海底新建隧道爆破對既有隧道的振動影響研究

吳欽鑫1，王海亮1，胡紅星，張富強

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590； 2.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000)

隨著城市現代化進程的加快和交通隧道技術的快速發展，海底隧道的數量不斷增加，繼而出現了在既有海底隧道旁修建新隧道的情形[1-3]。當新建隧道采用鉆爆法施工時，爆破施工產生的振動可能會損壞既有隧道的圍巖和襯砌結構，影響既有隧道的安全與穩定[4-6]。近年來，國內外學者采用數值模擬與現場監測的方法對相鄰隧道爆破振動的影響范圍、施工方案優化、爆破振動響應特征以及不同條件下爆破振動衰減特征等進行了一系列研究，取得了一些成果。杜峰等[7]采用數值模擬方法研究了小凈距隧道施工的相互影響問題，得出當最大單段藥量為30 kg時，后行隧道爆破施工可能造成先行隧道襯砌破壞的范圍為對應掌子面前后10 m左右。姚勇等[8]利用ANSYS軟件建立了不同施工方案下的數值模型，發現與全斷面法相比，上下臺階施工更有利于降低爆破振動。叢樹翠等[9]在主隧道掌子面前后布置測點，分析各向振速在掌子面前后的衰減規律，研究表明振速峰值出現在掌子面后方，且已開挖區振速大于未開挖區。周清[10]利用FLAC3D軟件研究了不同圍巖、間距及埋深情況下爆破振動在先行隧道橫斷面上的分布規律，得出隧道埋深越大，爆破振動越小的結論。綜上所述，多數學者的研究集中在陸域小間距、小凈距隧道上，對海底相鄰隧道爆破振動的影響規律缺乏系統研究。

采用數值模擬方法研究海底新建隧道爆破作用下既有隧道的振動響應特征，擬對現場爆破施工、類似工程建設以及爆破振動在海底條件下傳播特性的研究提供一定的參考價值。

1 工程概況

膠州灣海底公路隧道(以下簡稱“既有隧道”)是我國第二條海底隧道，于2011年建成并投入使用。隧道全長7 800 m，分為陸域段和海域段，其中海域段長度為3 950 m。隧道為左右線分離設置，中間設置服務隧道，左右線主隧道間距為55 m，服務隧道與主隧道的凈距為16 m。既有隧道海域段最大海水深度約為42 m，拱頂巖石覆蓋層厚度25～39 m。隧道圍巖以火山巖和次火山巖為主，其中Ⅱ～Ⅲ級圍巖約占52.7%，Ⅳ級圍巖約占38.6%，Ⅴ級圍巖約占8.7%。

青島地鐵1號線海底隧道(以下簡稱“新建隧道”)是我國第一條海底地鐵隧道，計劃2020年底通車。隧道全長4 765 m，其中海域段長度為1 521 m。新建隧道與既有隧道左線的最小間距為150 m，兩隧道底板在豎直方向上存在3.5 m的高差，其斷面尺寸及位置關系如圖1所示。新建隧道圍巖情況與既有隧道相似，主要為微風化火山巖與變質巖，單軸抗壓強度40～150 MPa。

圖1 既有隧道與新建隧道的斷面尺寸及位置關系

2 爆破參數

新建隧道采用鉆爆法上下臺階分步開挖。本工程中，上臺階單段起爆藥量大，臨空面條件差，產生的振動遠遠大于下臺階，故只針對上臺階爆破進行研究。爆破采用多級楔形掏槽與毫秒延期起爆網路，使用第一系列毫秒導爆管雷管與2號巖石乳化炸藥。上臺階最大單段起爆藥量為40 kg，位于一級掏槽孔位置，對應雷管段別為1段，上臺階炮孔布置如圖2所示。

圖2 新建隧道上臺階炮孔布置

3 數值模型的建立

圖3 模型中新建隧道與既有隧道的尺寸及位置關系

3.1 模型簡介

由于爆破開挖斷面的形狀對爆破振動的影響很小[11]，將新建隧道和既有隧道的斷面分別簡化為圓形和半圓形斷面，直徑均為10 m。忽略新建隧道與既有隧道的微小坡度與高差，將兩隧道平行布置于同一水平面上，隧道長度均為500 m，間距為150 m，并將新建隧道掌子面設置在距洞口250 m處，兩隧道尺寸及位置關系如圖3所示。一般情況下，裝有最大藥量的掏槽孔爆破引起的振動最大[12]，因此只針對現場掏槽爆破進行模擬，將分散裝藥簡化成單孔集中裝藥，并使模擬藥量與現場一級掏槽孔的裝藥量保持一致。模型中炮孔直徑為16 cm，裝藥長度為2 m，堵塞長度為1 m，起爆藥量為40 kg，采用正向起爆方式。

圖4 模型邊界條件施加情況

3.2 模型尺寸及邊界條件

模型尺寸長500 m，寬360 m，高130 m。隧道底板距模型下邊界的距離為40 m，隧道拱頂距模型上邊界的距離為80 m，其中海水深度為40 m。由于建立的模型尺寸是有限的，為較好地模擬工程實際中的無限環境，在除模型上表面(海平面)外的其他5個界面均施加無反射邊界條件[13]，模型邊界條件施加情況如圖4。

3.3 材料參數

模型共分為3個PART：PART1為炸藥，PART2為巖石，PART3為海水，單元類型均為SOLID164實體單元?，F場使用的炸藥為2號巖石乳化炸藥，采用LS-DYNA內嵌的高能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN進行模擬，采用JWL狀態方程描述炸藥爆炸過程中壓力-體積的變化關系，模擬炸藥爆轟過程中產生的載荷，JWL狀態方程[14]表達式為：

(1)

式中：P為炸藥爆轟壓力，Pa；E0為炸藥初始內能，J；V0為初始相對體積；參數A、B、R1、R2、ω為實驗中確定的常數，炸藥及JWL方程中的參數見表1。

表1 炸藥及JWL方程中的參數

采用LS-DYNA自帶的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動硬化材料模擬隧道圍巖，該材料是與應變率有關且可考慮失效的混合模型材料，巖石材料參數見表2。

表2 巖石材料參數

海水采用ANSYS自帶的*MAT_NULL模型材料，采用Gruneisen狀態方程描述海水壓力與密度的變化關系，Gruneisen狀態方程[15]表達式為：

(2)

式中：P1為海水受到的壓力，Pa；μ=ρ0/ρ-1，ρ0和ρ分別為海水的初始密度和擾動后的海水密度，kg·m-3；E為初始內能，J；γ0為Gruneisen常數；α為γ0的一階體積修正；C、S1、S2、S3為材料常數。海水材料參數見表3。

表3 海水材料參數

4 計算結果分析

4.1 既有隧道合振速云圖

為了觀測爆破對既有隧道的影響，確定隧道中最大振速發生的位置和時刻，提取不同時刻既有隧道的合振速Vh云圖，如圖5。

圖5 既有隧道不同時刻的合振速Vh云圖

由圖5可知，t=3 ms時刻，爆炸應力波傳播到既有隧道處，對應掌子面迎爆側附近率先受到應力波的影響。t=48 ms時刻，在隧道迎爆側，合振速云圖大致以對應掌子面為中心呈前后對稱分布，表明隨著時間的增加，爆炸應力波的影響范圍逐漸擴大，而且距對應掌子面越近，受爆破振動的影響越大。t=120 ms時刻，既有隧道中的合振速達到最大值(1.49 cm·s-1)，出現在11 077節點處，該節點位于對應掌子面迎爆側上方。在各時刻中，最小合振速均出現在對應掌子面后方，而且后方合振速云圖的分布范圍略小于前方，表明對應掌子面前方的爆炸應力波強度大于后方。我國關于交通隧道制定的爆破振動安全標準為[V]=10～20 cm·s-1[16]，日本關于運營鐵路隧道制定的爆破振動安全標準為[V]=3～5 cm·s-1[17]。為保證既有隧道安全，本工程關于既有隧道制定的爆破振動安全標準為[V]=1.0 cm·s-1。既有隧道中的最大合振速為1.49 cm·s-1，雖小于我國和日本制定的標準，但大于本工程的標準。為保證既有隧道安全，應適當縮短新建隧道的循環進尺，降低掏槽孔的單段起爆藥量。

圖6 監測斷面位置

4.2 既有隧道橫斷面振速分析

為研究爆破振動速度在既有隧道橫斷面上的分布規律，將既有隧道中與新建隧道爆破掌子面處于同一剖面上的斷面命名為對應掌子面，即A-A斷面。在對應掌子面前后分別截取5個斷面作為監測斷面，各斷面之間的間距為40 m，如圖6所示。在監測斷面上選取5個節點，依次為迎爆側拱腳1、迎爆側拱腰2、拱頂3、背爆側拱腰4以及背爆側拱腳5，如圖7所示。對應掌子面上特征節點的合振速Vh、徑向振速Vr、切向振速Vt以及垂向振速Vc對比如圖8所示。

圖7 監測斷面上各節點位置

圖8 對應掌子面上各特征節點的Vh、Vr、Vt及Vc對比

由圖8可知，在既有隧道對應掌子面上，各特征節點上合振速Vh的大小關系為：迎爆側拱腰>迎爆側拱腳>拱頂>背爆側拱腳>背爆側拱腰；Vr、Vt、Vc在對應掌子面上的分布規律與Vh有所不同，但均表現為迎爆側拱腰處振動速度最大?？傮w上，既有隧道迎爆側振速大于背爆側，前者為后者1.6～2.7倍。在各特征節點的三向振速中，徑向振速Vr最大，切向振速Vt次之，垂向振速Vc最小，Vr為Vt的1.1～1.5倍，為Vc的1.6～3.0倍。在衰減速率上，徑向振速Vr>切向振速Vt>垂向振速Vc。由迎爆側拱腰到背爆側拱腰過程中，Vr衰減數值為0.48 cm·s-1，衰減幅度為62%；Vt衰減數值為0.225 cm·s-1，衰減幅度為44%；Vc衰減數值為0.07 cm·s-1，衰減幅度為25%。可見，既有隧道空間對新建隧道爆破產生的水平方向振速有明顯的削減作用，而對垂向振速的削減作用較小。

4.3 既有隧道軸向振速分析

在距對應掌子面不同距離L處的監測斷面上，提取既有隧道迎爆側拱腳、迎爆側拱腰和拱頂處特征節點的振動速度。各特征節點合振速Vh與距離L的關系如圖9所示，各特征節點垂向振速Vc與距離L的關系如圖10所示，圖中均以對應掌子面前方為正方向。

由圖9可知，在既有隧道軸向上，各特征節點合振速總體表現為：迎爆側拱腰>迎爆側拱腳>拱頂，三者合振速Vh隨著距離L的衰減趨勢大致相同，最大值均出現在對應掌子面處。以迎爆側拱腰為例，其合振速在0～80 m內的衰減幅度為72%，在80～200 m內的衰減幅度為10%，即在既有隧道軸向上，爆破振速在近距離內衰減迅速，在遠距離處衰減緩慢。各特征節點在0～200 m內的平均合振速為0.22 cm·s-1，0～-200 m內的平均合振速為0.206 cm·s-1，前者為后者的1.07倍，表明在既有隧道軸向上，對應掌子面前方的爆破振動速度大于后方。

由圖10可知，與合振速Vh不同，各特征節點垂向振速的關系與對應掌子面距離L有關。在-40～40 m內，迎爆側拱腰>迎爆側拱腳>拱頂；在-40～-200 m和40～200 m內，拱頂>迎爆側拱腰>迎爆側拱腳。在衰減速率上，迎爆側拱腳、迎爆側拱腰及拱頂處的垂向振速在0～200 m內的衰減幅度分別為81%、64%和39%。由此表明，在既有隧道軸向上，拱頂處垂向振速的衰減最為緩慢，其受距離L的影響最小。

圖9 各特征節點合振速Vh與距離L的關系

圖10 各特征節點垂向振速Vc與距離L的關系

4.4 不同海水深度下爆破振速對比分析

為探究爆破振動在海底下的傳播特性，利用ANSYS/LS-DYNA建立4個不同海水深度(分別為0、20、40、60 m)的相鄰隧道模型，研究海水深度對爆破振動的影響。建模過程中遵循單一變量原則，即只改變海水深度，而保證150 m的隧道間距、80 m的埋深(海水厚度H1+覆巖厚度H2)、40 kg的起爆藥量等其他條件不變。在既有隧道不同距離L處的斷面上，提取拱頂特征節點的振動速度，不同海水深度下徑向振速Vr與對應掌子面距離L的關系如圖11所示，垂向振速Vc與距離L的關系如圖12所示。

圖11 不同海水深度下徑向振速Vr與距離L的關系

圖12 不同海水深度下垂向振速Vc與距離L的關系

由圖11和圖12可知，徑向振速Vr隨著海水深度的增加而不斷增大，垂向振速Vc隨著海水深度的增加呈先減小后增大的趨勢，總體上各向振速均隨著海水深度的增加而增大。在隧道拱頂與海平面距離相同的條件下，海域下的爆破振動大于陸域巖石下的振動。在徑向振速方面，爆破振速在60 m和0 m海水深度下的平均值分別為0.450 和0.372 cm·s-1，前者為后者的1.21倍；在垂向振速方面，爆破振速在60 m和0 m海水深度下的平均值分別為0.244和0.150 cm·s-1，前者為后者的1.63倍，說明海水深度對垂向振速的影響較大。在衰減速率方面，不同海水深度下各向振速的衰減速率相差不大。在0～25 m內，徑向振速Vr在海水深度0、20、40和60 m下的衰減幅度分別為23.4%、21.7%、29.3%和16.7%。由此表明，在隧道拱頂與海平面距離相同的條件下，爆破振速在海域和陸域下的衰減速率差別不大，海水深度對其衰減速率的影響并不明顯。

既有隧道中Vr和Vc隨海水深度的增加而增大的現象，與海水性質以及海水與巖石分界面有關。當爆破地震波傳播到海水與巖石的分界面時，地震波在此處發生反射，反射地震波與入射地震波相互疊加導致既有隧道中質點的振速增大。在隧道拱頂與海平面距離相同的條件下，海水深度增加時，反射地震波的數值越來越大，對入射地震波的影響也越來越顯著，即海水對地震波起到了一定的“封閉”作用。關于這方面的分析，還需要更加深入的理論研究加以證實。

5 結論

1) 海底新建隧道爆破產生的最大振速出現在既有隧道對應掌子面迎爆側上方，迎爆側振動速度大于背爆側，前者為后者的1.6～2.7倍。在對應掌子面上，三向振速及其衰減速率均表現為：徑向振速>切向振速>垂向振速，表明既有隧道空間對新建隧道爆破產生的垂向振速的削減作用最小。

2) 在既有隧道軸向上，對應掌子面前方的振動速度大于后方，前者為后者的1.07倍。合振速的關系為迎爆側拱腰>迎爆側拱腳>拱頂，在施工中應注重迎爆側拱腰位置的監測和防護。拱頂處垂向振速在既有隧道軸向上的衰減最為緩慢，受爆心距的影響最小。

3) 在隧道拱頂與海平面距離相同的條件下，既有隧道中各向振速均隨海水深度的增加而增大。海水深度對垂向振速的影響大于對水平方向振速的影響。爆破振速在海域和陸域下的衰減速率差別不大，海水深度對其衰減速率的影響并不明顯。