四車道擴挖隧道爆破振動對新建隧道的影響

孟凡兵，林從謀，鄭強，黃志波，鄧成豪

（華僑大學(xué) 巖土工程研究所，福建 廈門 361021）

四車道擴挖隧道爆破振動對新建隧道的影響

孟凡兵，林從謀，鄭強，黃志波，鄧成豪

（華僑大學(xué) 巖土工程研究所，福建 廈門 361021）

以泉廈高速公路大帽山隧道為工程背景，應(yīng)用數(shù)值模擬方法從振動速度、振動應(yīng)力和應(yīng)力波3個方面分析得出沿擴挖隧道軸向動力特性，同時分析自由面對爆破地震波的影響.結(jié)果表明：距掌子面15m處振速衰減達50%，且在離掌子面10m處振速已經(jīng)低于安全臨界值；最大主應(yīng)力峰值在距掌子面15m的范圍內(nèi)衰減最快，在離掌子面15以上時爆破振動影響逐漸趨于穩(wěn)定；應(yīng)力波在0.4ms時應(yīng)力達到最大值13.3GPa，而在0.6ms時最大應(yīng)力衰減到771.2MPa，只有0.4ms時的5.80%；自由面對爆破地震波的反射作用使能量損失55.6%，但先建隧道自由面使地震波反射疊加，從而使能量增加.

四車道；隧道；擴挖；爆破；振動

眾所周知，四車道大跨度隧道的擴挖目前在國內(nèi)是十分罕見的.在擴挖施工過程中，由于斷面面積大，工序十分復(fù)雜，并且需要考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件、防排水、圍巖穩(wěn)定、工程措施、斷面幾何特征、成本和工期等問題.此外，沒有比較成熟的經(jīng)驗可以借鑒，有很多標(biāo)準(zhǔn)不適用，使得這類施工變得更加復(fù)雜.人們在這類施工中特別關(guān)心在擴挖爆破時對新建隧道部分的影響.由于安全的原因，新建隧道不便于現(xiàn)場監(jiān)測，因此采用數(shù)值模擬的辦法來分析四車道大跨度擴挖隧道爆破振動對新建隧道部分影響.然而，目前大多數(shù)的隧道爆破數(shù)值模擬都集中在對既有隧道爆破振動響應(yīng)的研究［1-6］，對自身新建隧道關(guān)注比較少.大跨度隧道是比較特殊的隧道形式，特別是二車道擴建成四車道，臨近隧道又是四車道大斷面隧道，這樣的隧道形式與一般的隧道施工方法有很大的區(qū)別，施工經(jīng)驗也十分少，同時相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)也不適用.基于此，本文運用大型的通用有限元軟件，對這種新型的隧道形式的爆破振動響應(yīng)進行研究.

1 工程背景

泉廈高速公路大帽山隧道是國內(nèi)首座四車道大跨度小凈距隧道，其隧道結(jié)構(gòu)形式和施工難度也是國內(nèi)罕見，沒有類似工程可以拿來類比.原大帽山隧道是傳統(tǒng)的雙洞分離式隧道，并且兩洞的距離達到50m.單洞全長600m（左線ZK459＋583.43～ZK460＋183.43，右線YK459＋580～YK460＋180），開挖斷面面積為189.16m2，隧道采用曲墻三心圓拱的內(nèi)輪廓凈空，兩洞軸線僅29.61m，最大毛洞開挖跨度為21.67m，中間巖核凈寬為8.83m（約為0.4個隧道跨度），扁平率約為0.626，設(shè)計行車速度120 km·h－1.新的隧道是在原隧道的基礎(chǔ)上擴建，在原隧道兩洞之間新建一個四車道隧道，再把原右隧道擴建成四車道的隧道，形成單線四車道的大斷面小凈距隧道.

2 模型建立

采用SOLID－164單元空間三維建模，材料單元選用LS－DYNA中通用粘彈性材料（＊MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC）模型，塑性屈服判斷準(zhǔn)則采用德魯克－普拉格（Drucke－Prager）屈服準(zhǔn)則.同時，模型模擬真實炮孔大小和深度.

選YK459＋590～YK459＋650段進行建模，處于Ⅳ，Ⅴ類圍巖地段，模型沿隧道方向的長為60m，規(guī)定模型中隧道開挖的方向為Z軸的負向，豎直向上的方向為Y軸正方向，根據(jù)右手規(guī)則，沿開挖方向看，水平向右是X軸正方向.模擬爆破區(qū)域如圖1，圖2，3為數(shù)值模擬模型.

圖1 模擬爆破區(qū)域Fig.1 Simulation blasting area

圖2 數(shù)值模型立體圖 Fig.2 Numerical 3Dmodel

圖3 數(shù)值模擬炮孔立體剖斷圖 Fig.3 Numerical simulation blast hole 3Dsection

根據(jù)設(shè)計可知四車道的隧道直接達到22m，擴建隧道和中間隧道凈距只有8.28m.在充分考慮實際和計算時間的情況下，選擇如下進行建模：X方向模擬80m，上邊到自然地面，下邊到20m；炸藥引爆時，炸藥位于擴建隧道右上導(dǎo)坑，質(zhì)量為12.8kg，集中裝藥引爆.在起始斷面ZK459＋590施加Z方向位移約束；沿X方向?qū)ψ笥覂蓚?cè)施加位移約束；沿Y方向?qū)Φ酌媸┘游灰萍s束，最上面地面為自由邊界，模型的地面和側(cè)面都施加無反射邊界，這樣可以避免爆破地震波的發(fā)射干擾.

模型網(wǎng)格劃分用的是六面體單位，模型上覆淺層土也有適當(dāng)形式來模擬.充分考慮各個方面的因素，劃分網(wǎng)格共得467 477個實體單元.

模型由炸藥、巖石和空氣3部分組成.炸藥采用程序中有的高性能炸藥MAT＿HIGH＿EXPLOSTIC＿BURN.其中：密度為1 891kg·m－3；爆速為5 500m·s－1；參數(shù)A，B分別為778.3，7.071GPa；W 為0.3；R1為4.2；R2為1.0；爆壓為4.2GPa；E0為8.5GPa.巖石材料采用 MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC.其中：密度為2 820kg·m－3，彈性模量為25.5GPa，泊松比為0.27，屈服應(yīng)力為6.5MPa，剪切模量為15GPa，衰減系數(shù)為0.8.文中模擬的是擴挖隧道右上部分.

3 數(shù)值計算值與實測結(jié)果的比較

因為安全原因，現(xiàn)場沒有辦法對新建隧道進行檢測，只能通過先建隧道的現(xiàn)場檢測，從定性和定量上分析比較數(shù)值計算的準(zhǔn)確度.隧道拱腰部位振動速度峰值實測值與數(shù)值計算值及誤差，如表1所示.表1中：vm，vc分別為振動速度峰值實測值與數(shù)值計算值；η為誤差.

表1 先建隧道拱腰部位振動速度峰值實測值與數(shù)值計算值的比較Tab.1 Comparison between test values and calculation values of peak value of vibration velocity at hance of constructed tunnel

（1）定性分析數(shù)值計算結(jié)果.實測數(shù)據(jù)取掌子面前方和后方先建四車道隧道觀測點CD1，CD2，CD3，CD4和CD5拱腰的部分數(shù)據(jù)，數(shù)值計算數(shù)據(jù)取先建四車道隧道拱腰相應(yīng)位置的數(shù)據(jù).根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果可以得知：距離掌子面越遠，爆破振動速度越??；垂直隧道方向速度最大，平行隧道方向振動速度次之，最小的振動速度是垂直地面.這些規(guī)律跟實測數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)出來的一樣.

（2）定量分析數(shù)值計算結(jié)果.從表中1可以看出：誤差基本上控制在15%以內(nèi)，有個別方向超出，在工程誤差范圍之內(nèi).數(shù)值計算值比實測值要大，說明數(shù)值計算結(jié)果是偏保守的.所以，從定量上分析數(shù)值計算準(zhǔn)確度比較高.

4 擴挖隧道軸向動力特性

4.1 振動速度

擴建隧道右側(cè)拱腳、右側(cè)拱肩、拱頂、左側(cè)拱肩和左側(cè)拱腳振速衰減規(guī)律，如圖4所示.從圖4中很明顯看出：振速在5～15m時的衰減最快，無論是那個觀測點還是那個方向衰減都達到50%以上；振速在15～25m的衰減比較緩慢.當(dāng)距離掌子面10m時，振速明顯低于20cm·s－1，已經(jīng)遠遠低于隧道安全臨界振動速度25cm·s－1.

圖4 擴建隧道各部位振速衰減規(guī)律Fig.4 Each part of tunnel vibration velocity attenuation law

4.2 振動應(yīng)力

擴建隧道最大主應(yīng)力峰值隨隧道距離衰減規(guī)律，如圖5所示.從圖5的整體上看，同一斷面上面拱頂?shù)膽?yīng)力最大，右拱肩次之，再就是右拱腳，這主要是模擬的爆源是右上部分決定的.最大主應(yīng)力峰值隨著距離的增加而不斷衰減是顯而易見的，并且在距離掌子面15m的范圍內(nèi)衰減速度的最快的.離掌子面5m的斷面拱頂最大主應(yīng)力峰值是3.76MPa，但是到了15m遠的斷面拱頂最大主應(yīng)力峰值是1.94MPa，衰減到了51.6%；在離掌子面15m以上時，最大主應(yīng)力的衰減變得比較緩慢，這就說明在離掌子面15m以上時爆破振動影響逐漸趨于穩(wěn)定.

4.3 爆破應(yīng)力波

圖5 最大主應(yīng)力峰值隨隧道距離衰減規(guī)律Fig.5 Maximum principal stress peak attenuation with tunnel distance

當(dāng)炸藥在巖體中爆炸時，一部分能量使炸藥周圍的介質(zhì)引起擾動，并以波的形式向外傳播.炸藥爆炸在近區(qū)產(chǎn)生的是沖擊破［7］，此時沖擊波開始不斷衰減，在爆破中區(qū)變成應(yīng)力波.所形成的應(yīng)力波是一以爆破點為中心的圓逐漸向外擴展，應(yīng)力波在0.4ms時的應(yīng)力達到最大值13.3GPa.在應(yīng)力波向外傳播的過程中，因粘彈性介質(zhì)的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)導(dǎo)致能量耗散，在巖石中產(chǎn)生的應(yīng)力也逐漸衰減.應(yīng)力波在0.6ms時，最大應(yīng)力衰減到771.2MPa，只有應(yīng)力波在0.4ms時應(yīng)力的5.80%.隨著時間的推移衰減速度減慢，應(yīng)力波隨著時間的衰減規(guī)律如圖6所示.

圖6 應(yīng)力波隨著時間的衰減規(guī)律Fig.6 Stress wave attenuation with time

4.4 自由面對爆破地震波影響

炸藥爆炸產(chǎn)生的一部分能量引起圍巖擾動，另外一部分能量會以波動的形式向外傳播.在爆破近區(qū)是沖擊波，中區(qū)是應(yīng)力波，應(yīng)力波傳播到遠區(qū)到達自由面或則界面反射和折射疊加形成的是地震波.顯然，地震波是由應(yīng)力波轉(zhuǎn)換來的，雖然它只是炸藥爆炸產(chǎn)生能量的一小部分，可研究地震波傳播機理對控制振動危害是十分必要的［8-9］.

隧道擴挖爆破產(chǎn)生地震波是以爆為中心呈球狀向外傳播，傳播時遇到原有隧道，也可以當(dāng)成是遇到自由面.這時，地震波就會出現(xiàn)波反射、繞射和疊加效應(yīng).爆源兩側(cè)觀測點的布置，如圖7所示.圖7中：夾巖選取的觀測點還是前面所述的D1～D5共5個觀測點，為了形成對比，另外選取一組觀測點DC1～DC5位于爆源的右側(cè)，觀測點DC1跟中夾巖擴建隧道側(cè)壁上的觀測點D5到爆源的距離都是22.67m，其余點跟此點距離同中夾巖一樣.提取垂直隧道方向、垂直地面方向和平行隧道方向各觀測點的振速，如圖8所示.圖8中：v為振速；d為與同組離爆源最近的觀測點距.

圖7 爆源兩側(cè)觀測點的布置圖Fig.7 Distribution of test points at both sides of explosion

圖8 各觀測點的振速對比圖Fig.8 Vibration velocity at every test point

從圖8（a）可以看出：在爆源右側(cè)不存在自由面，這樣地震波也就不會發(fā)生反射、繞和疊加的效應(yīng)，離爆源最近的觀測點是DC1振速峰值為22.23cm·s－1，是左側(cè)同距離D5觀測點振速峰值的1.48倍.對于同一場次的爆破而言，爆破地震的總能量同峰值振速的平方近似成正比例［10］.因此，由于原有隧道的存在，通過反射能量損失55.6%.右邊的地震波幾乎呈線性衰減，到觀測點DC5時，振速峰值已經(jīng)衰減到了6.58cm·s－1.但是左邊地震波在D1和D2之間由于波的疊加效應(yīng)，使得振速突然增加到9.09 cm·s－1，是DC5振動峰值的1.38倍.所以，即便有原有隧道的存在起到了一定的減震作用，但也不能放松對先建隧道的監(jiān)測.

由圖8（b）可知：在垂直地面方向DC1觀測點的振速峰值達到16.34cm·s－1，是D5的1.7倍，幾乎呈線性衰減；到DC5時衰減到最小值5.65cm·s－1；爆源左邊中夾巖觀測點呈現(xiàn)的是兩頭大中間小的局面，同樣也是由于波的反射疊加效應(yīng)使D2到D1之間出現(xiàn)振動峰值增加的現(xiàn)象.由圖8（d）可知：在平行隧道方向也呈現(xiàn)類似規(guī)律.

5 結(jié)論

1）距離掌子面15m的范圍內(nèi)振速衰減很快，在15m處已經(jīng)衰減達到50%，15m以后衰減比較緩慢；在離掌子面10m處，振速已經(jīng)低于安全臨界值.

2）最大主應(yīng)力峰值隨著距離的增加而不斷衰減，在距離掌子面15m的范圍內(nèi)衰減速度最快；在離掌子面15m以上時，最大主應(yīng)力的衰減變得比較緩慢.說明在離掌子面15m以上時，爆破振動影響逐漸趨于穩(wěn)定.

3）應(yīng)力波在0.4ms時，應(yīng)力達到最大值13.3GPa.在應(yīng)力波向外傳播的過程中，因粘彈性介質(zhì)的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)導(dǎo)致能量耗散而逐漸衰減.在0.6ms時最大應(yīng)力衰減到771.2MPa，只有0.4ms應(yīng)力的5.80%，且隨著時間的推移，衰減速度減慢.

4）自由面對隧道爆破地震波的反射作用使能量損失了55.6%，但旁邊因為先建隧道自由面的存在，使地震波出現(xiàn)反射疊加作用，從而能量增加.

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Influence of Expanded Four－Lane Tunnel Blasting Vibration on New Tunnel

MENG Fan－bing，LIN Cong－mou，ZHENG Qiang，HUANG Zhi－bo，DENG Cheng－h(huán)ao

（Research Institute of Geotechnical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Taking Tai Mao Shan tunnel in Quanxia express way as example，the analysis of the vibration velocity，vibration stress and stress wave was carried out by the numerical simulation，to obtain the dynamic axial characteristics during the tunnel expansion，the influence of the free face on seismic wave of blasting was investigated.The results show that：the velocity attenuation is up to 50%15meters away from the tunnel face，and the velocity is below the safe value 10 meters away from the tunnel face；the attenuation of the peak maximum principal stress is the largest within 15meters away from the tunnel face，for the region more than 15meters away from the tunnel face，the blasting vibration tends to be stable；the stress wave reaches the maximum stress 13.3GPa at 0.4ms，and maximum stress attenuation to 771.2 MPa at 0.6ms，which is only 5.80%of 0.4ms；the energy dissipation is up to 55.6%due to the blasting seismic wave reflection caused by free face effects，but the free face of the constructed tunnel superposes the seismic reflection，so that the energy increases.

four－lane；tunnel；expanding excavation；blasting；vibration

黃曉楠 英文審校：方德平）

U 455.41；O 382.2

A

1000－5013（2012）01－0079－05

2011－05－17

林從謀（1957－），男，教授，主要從事地下結(jié)構(gòu)的研究.E－mail：cmlin＠hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目（50978109）；福建省交通科技發(fā)展基金資助項目（200910）