考慮襯砌背后空洞的隧道振速公式優化研究

唐弦

摘要：隧道空洞是工程建設常見病害，為保證已有隧道在爆破作用下的結構安全穩定性，對襯砌背后存在空洞的隧道進行研究，將隧道爆破振速監控數據與知識理論相結合，將存在背后空洞的已有隧道在爆破作用下地震波傳播與哀減規律公式進行調整優化，利用最小二乘法優化得出的衰減指數α、K值，其對今后的工程建設爆破施工有著一定指導作用。

Abstract： Cavity is a common disease in engineering. For ensure the structural safety and stability of existing tunnels under the action of blasting， the tunnels with cavities behind the lining are studied. The monitoring data of tunnel blasting vibration speed and theory will be combined. The empirical formula of the law of seismic wave propagation and reduction under the existing tunnel under blasting is adjusted and optimized， the attenuation index α and K values obtained by the least square method are optimized， which has a certain guiding role for future engineering construction blasting construction.

關鍵詞：背后空洞;水平振速;爆破作用

Key words： cavity behind;horizontal vibration velocity;blasting effect

中圖分類號：O212，O213.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0213-02

0? 引言

鄰近工程修建過程中會對已有隧道產生影響，其進行爆破作業下會對已有隧道結構安全穩定性有著影響。爆破以能量波進行發散傳遞，從而使得圍巖巖體質點發生隨機振動，對隧道結構造成一定程度損害[1]。如今國內外關于隧道背后空洞對隧道結構影響的研究大部分是只進行靜力分析未考慮動力響應作用，其中考慮鄰近爆破作用下已有隧道結構襯砌背后空洞對自身受力特性的影響。現如今背后存在空洞的已有隧道關于爆破作業產生振動作用的動力響應分析較少，本文基于鄰近爆破振動對襯砌背后存在空洞的已有隧道結構安全穩定性進行研究分析，優化隧道在空洞情況下的爆破振速公式。

1? 爆破振動與背后空洞

1.1 爆破圍巖破壞觀點

第一種觀點：爆破使氣體極速膨脹造成巖體破壞。爆破使氣體快速膨脹，巖體產生徑向位移。當圍巖內氣體膨脹作用產生剪應力達到圍巖動態抗剪強度臨界值時，位移超出允許值，圍巖遭到破壞。第二種觀點：拉應力在應力波經過反射后產生，應力值超過圍巖動態抗拉強度，進而圍巖遭受破壞。第三種觀點：基于斷裂損傷力學理論，由于圍巖自身存在缺陷，圍巖在爆破作用下缺陷發育，損害進行累加，當超過指標允許值后產生破壞。第四種觀點：圍巖遭受爆破沖擊作用使巖體產生裂縫，熱量讓圍巖內氣體急劇膨脹使，使得巖體裂縫加劇產生，從而加速了圍巖的破壞速率。

1.2 爆破地震波方程

假定爆破影響區圍巖處于彈性狀態，采用小變形理論。彈性波傳播運動微分方程建立時，應考慮自身重量與慣性力[2]。

1.3 背后空洞產生原因

圍巖壓力確定是通過拱形地壓理論根據圍巖分類，不適用于所有隧道。按規范值進行設計，計算所得圍巖壓力與實際可能相差較大，使設計襯砌支護參數偏低，造成圍巖與襯砌接觸不緊密，進而導致巖體產生裂縫、塊體脫落、圍巖發生應力松弛等現象。在隧道爆破作用不易控制狀況下，超欠挖是常有現象，鋪設襯砌之間的防水層時易由于防水層過于貼合，在澆筑混凝土后出現空洞。在隧道運營過程中，結構混凝土由于受多因素影響（溫度、機械振動、不良地質圍巖荷載變化），通常會產生裂縫、脫落等現象，在地下水溶蝕等作用下又會進一步惡化，進而形成隧道結構背后空洞。

1.4 背后空洞危害

隧道襯砌與圍巖形成共同體，當地表發生沉降時，圍巖抗力發生應力重分布，襯砌結構由于超過開裂強度而產生裂縫，使得結構承載力進一步下降;襯砌本身存在施工缺陷，沉降作用加劇缺陷惡化，多因素影響下使得新病害形成;隧道地質構造不對稱以及掘進過程中不均勻沉降等易造成隧道出現偏壓，襯砌設計未考慮偏壓以及背后空洞的多重影響，使得襯砌結構形狀發生改變;當掌子面開挖后未及時支護，背后空洞的存在由于振動作用，使得應力松弛速率加快，襯砌結構破壞加劇;隧道橫縱向上沉降不均勻時，背后空洞存在會使得結構承載力降低，襯砌結構易產生環向、縱向與斜向裂縫。

2? 爆破振動現場監測與分析

2.1 工程概況與監測方案

以重慶彭水縣的已有杉樹陀隧道為實例，其監測方案為采用L20智能爆破測振儀對已有隧道襯砌質點振速進行監測量測，防止爆破振動振速較大對隧道襯砌結構受力不均勻造成不利影響而進行監測，其目的是為了便于發現問題可以快速采取控制措施。測點布置根據工程類比優化設計布置，其中新建工程和已有隧道相鄰側墻振動速率普遍大于相反側，因此測點布置一般布置在已有隧道鄰爆邊側墻底部[3]，工程測試布點位置圖如圖1與圖2。

2.2 監測結果及分析

在新建工程進行爆破作業時，在已有隧道洞身內進行多段布點布置，記錄其位移、沉降與振動速度，其重點記錄的是監控量測布置點的振速最高值，進而結合理論以及地質雷達無損探測試驗結果，針對其隧道襯砌背后空洞存在段的實測結果進行整合建立公式擬合分析，與經典公式相對比，修正參數進行優化。通過分析實時數據得出洞身振動振速哀減衰弱規律，根據已有隧道爆破振動速率，進而便于對隧道結構的安全穩定性進行評價評估，確保結構的穩定性以及施工的安全性。質點振動方向一般考慮三個方向（豎直、環向和水平方向），結合工程實際情況采取工程類比法，根據經典公式考慮缺陷空洞，得出已有隧道鄰爆側墻水平徑向爆破振速公式[4]，設 通過變換將公式（1）變化為公式（2）。

式中：Q：爆破炸藥質量（kg）;R：爆破點距爆破中心距離（m）;K：爆破點地質相關系數;？琢：地質爆破點條件相關的哀減系數。

其中系數R=0.9934，K=162.2925，？琢=1.6286。哀減指數？琢=1.6286、K=162.2925，屬于中硬巖石的范圍。

3? 結語

本文簡介了隧道襯砌背后空洞的形成原因以及危害，考慮鄰近爆破作用下已有隧道背后空洞存在的情況下利用最小二乘法對隧道襯砌結構質點水平徑向振速公式進行優化，本文僅考慮了隧道結構襯砌背后存在空洞的情況，未考慮多因素下同時存在狀態下的動力響應，因此多因素耦合情況還有待進一步進行系統的研究。

參考文獻：

[1]董永香，夏昌敬，段祝平.平面爆炸波在半無限混凝土介質中傳播與衰減特性的數值分析[J].工程力學，2006（02）：60-65.

[2]朱瑞賡，李錚.爆炸地震波的現場測量及其安全距離[J].爆破與沖擊，1982（01）：60-7.

[3]羅攀峰.爆破振動作用下空洞對杉樹陀隧道襯砌結構的影響研究[D].

[4]夏昌猛.新建隧道爆破震動對既有平行隧道影響研究[D].

[5]方興.爆破地震波作用下隧道襯砌結構動力響應研究[D].成都：西南交通大學，2011.