金牛山隧道下穿高速公路爆破振動研究

午向陽，蔣宗全，高 亮，張頂立，朱浩波

(1.中國水電集團，北京 100048;2.北京交通大學 土木工程建筑學院，北京 100044)

0 引言

目前的爆破振動控制中，最常用的一種方法是在已測試出的爆破振動數據基礎上，根據薩道夫斯基公式得到爆破振動的傳播規律，指導以后的爆破工程;另一種方法是采用數值模擬的方法，在沒有測量數據的時候對爆破提前預測，方法既簡便，準確率也相對較高。

數值模擬方法分連續介質法和離散單元法，在動荷載作用下，結構面的性質對波的傳播起著重要的作用。采用連續介質力學方法對節理巖體中爆破過程進行數值分析具有一定的局限性，而離散單元法可以很好地反映結構的不連續性，目前已經被廣泛應用于巖體的穩定性研究，以及散體的運動分析等。但是，用離散單元法分析巖體中爆破振動傳播規律的工作還比較少［1-5］，主要是分析了節理方向對巖體爆破振動傳播影響，總結出節理任意方向下最大振速與RQ-3(R為測點與振源的距離，Q為裝藥量)之間的關系曲線;模擬了爆破振動波在節理巖體中的傳播，提出節理剛度對波的傳播影響很大;模擬了爆破荷載的巖體振動，得出巖體質點最大振動速度和振動主頻隨爆源距離的衰減規律等。

本文結合新建鐵路金牛山隧道爆破開挖監測，采用離散元軟件UDEC模擬隧道掘進爆破振動波的傳播規律和衰減特征，并與現場監測的結果進行了比較，旨在驗證UDEC在模擬淺埋隧道掘進爆破荷載作用下地表振動規律的實用性。

1 工程概況

金牛山隧道進口里程 DK465+335，出口里程DK467+240，全長1 905 m，隧道內為3‰和12‰的上坡，DK466+365—DK466+635區段設置在 R=8 000 m的豎曲線上，其余位于R=9 000 m的曲線上。隧道位于丘陵緩坡，地形起伏較大。隧道最大埋深35.37 m，山坡自然坡度約15°～20°。如圖1所示，隧道在DK466+230—DK466+330區段下穿京福高速公路C匝道(京福至肥城方向)，交角14.57°。匝道為兩車道及一緊急停靠車道，寬12 m。隧道結構頂到路面的距離為9.28 m。在 DK466+560—DK466+660區段下穿京福高速公路正線，交角37°，路寬約36 m，隧道開挖頂面到路面的距離為12.54 m。

圖1 下穿京福高速公路示意

隧道區地層為太古代泰山群花崗片麻巖局部夾角閃片巖，灰白～灰褐色，中細粒變晶結構，片麻狀構造，節理裂隙發育;隧道區地下水主要為基巖裂隙水，主要由大氣降水補給。滲透系數E=0.05～0.40 m/d。地下水埋深10.10～12.05 m，水位季節變幅為2～10 m。

2 現場爆破監測

振動測量系統由拾振器、記錄儀和筆記本電腦組成，采用成都中科動態儀器有限公司生產的IDTS 3850型2通道爆破振動分析儀記錄振動信號。該儀器的最高采樣頻率為200 kSps，可分8段記錄數據，每段存儲深度為16 kB，采樣延時為0～-12 kB，分為內觸發和外觸發2種形式，輸入滿量程為400 mV至20 V。傳感器、拾振儀見圖2和圖3。

圖2 傳感器

圖3 拾振儀

傳感器埋設在公路的一個固定點上，用石膏將其固定，即監測點固定不變。隨著隧道掌子面的推進，炸藥中心與測點之間的距離不斷變化，而同時爆破的單段最大裝藥量基本保持不變。采用拾振儀對下穿段的高速公路路面爆破振動進行了5次監測。監測數據列于表1。

表1 爆破振動監測數據

3 計算模型和輸入參數

3.1 計算模型

根據實際的研究目的，數值分析將隧道的橫斷面作為研究對象。為了節省時機，且由于隧道開挖的對稱性，故取1/2模型進行研究，計算區域取為60 m×40 m。根據現場洞內觀察及地質探測，確定計算模型中有一組節理，平均間距取2 m，傾角為85°。模型的底邊界及右邊界均采用黏性邊界，即不反射波的邊界;左邊界采用對稱邊界。幾何模型見圖4。計算模型見圖5。

圖4 隧道的幾何模型(單位:m)

圖5 隧道的離散元模型

3.2 爆破荷載

當炸藥在巖石中爆炸后，根據距炮孔中心的遠近不同，可把整個巖石區域分為粉碎區、裂隙區和振動區。巖石根據在各個區域中的受力不同也表現出流體性、彈塑性和彈性等不同的力學特性。通常被保護物距爆源都不是特別近，即大多處于巖石的彈性振動區，這樣一來，數值模擬的區域必須要跨越幾個不同的區域。因此，要想精確模擬爆破的振動作用，需在模型中采用幾種巖石材料模型。在本次計算中，只考慮彈性區的振動，故采用人工輸入振動沖擊波。通常的方法是應用與炸藥量、爆破源和巖性相關的經驗公式將爆破動力荷載簡化成包含峰值、作用時間和脈沖寬度等參數的三角形脈沖波。然而，這種簡化得到的動力輸入荷載與實際情況存在較大的誤差。為了避免這種情況，在本次計算中，動力輸入荷載直接采用現場監測得到的爆源近點速度時程曲線，如圖6所示。

圖6 現場實測洞內垂直振動速度曲線

3.3 巖體的力學指標

一般而言，巖石材料和節理的動態物理力學特性參數都是與應變速率相關的，但對于巖體的變形模量和泊松比等參數隨應變率的變化幅度很小，通常用相應的靜態參數表示。根據工程地質勘察報告和室內巖體力學實驗，花崗片麻巖各項物理力學指標見表2和表3。

表2 巖石材料基本力學特性

表3 巖石節理基本力學特性

4 計算結果及分析

4.1 中心點處的垂直速度對比分析

圖7為隧道開挖面正上方地表點的實測振動速度與數值模擬的結果的對比。兩曲線比較吻合。

圖7 掌子面正上方地表點垂直方向與實測速度時程曲線

4.2 垂直速度、水平速度隨距離的變化規律

圖8為數值模擬垂直振動速度、水平振動速度及實測振動速度與爆源距離的衰減曲線。可以看出，垂直速度隨爆源距離的增大而單調衰減，在離爆源近的地方，衰減很快;而水平速度隨著爆源距離的增大，開始有個增大的過程，隨后逐漸減小。研究表明，水平切向速度一般很小，不起決定作用，但水平徑向速度卻不可忽視。此曲線變化趨勢同樣適用于水平徑向速度。由此可以看出，最大水平徑向速度一般出現在距爆源一定距離處，此距離與埋深有著密切關系。

圖8 質點垂直振動速度、水平振動速度沿水平方向的衰減

本工程對高速公路振動安全監測，應以掌子面正上方的路面、隧道縱向掌子面前面10 m距離處的路面為監測重點，并分別以最大垂直速度和最大合速度來驗證其安全性。

4.3 節理方向對爆破振動傳播的影響規律

圖9是在圍巖條件及節理性質不改變的情況下，只去改變節理方向，計算得到的節理方向與最大振速之間的關系曲線。由圖9可以看出，節理方向在0°～20°之間時，地表最大的振動速度隨著節理角度的增大而迅速減小，當節理方向在70°～90°之間時，地表最大的振動速度隨著節理角度的增大而迅速增大，節理方向在以上兩個區間時對振動的衰減影響最大;當節理方向在30°～70°之間時，地表最大的振動速度隨著節理角度的增大變化很小，且在此區間取得最小值，即此區間振動的衰減最快，減振效果最好。

圖9 質點最大振動速度隨節理方向變化曲線

5 結論

基于以上分析，可以得出如下結論:

1)用UDEC模擬淺埋隧道爆破對地表的振動，其速度曲線與現場監測結果吻合得比較好，故用UDEC研究淺埋隧道爆破振動傳播是適合的。

2)對高速公路地表振動的監測重點部位應為隧道開挖掌子面正上方的地表垂直振動速度以及隧道徑向一定距離處地表振動的合速度。

3)節理方向對巖體爆破振動傳播影響很大，當節理角度為30°～70°時，對于爆破振動控制最為有利。

［1］趙堅，陳壽根，蔡軍剛，等.用UDEC模擬爆炸波在節理巖體中的傳播［J］.中國礦業大學學報，2002，31(2):111-115.

［2］夏祥，李俊如，李海波，等.爆破荷載作用下巖體振動特征的數值模擬［J］.巖土力學，2005，26(1):50-56.

［3］李玉民，倪芝芳.地下工程開挖爆破的地面振動特征［J］.巖石力學與工程學報，1997，16(3):274-278.

［4］劉紅巖，劉國振，楊軍，等.基于有限元數值計算的爆破震動強度分析［J］.巖土力學，2006，27(6):977-980.

［5］李景龍，李術才，李廷春，等.隧道下穿既有鐵路爆破的穩定控制技術研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(A01):3596-3600.