兩相鄰引水隧洞爆破振動影響分析

李卿

摘 要：在相鄰隧洞的施工過程中，一條隧洞的爆破施工會對既有隧洞造成不良的影響。通過理論計算和模擬仿真分析，確定合理的爆破設計參數，以確保既有隧洞的運營安全。

關鍵詞：相鄰隧洞；爆破振動；影響分析；運營安全

中圖分類號：U445.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.105

1 工程概況

1.1 工程概述

本工程為菲律賓馬尼拉擬建的一條引水隧洞（Tunnel 4），新建的引水隧洞與IPO水庫至Bigte水池之間已經有的3條引水隧洞平行，且與第一條引水隧洞（Tunnel 1）緊鄰，二者距離約25 m。

新設計的4號隧洞全長6 386 m，進口高程96.7 m，出口高程92.3 m，斷面為城門洞型，底寬3.6 m，凈高4.1 m，襯砌厚度250 mm，隧道的平均埋置深度在100～150 m之間，最深處達到200 m，新建4#隧洞洞底板高程比現有1#隧洞洞底板高8.0 m。

目前，正在運行的1號隧洞全長6 256 m，進口高程86.802 m，出口高程84.226 m，斷面為城門洞型，底寬2 m，凈高2.1 m，襯砌厚度200 mm，于1977年建成。

鑒于1#、4#隧洞距離比較近，為了避免新建隧洞爆破振動影響既有隧洞，確保1#隧洞的運營安全，根據我國的水電水利工程爆破施工技術規范，水工隧洞的爆破安全允許振動速度為50 mm/s。但是，在投標前，菲律賓方提出補遺，對施工過程中爆破安全控制標準提出了更嚴格的要求，即爆破過程中既有隧洞的振動速度必須控制在25 mm/s以內。為此，需驗證原設計的爆破參數是否滿足要求。

1.2 隧洞的相關水文地質資料

根據工程相關的水文地質資料，隧洞圍巖物理力學參數取值如表1所示。

1.3 現場擬采用的施工工法

隧洞開挖按照新奧法原理組織施工，Ⅰ～Ⅲ級圍巖地段采用全斷面法，每個循環進尺2 m，Ⅳ～Ⅵ級圍巖地段采用臺階法施工，循環進尺為0.5～1.2 m為宜。

1.4 圍巖爆破設計參數

炮眼布置和裝藥量：采用楔形掏槽方式布眼，共布置炮眼58個，炮眼深度2.4 m，總裝藥53.3 kg。

在施工過程中，為了滿足菲方提出的爆破振動控制基準（振速V≤25 mm/s），根據巖體性狀和圍巖條件設計了爆破參數，具體如表2所示。

2 單段最大段藥量的理論分析

在爆破施工中，薩道夫斯基法具有明確的物理意義，應用方便、快捷，可為爆破設計提供理論依據，它至今仍是爆破工程中應用率最高的方法。因此，此次單段最大炸藥量的理論分析也借助于此法進行初步計算。

所謂“薩道夫斯基法”，即以傳統的爆破振動速度衰減公式——薩道夫斯基公式為基礎，給出爆破振動速度隨炸藥量、爆心距等因素的定量關系。

2.1 薩道夫斯基經驗公式和關鍵參數取值

在爆破工程中，爆破振動衰減規律主要是通過介質質點振動速度幅值與裝藥量和爆心距的變化關系來反映的。一般情況下，振動速度幅值是隨炸藥量的增加而增加的，隨爆心距的增加而減小。這一規律可通過工程中常用的薩道夫斯基公式定量描述，即：

式（2）中：Qmax為單段最大裝藥量，kg；Rmin為測點與爆破位置間最小距離，m（本工程中約為25 m）；K為場地系數；α為衰減系數。

式（2）中關鍵參數K和α的取值如表3所示。

由于本工程洞室所穿越的圍巖跨越Ⅱ～Ⅴ類四個等級，所以，理論分析時，針對不同的圍巖類別，應結合引水隧洞穿越的具體地質情況選取不同的K值和α值，具體情況如表4所示（需要說明的是，考慮到工程中巖質條件比較好，所以，Ⅱ，Ⅲ類圍巖取值時，分別按堅硬巖石、中堅硬巖石的偏小值選取；考慮到Ⅳ類圍巖巖體性狀比Ⅱ，Ⅲ類圍巖要差，但又好于Ⅴ類圍巖，所以，取值時，按中堅硬巖石與軟巖石的臨界值選取；Ⅴ類圍巖因巖體性狀較差，所以，取值時按軟巖石的中間值選取）。

2.2 各級圍巖單段最大藥量計算

利用式（2）獲取各類圍巖下單段最大段藥量為：Ⅱ級圍巖10.69 kg，Ⅲ級圍巖8.19 kg，Ⅳ級圍巖8.16 kg，Ⅴ級圍巖9.16 kg。由計算可知，理論計算的各類圍巖下單段最大裝藥量均大于爆破設計中的掏槽眼單段最大藥量，所以，判斷爆破設計參數是可行的。

3 爆破施工對既有隧洞動力響應的數值仿真分析

3.1 數值模擬模型建立說明

根據1#、4#引水隧洞二者間的相對位置關系建立二維數值仿真模型，模型依據隧洞的實際尺寸建立，地表依據現場實際埋深考慮（約150 m）。考慮到本工程以Ⅲ類圍巖為主，基本采用全斷面法施工，且由于全斷面施工開挖面積最大，誘發的振動影響也最為劇烈，所以，數值仿真計算時，以Ⅲ類圍巖施工爆破作為重點研究對象。

在數值仿真模型中，巖體物理力學參數的取值按照表1中Ⅲ類圍巖選取。數值分析計算爆破對既有隧洞產生的水平x方向振速Vx和豎直y方向振速Vy。

3.2 振動監控測點的選取

為了獲得爆破施工過程中1#引水隧洞的振動速度，特在拱頂、拱腰、拱腳、邊墻、底板等典型部位布置監測點。同時，為了分析爆破振動速度在1#、4#隧洞間地層中的傳播規律，獲取質點振速與震源距離關系曲線，在相鄰兩隧洞的邊墻上布置測線進行模擬爆破監控和分析。

3.3 爆破沖擊荷載確定

在數值仿真分析時，爆破的模擬是在新建隧洞上施加爆破沖擊荷載來實現的，其大小和位置是由爆破設計資料中掏槽孔等位置綜合考慮而得。

在隧洞開展爆破施工的過程中，由于第一段位炸藥爆破是在基于一個臨空面的條件下進行的，所以，能量損失比較小，而后續爆破時臨空面比較多。與第一段位炸藥相比，能量損比失較大。一般情況下，第一段位炸藥爆破作用在圍巖上的能量是最大的，產生的地震波效應也是最大的。因此，本次數值模擬時，主要模擬掏槽孔在設計段藥量下爆破產生的振動對既有1#隧洞的影響。

根據爆破振動理論分析，炸藥引發的荷載可簡化為圖1所示的荷載曲線。依據表2的爆破參數設計，爆破沖擊荷載的確定過程如下。

在確定爆破峰值荷載時，主要是根據經驗公式求解而得。依據Hsinyu low，Hong hao對現有眾多爆破荷載峰值公式進行統計分析可知，如圖2所示，爆破荷載的應力峰值Pmax（作用在開挖邊界）可采用經驗公式求解，即：

根據式（3）和式（4）估算Ⅲ類圍巖采用全斷面工法開挖時掏槽爆破荷載峰值，進尺2 m左右，掏槽眼單段最大炸藥量據表3可知為7.8 kg，R*采用等效面積法，近似取1 m，進而得到Z為0.507，爆破荷載峰值Pmax為20.4 MPa。

3.4 數值仿真計算結果分析

在計算過程中獲取1#既有水工隧洞各監測點最大振速如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

經過相關分析總結如下：①1#既有隧洞在4#隧洞爆破施工過程中，各個測點最大振速始終處于25 mm/s以下，其中，右拱腰和右邊墻相對其他測點測到的最大水平振速Vx略大，達到18 mm/s，但是，仍在25 mm/s的要求線之下，因此，整體處于安全狀態。②將最大水平振速與最大豎向振速合成后，獲得最大測點振速如圖5所示（需要說明的是，水平振速與豎向振速并不一定會同時達到最大，因此，本計算偏于安全）。從圖中可以看出，合成后，最大振速為23 mm/s，仍處于25 mm/s的控制線之下，因此，符合安全控制基準要求。③從圖6中可以看出，在距離震源10 m之內，質點振速隨距離的增大衰減速度十分快，但是，當其超過10 m以后，質點的振速衰減逐漸趨緩。以25 mm/s為控制線，可得在距離震源16 m開外時，所得到的質點振速都符合要求。

4 結束語

基于薩道夫斯基公式計算出的各類圍巖下單段最大藥量均大于爆破設計中的掏槽眼單段最大藥量，所以，爆破設計參數是可行的。

爆破設計參數滿足安全控制基準的要求，所以，可以按照此參數現場施工。

在數值仿真和理論分析過程中作了適當的簡化處理，同時，現有的地勘資料并不能全面反映1#、4#引水隧洞的實際巖體狀況，所以，上述分析僅可作為前期施工參考。在施工過程中，應編制詳細的爆破振動監控技術方案，并依據施工進度同步監測爆破振動的情況，及時與理論計算結果對比，適時調整爆破參數，以確保工程安全。

參考文獻

[1]中國電力企業聯合會.DL/T 5135—2013 水電水利工程爆破施工技術規范[S].北京：中國電力出版社，2014.

[2]喬憲隊.爆破震動對鄰近隧洞的動力響應分析[D].長沙：中南大學，2007.

〔編輯：白潔〕