城市地鐵淺埋隧道掘進爆破地表振動試驗研究

高照帥，王德勝，尹作明，花良奎

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083)

城市地鐵淺埋隧道掘進爆破地表振動試驗研究

高照帥1,2，王德勝1,2，尹作明2，花良奎2

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083)

摘要：針對北京地鐵某區段的淺埋復雜隧道掘進爆破振動進行現場試驗研究，通過爆破振速的全程跟蹤實測及數據分析，研究了掘進掌子面前后等距離處的地表振動特性。結果表明：已開挖的隧道形成的孔洞具有散射放大效應，致使掌子面后方地表處的最大波峰振速矢量總和是其前方等距離處的1.22～2.04倍；用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬研究，模擬結果與實測的變化規律和特性吻合；在不改變炸藥單耗及其他材料參數，僅改變隧道埋深及斷面尺寸的狀況下，通過數值計算分析得出，放大效應對埋深及斷面尺寸的變化比較敏感，埋深越淺、斷面尺寸越大，放大效應越顯著。

關鍵詞：城市地鐵;淺埋隧道；地表振動；放大效應；數值模擬；隧道埋深；斷面尺寸

在城市地面道路交通資源日趨緊張的情況下，建設地鐵工程是緩解城市交通擁堵的有效措施。開挖城市地鐵隧道需下穿堅硬巖層時，爆破掘進是最經濟、快速和高效的方法。但爆破掘進致使周圍巖體及地表產生地震效應，對工程本身及其鄰近建(構)筑物的安全性和耐久性產生不良影響[1]，制約著城市在復雜環境條件下地下工程安全推進的進度。爆破振動理論和實踐研究一直是工程爆破研究的一個熱點[2]，爆破振動效應研究是控制爆破振動危害的基礎和前提，也是指導爆破工程施工的重要理論依據[3]。合理控制隧道下穿危險地段時的爆破振動，在振動危害允許的條件下，實現工程效益最大化。要從根本上解決這個問題，必須先弄清楚隧道掘進爆破引起的地表振動特性及其影響范圍[4]。

以北京新建地鐵的土巖混合、下穿煤氣管線、緊鄰密集建筑物的淺埋復雜隧道掘進爆破工程為背景，對地表振速全程跟蹤實測，用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬研究，探討介質一定的條件下掘進掌子面前后等距離處的地表振動特性及隧道埋深和斷面尺寸的影響，優化爆破設計方案，指導復雜條件下的淺埋隧道順利施工。

1工程概況

在北京地鐵淺埋隧道掘進爆破的某區段內，沿線距離需重點保護的建筑群及廟宇分別為40 m和30 m，隧道拱頂距煤氣管線20 m。試驗研究區段地勢較平坦，土層厚12 m左右，其表層分布新近沉積土層，下部第四紀沉積土層以粘性土和粉土為主，局部夾砂土層；土層下大多屬Ⅲ級圍巖，以石英砂巖為主，從上到下風化程度由強至中等，層理、節理不發育，均質性較好，韌性較大，普氏系數f為8～10。設計隧道拱頂距地表21 m，斷面呈馬蹄形，開挖凈高6.4 m，寬6.3 m。

2爆破施工方案及振動監測

圖1　上臺階炮孔布置及電子雷管起爆時間設計

2.1爆破施工方案

試驗研究是以《爆破安全規程GB6722-2003》中爆破震動安全允許標準為控制爆破振動大小的依據，同時加強沿線需重點保護的建(構)筑物的振動監測，在振動允許的條件下進行試驗研究。為了確保試驗研究能夠安全順利進行，設置需重點保護的建(構)筑物處的振動預警值為1 cm/s。

采用臺階法施工方案，上臺階采用楔形掏槽爆破，中間四排楔形掏槽眼垂深1.4 m；周邊眼長1.2 m，光面爆破；采用電子雷管起爆網路，掏槽眼和周邊眼2 ms時差，輔助眼和底板眼4 ms時差，精準延時逐孔起爆。合計62個炮眼，孔徑42 mm，總裝藥30 kg，斷面面積18 m2，炸藥單耗1.7 kg/m3，進尺1.0 m，炮孔利用率85%。布孔及雷管延時設計見圖1，隧道參數設計見表1。

表1　臺階法設計參數表

2.2爆破振動監測

采用加拿大Instantel公司生產的Blast Mate Ⅲ爆破振動測試儀進行現場監測。該儀器有四個通道(超聲波和三維振動檢波器)，各通道采樣頻率為每秒采集1 024個樣本。振動檢波器量程254 mm/s；分辨率0.015 9 mm/s，帶內置式前置放大器；通頻帶為2～500 Hz。

圖2　縱剖面測點布置示意圖

以上臺階掘進爆破引起的地表振動為試驗研究對象。如圖2所示，校準后的檢波器安設在隧道軸線正上方的地表處，以掌子面為對稱面，沿隧道軸線方向每隔5 m對稱布置測點，共布置9個測點，且每次監測時各測點與爆源的相對位置不變。

3試驗結果及分析

3.1實測結果

經全程跟蹤實測，得到大量振動數據，因篇幅有限，僅將試驗期間12月16日、17日、19日及21日的爆破振動監測數據列表(表2)。

表2　實測地表振速數據

注：PVS為最大波峰矢量總和。

3.2地表振動特性分析

由表2、圖3及圖4可知，掌子面后方地表處的PVS(peak vector sum)較其前方等距離處具有放大現象，且放大倍數隨爆源距的增大而先增大后減小，在10 m處達到最大，整體放大倍數在1.22～2.04之間。

4數值模擬研究

根據工程波動理論，地下隧道對地表振動速度的影響，實質上是隧道對爆破地震波的散射問題，可用解析法和數值法對其進行理論分析。數值法在任意地下結構及復雜場地特性方面具有解析法所不具備的獨到優勢，故用數值法對試驗現象進行進一步研究。

由于測點位于爆破點上方，地表質點的垂向振動速度一般要大于其水平向振動速度[5]。因此采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬研究上臺階掘進爆破引起的振速變化規律。采用cm-g-μs單位制，采用ALE多物質流-固耦合算法進行計算。

圖3　地表振速特性折線圖

圖4　振速放大倍數隨水平距離變化折線圖

4.1計算模型及邊界處理

x軸指向掘進方向右側，y軸豎直向上，z軸背離掘進方向且過隧道拱心。隧道上邊界至地表的距離與實際一致。為減少邊界效應，將隧道底部至模型底部的距離設置為隧道高度的3倍，將兩個隧道的邊緣到模型邊緣的距離設置為隧道寬度的3倍[6]。如圖5～6所示，考慮到對稱性，故建二分之一模型，計算區域為25 m×50 m×50 m。由于坑道內沖擊波的傳播規律明顯不同于自由大氣中沖擊波的傳播規律[7]，因此模型包括土層、圍巖、炸藥、炮泥及隧道內空氣，采用8節點SOLID164實體單元建模，炸藥、炮泥和空氣采用歐拉網格劃分，圍巖和土層采用拉格朗日網格劃分。整個模型共劃分20 936個單元，23 890個節點。為消除截斷邊界的反射波影響，設x=0面為對稱面、地表為自由邊界、其余面為無反射固定邊界，位移均為ux=0，uy=0，uz=0。

圖5　有限元計算模型

圖6　網格劃分

4.2材料參數選取

選用*MAT_NULL為隧道內空氣的材料模型、*MAT_SOIL_AND_FOAM作為土層的材料模型、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC為圍巖和炮泥的材料模型、*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN為2號巖石乳化炸藥的材料模型。數值模型材料參數列于表3，炸藥及其狀態方程參數列于表4。

表3　數值模型材料參數表

表4　炸藥及其狀態方程參數表[5]

圖7　掌子面前方距爆源15 m處地表振動速度波形

4.3數值計算結果分析

選取爆源的正上方、前方15 m及后方10 m處的模擬地表振動速度變化曲線與現場實測的地表振速變化曲線進行對比分析。由圖7～9的波形對比分析可知，數值模擬獲得的波形與實測波形基本相符，振動速度衰減規律相同，但最大峰值振速存在一定誤差，誤差的大小將直接影響數值方法的可靠度，因此將兩者的對比結果列于表5。

由表5中的數據可知，雖然不同位置處的差異具有波動和不確定性，但最大相對誤差為5.04%，這充分說明模擬結果與實測結果的變化規律及特性吻合，證實用數值模擬研究實際隧道掘進爆破產生的振動效應是可行的。

圖8　爆源正上方地表振動速度波形

圖9　掌子面后方距爆源10 m處地表振動速度波形

表5　地表振動參數模擬計算結果及其誤差

為進一步研究爆破的地表振動響應及傳播規律，采用單一變量原則，在僅將隧道埋深分別改變為11，21，31，41 m的狀況下進行數值計算分析，結果如圖10所示。分析表明：隧道埋深越淺，放大現象越顯著，并且放大倍數增幅較大；隧道埋深越深，放大現象越微弱甚至不顯現。

圖10　隧道埋深對放大效應的影響

圖11　隧道斷面尺寸對放大效應的影響

同時，為了研究隧道斷面尺寸對放大效應的影響，在不改變炸藥單耗，僅改變斷面直徑分別為4，6，8，10 m的狀況下進行數值計算分析，結果如圖11所示。分析表明：隧道斷面尺寸越大，放大效應越顯著，且放大倍數增幅較大；如若取斷面尺寸無限大，可以將上覆巖土層看成獨立的懸臂結構，此時的放大效應與鞭梢效應相似。

鑒于隧道的埋深及斷面尺寸對爆破的地表振動響應及傳播規律的影響是數值計算所得，并且試驗研究中的隧道埋深及斷面尺寸已由設計確定，故數值計算分析得出的結果尚需其他工程實踐驗證。另已有專家學者[8-12]運用解析法得出，淺埋孔洞對P波、SH波、SV波及Rayleigh波均有不同程度的散射放大作用，致使孔洞附近地表出現振動放大的現象。

5結論

1)城市地鐵淺埋隧道掘進爆破過程中，存在著掌子面后方地表處的爆破振速是其前方等距離處的1.22～2.04倍。

2)ANSYS/LS-DYNA模擬結果與實測的變化規律和特性吻合，最大峰值振速誤差在工程接受范圍內。

3)孔洞散射放大效應對埋深及斷面尺寸的變化比較敏感，埋深越淺、斷面尺寸越大，放大效應越顯著。

4)淺埋隧道開挖后形成的孔洞，破壞開挖前巖體的整體性，致使隧道上方巖土層抵抗擾動的能力下降；已形成的孔洞限制爆破空氣沖擊波的衰減速度，使爆破應力波與空氣沖擊波在孔洞內壁面上進行復雜的相互作用；已形成的孔洞對爆破應力波具有散射放大作用；受上述三方面因素的綜合影響，淺埋隧道爆破掘進過程中的孔洞散射放大效應特別顯著。

因此，淺埋隧道掘進爆破下穿地表重要保護建(構)筑物及對振動敏感的地段時，應重視這種放大現象存在的安全隱患及其對隧道爆破設計、震動安全評價的影響。在掌子面后方有孔洞存在時，應加強對掌子面后方地表處的振動監測，合理優化爆破設計方案，有效控制爆破振動。

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(責任編輯：呂海亮)

Experimental Study of Ground Vibration Induced by Shallow nUrban Subway Tunnel Excavation Blasting

GAO Zhaoshuai1,2,WANG Desheng1,2,YIN Zuoming2,HUA Liangkui2

(1.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China； 2.College of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Abstract:Based on the experimental research of the blasting vibration effect on ground in complex shallow tunnel excavation in a section of Beijing subway,this paper studied the ground vibration characteristics at equal distances in the front and rear of tunneling blasting sources by whole course tracking and monitoring the blasting vibration velocity and analyzing the data.The results show that the opening formed by the excavated tunnel has a scattering and amplification effect and that the vector sum(PVS)of the peak ground vibration at the rear of working face is about 1.22～2.04 times that at the front of equal distance.After the numerical simulation with ANSYS/LS-DYNA,it has been found that the simulated results are in great agreement with the field measured results in terms of changing law and characteristics.With the specific explosive charge and other material parameters fixed and only the buried depth and section size of tunnel changing,numerical calculations were made and the analyses show that the amplification effect,sensitive to tunnel depth and section size,is more notable when the tunnel depth is shallower and the section size is greater.

Key words:city subway;shallow buried tunnel;surface vibration;amplification effect;numerical simulation;tunnel depth;section size

收稿日期：2015-10-23

作者簡介：高照帥(1989—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事巖土工程爆破研究.E-mail：lvyjiren89@163.com 王德勝(1961—)，男，山東萊蕪人，教授，博士生導師，主要從事爆破工程方面的教學與研究工作，本文通信作者. E-mail：wds812123@163.com

中圖分類號：TD235.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0079-07