小凈距隧道爆破施工振速規律探究

胡利平

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著高速公路的發展，雙洞隧道在選擇線路時受到地質條件限制，致使兩相鄰隧道無法保證最小凈距的要求，因此小凈距隧道應運而生。由于圍巖的性質一般不均一，故在隧道施工中很難選用隧道全斷面掘進機TBM（Tunnel boring machine）或者盾構法，而較多采用鉆爆法施工。在隧道爆破開挖的過程中，爆破產生的地震波對相鄰隧道施工相互影響的問題越來越嚴重，當振動波速度幅值較大時可能對小凈距隧道先行洞圍巖造成一定破壞，影響隧道的安全施工。因此對小凈距隧道爆破施工過程中，隧洞不同位置爆破振動速度規律的探究是隧道施工中一個重要研究課題。

截至目前，已有許多學者對隧道爆破進行了研究。王明年［1］等應用現場監測和數值分析兩種方法對開挖爆破產生的地震波對既有隧道襯砌結構的安全和穩定進行了分析研究。趙東平［2］等以小凈距交叉隧道為例，發現當新建隧道在距離隧道交叉點10 m以外位置以全斷面法爆破施工時，下方既有公路隧道僅受到較小的影響；當其在距離交叉點10 m以內位置以全斷面法爆破施工時，既有公路隧道二次襯砌振動速度超標，而采用臺階法爆破施工時，新建隧道可安全通過。龔建伍［3］等以福州國際機場高速公路鶴上三車道小凈距隧道為依托工程，通過監測巖柱振動速度大小，研究爆破振動速度分布規律。申玉生［4］等結合襄胡二線新劉家溝隧道實際工程，通過對既有花果山隧道的四次爆破振動測試分析及一次爆破驗證，說明爆破振動的參數設計是合理的，質點的振動速度能夠客觀反映現場的地質狀況和衰減規律，新建隧道施工爆破對爆心距最小的左邊墻影響最大。蔚立元［5］等通過數值模擬得出爆破施工對海底隧道巖石覆蓋層的影響范圍在15 m之內的結論；施工洞和服務洞的圍巖振動影響較大，且爆破工作面前方的爆破振動強度大于后方，在其影響范圍內應注意加強監控量測并推遲二次襯砌的施作。羅憶［6］對爆破地震波作用下巖體中波的傳播問題和邊坡動力響應問題的不同破壞機理加以區分，在爆破振動安全判據中對振動頻率和持續時間的影響加以考慮。田志敏［7］等采用三維有限元計算方法，分析了炸藥裝藥形狀、炸藥引爆位置對爆炸荷載分布的影響；研究了作用于隧道襯砌上的反射沖擊波荷載峰值分布規律，給出了襯砌上反射超壓峰值的估計公式。朱正國［8］等以南京地鐵超小凈距隧道為工程背景，結合國內外現有的研究成果和規范，研究確保小凈距先行隧道安全穩定的后行隧道爆破施工控制技術。通過三維數值模擬計算，得到先行隧道壁面的質點振動速度隨時間的變化規律，所得最大振速符合規范要求，也再次驗證了優化后的爆破設計是合理的。張云良［9］等以湖南省某隧道為工程依托，建立小凈距隧道后行洞爆破施工的數值模型，得出先行洞襯砌迎爆側振速較大，支護結構的主應力和振速極值均位于先行洞迎爆側墻腰處；支護結構內外側的應力值相差不大。賈磊［10］等建立了爆破施工對既有襯砌振動影響的數值模型，得出在既有隧道迎爆側的拱腳和墻腰部位，襯砌受到爆破施工影響最顯著；新建隧道爆破施工時，開挖的進尺越大，既有襯砌的振速就越高；既有襯砌受隧道間的距離影響顯著，隧道間距越大，既有襯砌的振動速度受影響越小。魯衛華［11］等結合小凈距公路隧道后行洞開挖過程中的爆破監測情況，對質點垂直和水平振動速度進行回歸分析，推導出了爆破振動傳播衰減規律，進而得到控制隧道爆破開挖的單段最大藥量。王照剛［12］等針對爆破應力波產生的巷道圍巖振動破壞問題，基于彈性波理論，建立了彈性空間體中質點振動模型。計算并分析了爆破應力波作用下的巷道圍巖質點位移及振動速度波形特征，研究了單次最大起爆藥量和巖體彈性模量對巖體質點位移和振動速度波形的影響。

本文借鑒前人研究的小凈距隧道爆破施工對近距隧道影響經驗，對在爆破作用下的先行洞圍巖爆破振動速度進行探究，研究結果可為以后小凈距隧道爆破的設計與施工提供經驗。

2 依托工程概況

蒙古道隧道是扎倒公路扎麻隆至倒淌河標段重點控制工程。隧道為雙線分離式，其中左隧道全長630 m，右隧道全長565 m，隧道位于曲線上。隧道內行車道最大寬度為14 m，拱頂最大高度8.1 m，最大埋深約142 m（見圖1）。隧道圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主。為了保證隧道小凈距段的施工安全，在蒙古道隧道出口段后行洞掘進爆破時實施了現場振動監測。后行洞采用上下臺階法開挖，其中上臺階為楔形掏槽孔掘進爆破，下臺階為水平拉槽爆破。根據以往研究成果，上臺階掘進爆破產生的振動強度較大，所以監測的主要對象為上臺階爆破。為了降低爆破振速決定采用微差爆破，微差爆破上臺階炮孔平面布置如圖2所示。圖中 1、5、7、9、10、11雷管段別為0ms、110 ms、220 ms、310 ms、380ms、460ms。開挖鉆爆參數見表1。

圖1 小凈距隧道出口段示意（單位：m）

圖2 上臺階炮孔平面布置

表1 Ⅳ級圍巖段上臺階開挖鉆爆參數

3 數值模擬

此次爆破影響分析選用Midas/GTSNX模擬軟件，根據現場小凈距隧道位置關系建立計算模型，本構模型為Mohr-Coulomb模型。隧道左洞和右洞間中夾巖厚度為38.5 m，模型的長、寬、高分別為174 m、144 m、70 m，模型計算參數見表2。采用黏性阻尼邊界條件模擬地形概貌。

表2 爆破振動模擬參數

本次模擬假定爆破荷載作用在隧道上臺階開挖輪廓線上，作用方向垂直于輪廓線。采用彈性邊界分析其特征值，采用黏性邊界進行時程分析。

建立隧道爆破開挖斷面K50＋586的數值模型，計算蒙古道隧道出口K50＋580～K50＋650段在爆破振動波作用下的振速變化規律。爆破點位于左洞掌子面處。隧道爆破施工在小凈距隧道左洞，觀測隧道右洞各質點的振速情況。

圖3為蒙古道隧道右洞噴混結構X方向最大振速圖。在隧道Ⅳ級圍巖段和Ⅴ級圍巖段均出現極大值，且極大值的大小相差不大，Ⅳ級圍巖段爆破振動極大值為4.92 cm/s，Ⅴ級圍巖段爆破振動極大值為4.91 cm/s。Ⅳ級圍巖段和Ⅴ級圍巖段爆破振動極大值均出現在隧道迎爆側拱腰位置，在此處圍巖受爆破振動影響最為嚴重；對于隧道背爆側噴混結構而言，爆破振動對其影響較小，振速基本在1 cm/s以下；隧道拱頂處爆破振動速度介于迎爆側和背爆側之間。在爆破振動振速監測中以迎爆側監測為主。

圖3 噴混結構X方向最大振速

隧道右洞噴混結構振速圖中出現兩個極大值點，出現這種情況的原因為爆破振動波衰減在Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖中不同，根據薩道夫斯基公式：

式中，V為質點振動速度；K為與介質和爆破條件因素有關的系數；Q為一次齊發總藥量；R為爆源至保護建筑的距離；α為振動衰減系數。

在薩氏公式中K、α的選取與隧道圍巖堅硬程度有關，具體可按表3進行選取。從表中數據可以發現，巖石越軟K、α值越大，因此質點振動速度V值也就相對越大，才會出現兩個極值點的情況。

表3 爆區不同巖性K、α

為了更清晰地了解爆破振速在隧道圍巖中的衰減過程，提取右洞鄰近截面的最大振速圖（見圖4）。從圖中可以發現在Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段間有明顯的分界面，不同的衰減速度導致了右洞噴混結構和左洞噴混結構振速最大值相差不大。

圖4 爆破振速變化示意

圖5為蒙古道隧道噴混結構Z方向最大振速圖。隧道Ⅴ級圍巖段拱肩部位出現極大值點，極大值為4.41 cm/s，Ⅳ級圍巖段爆破振動極大值為4.02 cm/s，相比于Ⅴ級圍巖段極值略小。計算分析同樣表明，爆破振動速度極大值在X、Y、Z方向的分布不同，但最大值處仍集中在隧道爆源近區，爆源遠區的爆破振動值相對較小。因此應重點關注爆源近區振速大小，確保隧道施工的安全進行。

圖5 噴混結構Z方向最大振速

對于隧道迎爆側拱腰位置質點合速度和X、Y、Z方向振動速度，X方向質點振動速度要明顯大于Y、Z方向質點振動速度，合速度的大小主要由X方向振動速度決定。在質點振動曲線中出現7個極值點對應相應微差爆破時間，7個極值點分離明顯，可以忽略不計。

考慮爆破振動對既有隧道迎爆側影響較大，數值計算中重點分析迎爆側拱頂、拱肩、拱腰和拱腳位置的振動速度規律。選取典型位置點，通過數值計算得到的各個測點振動峰值速度見圖6。

圖6 測點振動峰值曲線

由圖6可知，從拱頂到拱腳位置，徑向振速（迎爆側X方向）呈現先增大后減小的趨勢，最大振速出現在拱腰位置（4.17 cm/s），拱肩處次之（3.64 cm/s），拱頂處最小（1.90 cm/s）；Y方向振速呈現先增大后減小的趨勢，最大振速出現在拱肩位置（3.92 cm/s），拱腰次之（3.47 cm/s），拱腳處最小（3.14 cm/s）；Z方向各處振速基本相同且小于X、Y方向振速。隧道拱腰和拱肩處的振動速度明顯大于其他位置，是最危險處，此處振動過大會導致噴混結構出現裂紋，進而可能影響隧道右洞施工。因此，時刻關注振動監測數據（尤其是迎爆側）對隧道左洞的安全施工具有重要意義。

4 現場監測

4.1 監測方案

為了研究后行洞上臺階掘進爆破引起的振動效應，在先行洞迎爆側的邊墻上沿隧道軸線方向布置了6個監測點，測點間距D為10 m，測點的起點位置為先行洞隧道出口10 m處。每個測點布置TC-4850爆破測振儀傳感器，傳感器布置見圖7。圖中 P1、P2、P3、P4、P5、P6為振動測點，陰影部分為未開挖圍巖段。每個振動監測點設垂直、水平、徑向振動速度傳感器。

圖7 振動監測點在隧道平面布置示意（單位：m）

4.2 監測結果及分析

從表4的監測結果可以看出，采用微差爆破減震方式可以較好地實現爆破振動的控制，其中徑向速度最大值為5.28 cm/s，低于振速控制標準值12 cm/s，切向和垂向振速均小于徑向振速。爆破最大振速對應的頻率主要集中在30.07～54.74 Hz之間。徑向振速在P3和P6測點處要大于其他測點振速，驗證了數值計算中的振速規律。

表4 爆破振動數據統計

為了更好地觀察爆破振動信號的時頻特征，采用MATLAB軟件中Hilbert-Huang變換分析爆破振動信號的瞬時頻率和瞬時能量特征。

圖8為Ⅳ級圍巖段后行洞爆破施工采用7段微差爆破時，先行洞迎爆側拱腰部位某振動點信號波形圖。可以看出，測點最大爆破振速發生在檢測信號的100～200ms之間，并未出現在掏槽爆破階段。掏槽爆破并沒有使巖石的夾制作用降低多少，直至到100～200ms間爆破作用的拋擲效應才顯現。對典型爆破振動信號進行分解，分析信號的EMD分解模態函數（IMF），發現其本征模態函數（IMF）幅值在原始爆破振動信號中集中在前三個本征模態函數（IMF 1、IMF 2、IMF 3），其余本征模態函數振幅值明顯較小且頻率小于2 Hz，判定為干擾信號。因此選取前三個本征模態函數作為Hilbert變換到爆破振動信號Hilbert譜。從爆破振動信號Hilbert譜可見，爆破振動頻率主要集中在30～60 Hz之間，信號的振幅較大區域集中在0.1～0.2 s之間。為了更加清楚地觀察爆破振動信號對隧道結構的作用情況，現對信號的Hilbert譜頻率積分可得振動信號的瞬時能量譜（見圖9）。

圖8 爆破振動徑向速度時程曲線

圖9 爆破振動信號瞬時能量譜

瞬時能量譜中包含3個本征模態函數（IMF），第一個本征模態函數的瞬時能量譜要明顯大于其他兩個，表明第一個本征模態函數所攜帶的能量要明顯大于其他兩個。在瞬時能量譜中極大值點表示一次瞬時能量的作用，可以發現7個極值點代表了微差爆破的7段。瞬時能量在前三段連接較為緊密，微差爆破間隔時間較短，后四段分離明顯，微差爆破間隔時間較長。

5 結論

通過現場監測和數值模擬對小凈距隧道后行洞爆破施工時先行洞振動速度規律進行探究，結果表明：

（1）隧道爆破切向和垂向振速均小于徑向振速。爆破最大振速對應的頻率主要集中在30.07～54.74 Hz之間。

（2）Hilbert-Huang變換分析爆破振動信號的瞬時頻率和瞬時能量特征能夠更加全面地觀察微差爆破的效果。

（3）小凈距隧道先行洞迎爆側振速值要明顯大于背爆側振速值；小凈距隧道先行洞迎爆側拱腰部位和先行洞迎爆側洞口方向均出現爆破振速極大值，爆破振速衰減速度與隧道圍巖的特性有顯著關系。