安全允许振速与频率有关,如表2所示。

表2 我国地下工程爆破振动

从表2中可以看出,当质点振动频率较小时,所允许的安全振速也越少,这是由于隧道、巷道等地下工程的固有频率一般都在50 Hz以下[29],为保证不发生共振现象,需要根据频率逐级减少安全允许振速。

总结以上隧道振动安全判据的研究现状,可以发现目前的安全判据已经发展的十分成熟,考虑了振速-频率2个方面的共同作用来制定。不足的是,对于小净距隧道,取值的范围需要经验制定,通常为大于2.0的安全系数下进行取值,是否过于保守是一个值得探讨的问题。

3 小净距隧道爆破振动控制研究

小净距隧道所处地质条件和围岩情况一般难以改变,对于其振动控制的研究基本上都是基于爆破开挖隧道,优化其爆破方案。图4展示了隧道典型光面爆破上台阶炮孔平面布置,一般掏槽孔最先起爆,辅助掏槽孔随后起爆,经过一定间隔后,崩落孔、掘进孔依次起爆,最后周边光爆孔起爆,以达到光面爆破的效果。

图4 典型光面爆破上台阶炮孔平面布置

3.1 装药量

常用的爆破振动峰值振速的计算公式为萨道夫斯基公式,其是一个基于量纲分析的经验公式,表达式如式(1)所示:

(1)

式中:ν为爆破振动速度;R为与爆源的距离;Q为装药量;k为一个常数,其值与岩体介质参数等有关;α为爆破振动的衰减系数,通常取值为1/3。

从萨道夫斯基公式中可以看出,对于既有隧道的振动响应,R、k、α均为定值,通过改变装药量Q可以直接减少振动,也是目前实际工程中最为有效的手段之一[30-31]。

3.2 炮孔布置形式

3.2.1 优化炮孔布置方案

隧道爆破中,掏槽孔起爆时所含有的自由面最少,受到的夹制作用最大,产生的爆破响应也最大,所以一般对于减振方面的炮孔优化大多针对与掏槽孔。石洪超等[32]根据重庆鸭江隧道小净距段的爆破施工为依托,结合现场数据与数值模拟设置了不同的掏槽孔布置角度,能明显减少爆破产生的振动响应。王仁涛等[33]采用大直径中空直眼掏槽形式,并优化炮孔间排距、重新设置爆破网路,能明显地控制爆破振动速度。

3.2.2 设置减振孔

刘新荣等[34]依托重庆双山隧道爆破开挖项目,通过布置减振孔能够有效对振动效应进行控制。李立功等[35]结合实际项目,增大减振孔的直径与布置数量,使得爆破振速达标。

3.3 起爆时差

通常的小净距隧道爆破中,既有隧道的振速峰值往往出现在最开始掏槽孔爆破的时刻,将同样的装药量由同时起爆转化为延时起爆,能够显著的降低振动响应。采用合理科学的起爆时差,既能提升开挖效率,又能保证施工安全[36-37]。

总结以上小净距隧道爆破振动控制研究,主要的控制方式在于爆破方案的优化,并一定要结合实际工程验证,以期达到减振和减少对结构的破坏。

4 结束语

本文总结了迄今为止针对小净距隧道爆破开挖振动响应与控制研究取得的很多有参考价值的成果。其中有不少成果已可以运用于实际工程问题中,对爆破振动响应和减振控制归纳,得出几点结论及展望:

(1)针对小净距隧道爆破振动响应的问题,现有的研究多数以现场监测为主,再通过理论计算和数值模拟等辅助优化,且各个工程工况难以有一固定标准,对于相同或相似类型的工程,可以制定供参考的爆破方案。

(2)隧道爆破的安全判据,目前已有较为成熟的标准与体系,使用振速-频率双因素控制在多数情况下能够有效的提高安全性。振速的取值也要根据实际工程来制定。

(3)小净距隧道爆破施工振动控制主要是对开挖隧道爆破方案的优化,并辅以监测数据,并将多种减振措施结合才能达到更显著的效果。