隧洞開挖爆破空氣超壓誘發圍巖振動機理

陳 明， 何文學， 盧文波， 王高輝， 郭天陽， 冷振東

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.武漢大學 水工巖石力學教育部重點實驗室，武漢 430072)

隧洞開挖爆破空氣超壓誘發圍巖振動機理

陳 明1,2， 何文學1,2， 盧文波1,2， 王高輝1,2， 郭天陽1,2， 冷振東1,2

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.武漢大學 水工巖石力學教育部重點實驗室，武漢 430072)

基于河北豐寧抽水蓄能電站地質探洞中爆破試驗獲取的監測數據，理論分析和數值模擬研究了隧洞開挖爆破空氣沖擊波超壓誘發圍巖振動的機理及特性。結果表明，小斷面隧洞爆破空氣沖擊波超壓較大并將誘發圍巖振動，該振動具有振速高、持續時間長和衰減慢等特征；空氣沖擊波超壓誘發的圍巖受迫振動發生時間受空氣沖擊波傳播速度控制；誘發振動可分為空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產生并經圍巖傳播過來的振動，和空氣沖擊波超壓傳播到圍巖壁面直接引起的振動。數值模擬發現受迫振動經圍巖傳播時衰減很快，所以測點的振動主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的圍巖振動。

鉆孔爆破；隧洞；振動速度；空氣沖擊波超壓

水利水電、交通、采礦等工程領域均涉及到大量的隧洞開挖工作，隧洞開挖爆破中會產生地震波、空氣沖擊波超壓、爆破飛石、有害氣體等有害效應。實際爆破中產生的能量只有20%～30%用來破碎巖石，其余能量被地震波、空氣沖擊波超壓、爆破飛石等消耗掉，其中地震波和空氣沖擊波超壓攜帶能量最多，不僅影響地下洞室的安全和穩定，而且危及人類生命和財產的安全。

眾多研究者對鉆孔爆破振動及空氣沖擊波超壓傳播規律進行了研究。閆鴻浩等[1-3]采用現場試驗分析了爆破振動的傳播規律； Resende等[4]提出了應力波傳播途徑和局部峰值在爆破振動控制中的重要性；Ahmed等[5]提出了爆破振動作用下隧洞中噴射混凝土的安全控制措施，趙振國等[6]研究了爆破振動對二次噴護結構的影響。隧洞開挖爆破空氣沖擊波超壓方面的研究也有大量成果，Pennetier等[7]論證了隧道中爆炸遠區空氣沖擊波傳播規律類似為一維應力波。Kuzu等[8-9]研究了隧洞爆破開挖空氣沖擊波超壓對人和結構的危害。張文煊等[10]研究了巷道爆破中空氣沖擊波超壓的傳播規律，認為空氣沖擊波超壓在沿巷道傳播時，在開挖面近區衰減最快，當距離較遠時，沖擊波的衰減比在自由空間慢。田志敏等[11]通過數值模擬研究了隧道內爆炸空氣沖擊波超壓流場，分析了上下壁面壓力峰值隨爆心距的衰減規律。楊科之等[12]用量綱分析法研究了坑道內爆炸空氣沖擊波超壓的傳播規律，得到坑道內沖擊波的超壓峰值和作用時間較自由空氣中都有增大。朱傳云[13]在研究隧洞輪廓爆破過程中，監測到空氣沖擊波超壓會造成圍巖壁面振動，并將此解釋為空氣沖擊波超壓誘發的拍振現象。Albert等[14]的研究也發現，在近地表爆炸時地面先后產生兩次振動，第一次振動是由于地震波引起，第二次振動由空氣中傳播的壓力即空氣超壓所引起。

綜合以上分析可見，已有研究重點在爆破地震波和空氣沖擊波超壓的傳播與衰減規律，對于隧洞爆破開挖空氣沖擊波超壓誘發的圍巖振動的研究相對較少。本文基于河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房地質探洞鉆孔爆破試驗資料，采用理論分析與數值模擬相結合的方法，研究隧洞開挖爆破中空氣沖擊波超壓誘發圍巖振動的機理及特性，為合理評價空氣沖擊波超壓導致的振動對圍巖穩定及其他設施安全的影響提供參考。

1 豐寧抽水蓄能電站二期工程鉆孔爆破試驗

豐寧抽水蓄能電站位于中國河北省豐寧滿族自治縣境內，豐寧抽水蓄能電站規劃裝機容量3 600 MW，為世界上裝機容量最大的抽水蓄能電站。為了研究地

下廠房系統施工過程中的爆破有害效應影響，利用工程地質探洞，進行了鉆孔爆破試驗，分析振動及空氣沖擊波超壓的傳播與衰減規律。

1.1 爆破試驗設計

地下廠房地質探洞的掌子面進行淺孔掏槽爆破試驗，馬蹄形探洞斷面高和寬分別為2.1 m與1.8 m。掏槽爆破采用中間有大空孔的直孔掏槽方式，炮孔布置在探洞開挖掌子面，如圖1和圖2所示。使用乳化炸藥，每個炮孔裝兩發非電半秒延期雷管，采用0.5 s微差起爆網路，分兩段起爆，起爆網路圖，如圖2所示，爆破設計參數，見表1。

圖1 炮孔位置及監測點布置圖Fig.1 Arrangement of blastholes and measurement points

圖2 淺孔掏槽爆破炮孔平面布置及起爆網絡示意圖Fig.2 Arrangement of shallow cut blastholes and sketch map of detonating network表1 水平鉆孔爆破試驗參數表Tab.1 Horizontal drilling blasting experiment parameters

炮孔名稱鉆孔參數雷管段別孔徑/mm孔深/cm孔距*/cm孔數裝藥參數藥卷直徑/mm裝藥長度/cm堵塞長度/cm單孔藥量/kg單響藥量/kgI圈掏槽孔0.5s1段4235012432270802.710.8II圈掏槽孔0.5s2段4235020432270802.710.8大空孔/76400/1/////合計921.6*:孔距為掏槽孔到大空孔的中心距離

1.2 爆破振動及空氣沖擊波超壓測試

在探洞中布置一條爆破振動測試線，如圖1所示。每個測點相對于爆源具有水平徑向、水平切向及垂直向三個方向，獲得了掏槽爆破的爆破振動的傳播與衰減規律。試驗中在圖1所示的3#～9#測點布置TC-4850爆破測振儀，其中5#及8#測點由于施工影響，沒有測得數據。另外，在圖1所示的1#、2#和10#測點位置，利用Minimate Pro4振動及過壓監測儀，監測爆破振動速度。

圖1所示的1#、2#和10#測點同時用作空氣沖擊波超壓的監測點，測試空氣沖擊波超壓的分布規律。

1.3 爆破試驗數據分析

現場測試得到了爆破振動及空氣沖擊波超壓測試數據。需要說明的是，實際試驗時由于現場條件限制，炮孔堵塞段僅使用了泡濕的紙片，測得空氣沖擊波超壓峰值嚴重超過設備的量程，但測試結果顯示了該隧洞中空氣沖擊波超壓峰值大、持續時間長的特點。

選取典型測點2#和3#振動波形圖，如圖3所示。并分析所有測點的振動波形可知，振動波形都可以分為三段。

(a) 2#測點質點振動速度時程曲線

(b) 3#測點質點振動速度時程曲線圖3 典型測點質點振動速度時程曲線(2#、3#測點)Fig.3 Recoded particle vibration velocity-time histories of typical measurement points (at 2# and 3#)表2 各測點空氣沖擊波超壓傳播速度Tab.2 The propagating velocity of air overpressure at all measurement points

測點編號爆心距/m首段爆破振動波起波時刻t1/ms起爆到起波間隔時間t0/ms第二段爆破振動波振動峰值/(cm·s-1)起波時刻t2/ms移動速度/(m·s-1)224.30.97.41.5753.0408.4338.4-0.511.71.6191.0372.1450-0.415.20.59121.0366.0678.9-1.324.01.12195.0363.1789.9-1.327.30.65228.0350.49116.1-1.035.30.58290.0355.810124.3-0.137.81.44312.0355.2

由試驗設計可知，起爆網路僅設計了兩段，而實際監測到了三段振動波形，考慮到起爆網路中采用的是半秒延期雷管，半秒延期雷管的誤差較大，分析認為振動波形中的第一段和第三段是爆破地震波產生的振動。

分析第二段振動波的特征發現，其具有振速較高、持續時間長和衰減較慢的特點。第二段振動波的特性與爆破地震波的振動特性相比，存在比較明顯的差異，根據朱傳云及Albert的研究成果，初步判斷認為，該段振動波的產生與空氣沖擊波超壓有密切的聯系。

2 豐寧試驗空氣超壓峰值及其誘發振動的理論分析

2.1 空氣沖擊波超壓誘發振動的移動速度

統計所有測點第一段和第二段振動的起波時刻見表2，可以發現，第二段振動在洞室軸線方向出現的時刻有一定規律。根據空氣沖擊波超壓的傳播特性，初步判斷第二段波形是由于首段爆破產生的空氣沖擊波超壓在小斷面洞室中傳播誘發的振動。爆破試驗的第二段爆破后也有空氣沖擊波，但第一段爆破產生的空腔及臨空面作用，大大降低了空氣沖擊波的強度。

根據地震波理論，圍巖中的地震波縱波波速vP，可由式(1)估算

(1)

式中：E為巖石彈性模量；ν為泊松比；ρ為巖石密度。試驗區巖體E =24GPa；泊松比為0.24；密度為2 610kg/m3。

由此先計算得首段波在巖體中傳播的縱波波速約為3 292m/s，結合已知爆心距和各時間求出第二段振動在隧洞軸線方向的移動速度，結果如表2所示(其中1#測點由于距爆源較近，第一段與第二段重疊，分不清第二段起波時間)?？梢园l現第二段振動波的移動速度略大于音速。眾所周知，爆破產生的高溫高壓氣體隨著巖塊沖出，爆破瞬間在爆源近區壓縮周圍空氣，使周圍空氣形成壓力很高的初始空氣沖擊波超壓，接著從爆心傳播出去，傳播速度略大于擾動空氣的聲速[15]，并且隨爆心距增加而衰減，根據空氣沖擊波超壓的傳播特性，初步判斷第二段波形是由于首段爆破產生的空氣沖擊波超壓在小斷面洞室中傳播誘發的振動。

2.2 隧洞中空氣沖擊波超壓的估算

實際監測中未獲得空氣沖擊波超壓峰值，為驗證上述分析結論，需要采用其他方法分析爆破試驗時各測點處的空氣超壓峰值。在井下和巷道爆破中，《爆破安全規程實施手冊》[16]中的空氣沖擊波超壓計算公式為

(2)

式中：ΔP為井下空氣沖擊波超壓，kPa；q為TNT炸藥重量，kg；試驗所用為乳化炸藥，乳化炸藥與TNT之間的當量系數取0.708，轉化為TNT炸藥q=7.65kg；my為炸藥能量轉換為沖擊波系數；R為距爆源距離，m；∑S為與藥包毗連的巷道總面積，m2；β 為巷道表面粗糙性系數；dn為巷道的直徑，m。

計算參數，如表3所示。利用上述空氣沖擊波超壓計算公式計算得豐寧試驗中2#測點超壓峰值為93.2kPa。

表3 井下空氣沖擊波超壓計算參數取值Tab.3 Underground air shock wave calculation parameter

結合上述公式，計算空氣沖擊波超壓沿隧洞方向傳播140 m的峰值衰減曲線，如圖4所示。由圖4可知，空氣沖擊波超壓峰值沿隧洞方向衰減較快。而且由式(2)也可知，隧洞斷面面積增大，空氣沖擊波超壓將迅速降低。

圖4 空氣沖擊波超壓沿隧洞方向傳播的峰值衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of peak air shock wave propagating along the tunnel

對于隧洞圍巖壁面的某一點，空氣沖擊波超壓為擾動荷載，在該點可產生兩次振動，首先出現的振動是空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產生的經隧洞圍巖傳播過來的振動波，其后出現的是空氣沖擊波超壓傳播到該點由空氣超壓直接引起的振動。應用一維應力波理論估算空氣超壓直接誘發的振動峰值?；谝痪S應力波理論，圍巖應力與振動速度具有如下規律：

σ=ρCv

(3)

式中：σ為圍巖應力；ρ為介質密度；C為縱波波速；v為質點振動速度。

彈性應力波從一種介質傳到另一種介質時，在界面上會發生反射和透射。由于空氣沖擊波波阻抗遠小于巖體波阻抗。所以透射應力擾動近似為入射應力擾動的2倍。

以2#測點處的相關參數為基礎進行分析，取式(2)計算得到空氣超壓峰值為93.2kPa，考慮空氣沖擊波在壁面發生的反射和透射，實際透射的應力擾動最大值約為186.4kPa。該處圍巖密度變化范圍2 250～2 650kg/m3，縱波波速2 500～5 000m/s。代入式(3)計算，隧洞圍巖壁面的質點振動速度峰值約為1.41～3.39cm/s。此范圍與實際監測到的振動數據基本一致，進一步說明實測的第二段振動波形，是由空氣沖擊波超壓作用于隧洞圍巖上所誘發的圍巖受迫振動。

同理，利用式(2)計算其他測點振動峰值范圍，并與實測值作比較，如圖5所示?？梢缘玫剑瑢崪y振速峰值基本處于經驗公式計算所得振速峰值范圍內，由于小斷面隧洞中空氣沖擊波超壓衰減相對較慢，才導致距離爆源較遠處空氣沖擊波超壓誘發的圍巖質點峰值振動速度略大于計算得到的振速峰值。

圖5 計算與實測振動峰值的對比Fig.5 Comparison of PPV between theoretical predicting and site monitoring at different measurement points

3 空氣沖擊波超壓誘發圍巖振動的數值模擬

3.1 數值分析模型與參數

采用數值模擬方法進一步分析空氣沖擊波超壓誘發圍巖振動的機理及其特性，比較超壓作用于測點直接誘發的振動和其經過圍巖傳播到更遠測點時衰減后的振動。應用Ansys-Lsdyna軟件，根據地質探洞尺寸及圍巖屬性，取距離開挖掌子面24.3～39.3m范圍內的圍巖，建立數值分析模型，模型大小為20m×20m×15m，圍巖四周和前后面均加無反射邊界，如圖6。探洞斷面為1.8m×2.1m的馬蹄形。在模型2# 測點直接加載，而在3#測點不加荷載，觀察2# 測點的誘發振動和其經過圍巖傳播到3# 測點時衰減后的振動。模擬中選取實測2# 測點垂直向0～300ms振動速度時程曲線作為速度荷載。作用在距離開挖掌子面24.3m的模擬2# 測點所在斷面節點上，速度荷載曲線，如圖7所示。

圖6 計算模型Fig.6 Numerical simulation model

圖7 模擬速度荷載曲線(2#測點垂直向前300 ms)Fig.7 Velocity-time histories of modeling (vertical, at 2#, 0-300 ms)

根據中國電建集團北京勘測設計研究院提供的試驗區圍巖物理力學指標建議值，數值模擬采用的巖體物理力學參數，如表4所示。

表4 巖體物理力學參數Tab. 4 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.2 數值模擬結果分析

依次沿洞軸線方向距離開挖面24.3 m、38.4 m(3#測點)處取洞底表面中間節點的振動速度時程曲線，如圖8所示。

(a)2#測點處節點振動速度時程圖

(b) 3#測點處節點振動速度時程圖 圖8 典型點處節點振動速度時程圖Fig.8 Simulated particle vibration velocity-time histories of the typical points

對比圖8(a)～圖8(b)，可見荷載施加處即2#測點處垂直向壁面質點振動峰值為1.650 cm/s，與該點現場試驗實測的振動峰值基本一致，并且與一維應力波理論分析的結果相當。此振動沿巖石傳播到3#測點處時質點振動峰值只有0.020 cm/s，對比地震波造成的振動，可以得到空氣沖擊波超壓直接作用點造成的振動峰值與地震波造成的振動峰值接近甚至更大，而且空氣沖擊波超壓誘發的圍巖振動沿洞壁方向傳播過程中衰減很快。但是，實際空氣沖擊波超壓在隧洞空氣中傳播時，由于洞壁反射作用，空氣沖擊波超壓的衰減較慢，導致空氣沖擊波超壓誘發的圍巖振動持續時間很長。可見，現場試驗中監測得到的第二段振動波形主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的壁面振動。

4 結 論

根據以上分析，可得以下結論：

(1) 小斷面隧洞中，爆破開挖容易產生較大的空氣沖擊波超壓，空氣沖擊波超壓作用于隧洞圍巖壁面，將誘發圍巖振動，這種振動峰值出現的時間受空氣沖擊波超壓的傳播速度控制。實際監測中，監測點獲取的空氣沖擊波超壓誘發的振動波形的出現時間，隨著爆心距的增大而不斷推遲。

(2) 空氣沖擊波超壓誘發的圍巖振動，具有振動振速較高、持續時間長和衰減較慢的特點。

(3) 空氣沖擊波超壓誘發的圍巖振動，可分為空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產生的經隧洞圍巖傳播過來的振動，和空氣沖擊波超壓傳播到圍巖壁面直接引起的振動。經圍巖傳播的振動衰減很快，實測的振動主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的圍巖振動。

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Studies on the vibration of tunnel surrounding rock induced by air overpressure

CHEN Ming1,2, HE Wenxue1,2, LU Wenbo1,2, WANG Gaohui1,2, GUO Tianyang1,2, LENG Zhendong1,2

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

On the basis of monitoring in the blasting test of Feng-ning Pumped Storage Power Station, the air overpressure induced vibration of surrounding rock during tunnel blasting excavation was studied through theoretical analysis and numerical simulation. Air overpressure generated during blasting excavation in a narrow-bore tunnel was large enough to cause the vibration of surrounding rock, which was characterized by high peak particle vibration velocity (PPV), long duration, and slow attenuation. The arrival time of air overpressure induced vibration was determined by the propagating velocity of air shock wave. There were two kinds of air overpressure induced vibration at a certain point, the first was the arrival of the air overpressure induced vibration acting on the surrounding rock of front tunnel, the later was caused by the air overpressure direct acting on the measurement point. The numerical study reveals that vibration attenuates very quickly when propagating in rock, so the vibration waveform recorded in site experiment is mainly air overpressure induced vibration by directly acting on the tunnel surrounding rock.

drill and blast; tunnel; vibration velocity; air overpressure

國家自然科學基金面上項目(51279146；51479147)；新世紀優秀人才支持計劃資助(NCET-2012-0425)

2015-11-13 修改稿收到日期： 2016-04-25

陳明 男，博士，教授，1977年生

E-mail: whuchm@whu.edu.cn

TD 235.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.003