爆破荷載作用下新建與既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究

王秀麗

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西西安710600）

隨著我國新的公路、鐵路不斷新建和既有路網(wǎng)擴(kuò)能改造，不可避免會(huì)發(fā)生新建交通隧道并行、下穿既有公路、鐵路等工程實(shí)際現(xiàn)狀［1-3］。目前我國修建的大多數(shù)交通隧道工程仍以鉆爆法為主［4］。新建隧道接近已有交通工程，爆破施工會(huì)帶來相應(yīng)的安全問題［5-6］。國內(nèi)外學(xué)者在新建、改建隧道復(fù)雜交叉既有交通線引起的動(dòng)力響應(yīng)方面進(jìn)行了大量的研究工作。李利平［7］通過小間距隧道爆破對既有隧道的影響，研究了小間距段施工爆破的振動(dòng)監(jiān)測方法、爆破動(dòng)力特性及其減振控制技術(shù)。賈磊［8］通過設(shè)置不同開挖進(jìn)尺、不同間距以及不同埋深研究了新建隧道爆破對既有鄰近隧道的影響。學(xué)者研究的大多為新建隧道爆破對既有隧道的影響［9-12］。鮮有學(xué)者系統(tǒng)地研究爆破同時(shí)對既有和新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)影響。本研究采用LS-DYNA給出更加準(zhǔn)確的模擬方法，對不同爆破荷載作用下既有和新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，深入系統(tǒng)分析爆破后新隧道和既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)安全，為以后類似工程提供一定參考和借鑒。

1 工程概況

擬建隧道近南北走向穿越某山脈，該山脈山高谷深，地形起伏較大，溝谷一般為狹窄的“V”型谷。隧道設(shè)計(jì)線路最高點(diǎn)在ZK2+100處，海拔高程達(dá)到4 140 m；最低點(diǎn)位于隧道南洞門，海拔約3 580 m。花崗閃長巖為洞室主要圍巖，多呈肉紅—灰白色，中細(xì)—粗粒或不等粒似斑狀或粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。圍巖為較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石多呈塊狀。

根據(jù)隧道縱斷面圖及圍巖類別統(tǒng)計(jì)評價(jià)匯總內(nèi)容可看出全線該隧道圍巖以Ⅲ級和Ⅴ級為主，隧道左線（新建）各級圍巖長度分別為Ⅲ級1 978 m，Ⅴ級106 m。

原設(shè)計(jì)中即已考慮到兼顧遠(yuǎn)期二線隧道的建設(shè)條件，新舊隧道走向幾乎并行，最小凈距不足26 m。新建隧道采用鉆爆掘進(jìn)，不僅現(xiàn)有隧道的穩(wěn)定性、正常運(yùn)行會(huì)受到不同程度影響，也會(huì)耽誤新建隧道的進(jìn)度。因此修建過程中應(yīng)盡量減少爆破沖擊波對老隧道的危害。

2 參數(shù)與模型建立

2.1 參數(shù)的確定

在本次計(jì)算中仍采用材料的靜力指標(biāo)，圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1，既有隧道二次襯砌采用C30混凝土，參數(shù)見表2。

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考慮花崗巖與炸藥的匹配系數(shù)，以及炸藥性能、價(jià)格以及其他限制條件，新建隧道爆破施工采用2號(hào)巖石乳化炸藥，其中初始爆速為4 000 m/s；炸藥初始密度ρ=1 000 kg/m3。本研究在數(shù)值模擬中炸藥本構(gòu)采用高能炸藥材料模型［13］，2號(hào)巖石乳化炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)見表3。

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2.2 模型的建立

由圣維南原理可知，當(dāng)有限元模型邊界大于3倍開挖洞徑時(shí)可以不考慮邊界效應(yīng)帶來的影響。因此，有限元模型水平寬度取160 m，模型高度分別取80 m，模型縱向長度取100 m，新舊隧道之間凈距取最不利情況25 m。模擬時(shí)采用g、cm、us單位制。模型中的X軸為與隧道軸向垂直的水平方向，Y軸為垂直方向，Z軸為隧道軸線方向，有限元模型見圖1。

3 既有隧道二次襯砌動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

3.1 既有隧道二襯振速云圖

研究新建隧道爆破施工引起既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)，需要對不同時(shí)刻既有隧道二次襯砌上的振速分布規(guī)律進(jìn)行討論。選取依托工程III級圍巖爆破開挖時(shí)某一時(shí)刻既有隧道二次襯砌的綜合振速云圖進(jìn)行分析，見圖2。

在爆破荷載作用下，既有隧道二次襯砌上質(zhì)點(diǎn)離新建隧道開挖掌子面越近越先開始振動(dòng)，振動(dòng)效應(yīng)也越大，產(chǎn)生既有隧道振速峰值的位置必定在迎爆一側(cè)邊墻上。

爆破荷載作用下既有隧道3個(gè)方向產(chǎn)生振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)綜合振速充分考慮了質(zhì)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)影響，能夠直接反映新建隧道爆破對既有隧道的影響作用，同時(shí)質(zhì)點(diǎn)的位移也能在一定程度上反應(yīng)爆破振動(dòng)效應(yīng)的大小，可以作為評價(jià)爆破振動(dòng)大小的參考指標(biāo)。為了更好了解爆破荷載作用下既有隧道二次襯砌沿不同方向的振動(dòng)特征，選取振速峰值時(shí)間段某一時(shí)刻X、Y、Z方向上的振速云圖進(jìn)行分析，見圖3。

既有隧道在爆破荷載作用下，二次襯砌上質(zhì)點(diǎn)離爆破開挖掌子面越近，越先發(fā)生不同方向上的振動(dòng)且3個(gè)方向上的振速峰值越大。此外，X方向上的振速峰值與3矢量合成方向上的振速峰值比較接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外2個(gè)方向上的振動(dòng)速度。

不同圍巖地段爆破施工引起既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律可能有所差異，有必要對V級圍巖爆破施工時(shí)某一時(shí)刻既有隧道二次襯砌的振速云圖進(jìn)行分析，見圖4；振速峰值時(shí)間段某一時(shí)刻X、Y、Z方向上的振速云圖，見圖5。

III級圍巖和V級圍巖爆破施工時(shí)的振速峰值雖然因?yàn)檠b藥量不同等原因有所差異，但既有隧道二次襯砌的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律十分相似，經(jīng)過一定時(shí)間爆破沖擊波最先傳到既有隧道二次襯砌上迎爆側(cè)邊墻上，沿著X、Y、Z方向二次襯砌結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)依次發(fā)生振動(dòng)并達(dá)到各自的振速峰值。分析既有隧道二次襯砌不同時(shí)刻的振速云圖和最大振速點(diǎn)的振速時(shí)程曲線可以得到：

（1）既有隧道上不同位置發(fā)生振動(dòng)所需的時(shí)間與起爆點(diǎn)的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)開始振動(dòng)的時(shí)間越晚。

（2）既有隧道二次襯砌上的振速峰值發(fā)生在離爆源較近一側(cè)拱墻上，二次襯砌上不同位置距爆源越遠(yuǎn)，振速峰值越小，這是因?yàn)楸木嘣酱竽芰克p越大，引起的振動(dòng)速度就越小，破壞效應(yīng)就越弱。

（3）同一時(shí)刻，二次襯砌結(jié)構(gòu)上同一質(zhì)點(diǎn)X、Y、Z3個(gè)振動(dòng)方向中沿X方向振動(dòng)速度較大，衰減較快。

3.2 既有隧道二襯位移云圖

位移也能在一定程度上反應(yīng)爆破振動(dòng)效應(yīng)的大小，可以作為評價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱的參考指標(biāo)。選取III級圍巖和V級圍巖爆破時(shí)既有隧道二次襯砌取得振速峰值時(shí)間段某一時(shí)刻的綜合位移云圖進(jìn)行分析，分別見圖6和圖7。

由III級和V級圍巖爆破開挖時(shí)既有隧道二次襯砌不同時(shí)刻的綜合位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，雖然裝藥量和圍巖級別有所差異，但是既有隧道二次襯砌的位移響應(yīng)規(guī)律非常相似，位移時(shí)程變化與振速時(shí)程變化規(guī)律也比較一致。經(jīng)過一定時(shí)間后既有隧道二次襯砌上迎爆一側(cè)先發(fā)生振動(dòng)且位移變化較大，二次襯砌上沿水平方向、隧道軸向、豎直方向上質(zhì)點(diǎn)依次發(fā)生振動(dòng)，并達(dá)到各自的位移峰值。

3.3 不同凈距和裝藥量時(shí)既有隧道最大振速曲線

既有隧道在爆破荷載作用的振動(dòng)強(qiáng)弱除了受到裝藥量的影響，新舊隧道之間的凈距也是非常重要的影響因素。以III級圍巖為例，本研究將進(jìn)一步借助數(shù)值模擬得到不同裝藥量和不同凈距時(shí)既有隧道的最大振速，通過數(shù)值模擬得到不同工況下既有隧道二次襯砌上的最大振速時(shí)程變化規(guī)律。當(dāng)掏槽眼藥量分別取15 kg、10 kg時(shí)，探究不同凈距時(shí)的最大綜合振速時(shí)程曲線，以凈距15 m為例進(jìn)行說明，分別見圖8和圖9。

將裝藥量15 kg和10 kg下不同凈距的最大時(shí)程曲線進(jìn)行對比分析，得到掏槽眼不同裝藥量時(shí)不同凈距既有隧道二次襯砌振速峰值圖，見圖10。

由圖10可知，凈距一定時(shí)，裝藥量越大，振速峰值也越大；振速峰值隨凈距減小而增大，增長速率也越來越大。當(dāng)裝藥量取10 kg時(shí)，凈距10 m時(shí)的振速峰值達(dá)到10.38 cm/s，較凈距為15m的振速峰值5.5 cm/s增長近88.5%；當(dāng)裝藥量取15 kg時(shí)，凈距為10 m時(shí)的振速峰值達(dá)到13.46 cm/s，較凈距為15 m的振速峰值6.8 cm/s增長近1倍。可以看出，新建隧道爆破荷載作用下既有隧道二次襯砌上的最大振速受間距影響十分明顯。

4 新建隧道初期支護(hù)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

4.1 噴射混凝土的安全允許振速

初期支護(hù)是目前隧道施工過程中比較普遍和常規(guī)的一種支護(hù)手段，不僅能在施工期間維護(hù)隧道的穩(wěn)定，控制圍巖自承能力的降低，還能夠與二次襯砌一起發(fā)揮永久支護(hù)的作用［14］。初期支護(hù)一般包括噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿、格柵和鋼拱架等多種形式，且由其中一種或幾種組成［15］。花崗閃長巖等硬質(zhì)巖單位體積巖石炸藥消耗量比較大，爆破引起初期支護(hù)的振動(dòng)效應(yīng)不可忽視。各行業(yè)對現(xiàn)澆混凝土的最大允許振速有所不同，但都將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為爆破安全的評價(jià)指標(biāo)，因此爆破作用下初期支護(hù)上的最大振速對于研究初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律具有十分重要的意義。

4.2 新建隧道初期支護(hù)綜合振速及綜合位移

新建隧道采用鉆爆法施工，沖擊波作用下初期支護(hù)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律隨時(shí)間變化非常明顯，以III級圍巖進(jìn)尺2.5 m為例，對不同時(shí)刻初期支護(hù)的綜合振速云圖和綜合位移云圖進(jìn)行分析，取某一時(shí)刻云圖，分別見圖11和圖12。

炸藥起爆后爆破應(yīng)力地震波最先引起掌子面附近初期支護(hù)發(fā)生振動(dòng)，沿著隧道軸線往洞口方向傳播，引起傳播方向上質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度與離掌子面的距離呈現(xiàn)反比趨勢。

4.3 新建隧道初期支護(hù)振速時(shí)程曲線

為了更好地掌握爆破對新建隧道初期支護(hù)的影響，需要進(jìn)一步了解初期支護(hù)的動(dòng)力響應(yīng)特性。選取新建隧道離掌子面不同距離斷面上不同位置作為分析點(diǎn)，以距離9 m時(shí)為例進(jìn)行說明，其綜合振速時(shí)程曲線見圖13。

得到橫斷面不同位置處初期支護(hù)最大綜合振速隨距掌子面距離的變化曲線，見圖14。

分析圖13和圖14，隧道襯砌的不同部位對爆破的敏感程度不同。離掌子面越近，受爆破振動(dòng)影響較大，質(zhì)點(diǎn)在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到振速峰值后迅速衰減；隨著爆心距增大，同一斷面上不同位置振速減小幅度不同，拱頂處最明顯。隧道拱頂處的圍巖對于隧道洞頂?shù)恼駝?dòng)約束力也較小，這就導(dǎo)致隧道襯砌洞頂?shù)恼駝?dòng)比較大，距離掌子面較近的同一斷面上，拱頂振動(dòng)速度最大，然后是兩側(cè)拱腳處，最后是兩側(cè)拱腰。當(dāng)距離掌子面一定距離后，拱腳處振速峰值超過拱頂位置，不同位置振速大小依次是拱腳＞拱頂＞拱腰。初期支護(hù)上質(zhì)點(diǎn)X、Y、Z 3個(gè)振動(dòng)方向中沿Z方向即隧道中心線方向振動(dòng)較大，衰減較快。

5 結(jié)論

（1）不同圍巖二次襯砌的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律十分相似，經(jīng)過一定時(shí)間爆破沖擊波最先傳到既有隧道二次襯砌上迎爆側(cè)邊墻上，沿著X、Y、Z方向二次襯砌結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)依次發(fā)生振動(dòng)并達(dá)到各自的振速峰值，二襯上振速峰值發(fā)生在迎爆側(cè)拱墻上，二次襯砌上不同位置距爆源越遠(yuǎn)，振速峰值越小，發(fā)生振動(dòng)的時(shí)間越晚；二次襯砌結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)沿X方向振速峰值最大，衰減較快。

（2）新建隧道爆破施工，既有隧道二次襯砌上的振動(dòng)效應(yīng)大小受裝藥量和凈距影響，裝藥量越大，既有隧道二次襯砌上的振速峰值越大；凈距越小，振速峰值越大，且隨著凈距的減小，振動(dòng)越來越強(qiáng)。

（3）炸藥起爆后，初期支護(hù)上不同位置在爆破沖擊波的作用下，沿著掌子面往洞口方向依次發(fā)生振動(dòng)，離掌子面越遠(yuǎn)，發(fā)生振動(dòng)的時(shí)間越晚，最大振速峰值越小；同一斷面上，拱頂和拱腳位置振速較大，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測；初期支護(hù)上不同位置X、Y、Z 3個(gè)不同方向上Z軸即隧道走向振速較大，衰減較快。