小凈距隧道爆破振動效應數值模擬分析

郝瑞軍 ，郝永明

（1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.中交路建南方工程有限公司，重慶 400047）

1 引言

近年來，我國大力推進“一帶一路”建設倡議，構建交通強國的宏偉藍圖，而完善交通基礎設施是其中的重要組成部分。小凈距隧道是介于連拱隧道與分離式隧道之間的一種結構形式【1】，由于其中夾巖厚度比常見的隧道要小得多，一般小于1.5 倍隧道開挖斷面的寬度。由此可以看出，小凈距隧道爆破施工比普通隧道巖更加困難。

國內外學者對小凈距隧道爆破振動作了一些研究，龔建伍等【2】采用了現場監測方法對小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載下的振動響應，分析了不同圍巖級別和不同監測點振動波的傳播及分布規律。姚勇等【3】采用數值模擬方法研究了不同圍巖級別、凈距大小和埋深等條件下小凈距隧道爆破振動響應，并提出了針對中巖墻不穩定狀態下的加固措施。林從謀等【4】依據現場監測數據回歸分析，得到了中夾巖和既有隧道壁面上質點振動速度隨時間的變化規律。Mo You 等【5】以小型間隔巷道截面為例，精確模擬了爆破振動過程，得到了巷道的峰值振動速度響應。

本文基于數值仿真模擬了小凈距隧道爆破荷載作用下圍巖的振動響應。并基于Hypermesh 建立了小凈距隧道爆破分析模型，采用LS-DYNA【6】計算出了爆破振動效應，研究了不同中夾巖厚度、不同超前距離時小凈距隧道爆破振動規律。

2 工程概況

里平Ⅱ號隧道位于貴州省余慶至安龍高速公路羅甸至望謨段，為分離式長隧道，全長2 177m，最大埋深約232.7m，隱伏溶洞主要位于ZK3+580～ZK5+420 段和YK3+570～YK5+380段。隧道圍巖為中風化薄～中厚層狀泥質灰巖，局部夾泥質粉砂巖，節理不發育，巖體完整，呈中薄層狀結構，圍巖自穩能力差，無支護受震動時可能產生松動變形、坍塌及掉塊現象。

本工程中主要有Ⅳ、Ⅴ級圍巖，隱伏巖溶段主要是Ⅳ級圍巖，Ⅳ級圍巖段隧道施工采用臺階法開挖，Ⅴ級圍巖隧道采用環形開挖預留核心土法。

3 有限元模型建立及參數選取

本文以余慶至安龍高速公路羅望9 標里平Ⅱ號隧道項目為依托，隧道結構形式采用分離式，隧道設計斷面為小凈距隧道。按照現場地質情況，本文選取YK3+570～YK3+790 段進行建模分析，為了減小邊界情況影響，隧道埋深取6m，左右邊界取6m，下邊界取9m，左右兩側施加軸向約束，上邊界施加軸向約束，下邊界節點自由度全約束。x 軸指向隧道掘進方向的右側，y 軸鉛垂向上，z 軸沿隧道掘進方向。整體模型尺寸大小取為 26m×52m×10m，如圖1 所示。該段內圍巖等級為Ⅴ級，埋深約為57m，整個隧道段最大埋深達236m，圍巖等級主要為Ⅳ、Ⅴ級2 種，為了減小邊界處地震波的反射影響，對模型的6 個面均施加無反射邊界。模型不考慮地應力和地下水的影響。

圖1 有限元分析模型

模型中炸藥材料采用LS-DYNA 程序自帶的高能炸藥材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并添加炸藥的狀態方程關鍵字EOS_JWL。在炸藥模型中設置炸藥起爆點關鍵字INITIAL_DETONATION， 同時也可以實現炸藥不同延時爆破。其中，圍巖及襯砌均采用塑性隨動硬化材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

本文模型采用LS-DYNA 中的流固耦合算法，該算法將拉格朗日與歐拉算法相結合，充分發揮各自算法的優勢，結算結果精確度相對高于與其他2 種算法。

4 結果分析

4.1 不同中夾巖厚度影響分析

4.1.1 應力分析

選取Ⅳ級圍巖的隧道模型為研究對象， 分析0.5D、D、1.5D、2D、3D（D 為小凈距隧道之間的距離）5 種凈距在爆破振動荷載作用下先行洞中巖墻迎爆側的振動響應，因為邊墻處的最大拉應力為三者中最大的，將其定為控制有效應力。

如圖2 所示，提取了不同凈距下隧道爆破振動圍巖第一主應力分布云圖，根據圖中顯示可知圍巖最大第一主應力隨著中夾巖墻厚度增大而減小，受到影響較大的部位位于中夾巖墻位置處，但未超過泥質灰巖的屈服強度，爆破波以間斷性波向周圍傳播，可見，隧道爆破振動圍巖受到影響的部位主要集中在中隔墻和隧道拱底部位，最大應力隨著爆破時間逐漸減小。

圖2 不同凈距下圍巖第一主應力分布

如圖3 所示，隨著隧道凈距的增大，爆破振動圍巖等效應力逐漸降低，可見凈距越大，后行洞爆破開挖對先行洞產生的影響越小。在0.5D～1.5D 區間，后行洞隧道爆破產生的圍巖等效應力較大且遞減的速率較快，由于爆破應力波隨著距離不斷在衰減，在巖層厚度較小時受到應力波影響相對較大，而在1.5D～3D 區間，后行洞隧道爆破產生的等效應力相對較小。

圖3 不同凈距與圍巖等效應力關系

4.1.2 振動速度

在隧道爆破振動中，依據GB 6722—2014《爆破安全規程》對允許爆破振動速度的規定，取20cm/s 作為上限值，評價隧道爆破振動的安全性。本次隧道爆破對先行洞襯砌迎爆側進行振動速度監測，監測點分別布置在拱腳、拱腰下段、拱腰上段、拱頂4 個點，得到不同監測點的水平及豎直方向的振動速度時程變化曲線，如圖4 所示。

圖4 不同隧道中夾巖厚度在不同監測點X 方向振動速度關系

分析圖4 可知，不同隧道中夾巖厚度在不同監測點振動速度趨勢基本一致。隧道拱腳、拱腰上段、拱腰下段和拱頂部位，0.5D 凈距時，各監測點的振動速度較大，但是對于D～2D凈距時各監測點變化幅度較小且處于安全振動速度范圍內。可見，為了保證小凈距隧道爆破施工的安全，小凈距隧道爆破合理的中夾巖墻厚度應該大于0.5D 凈距。

4.2 不同超前距離影響分析

在不同超前距離下進行隧道爆破產生不同影響，為了確定合理的超前施工距離，保證爆破施工安全。分別模擬了凈距為 D 時隧道在 2m、5m、10m、15m 的超前距離下爆破施工，分析隧道圍巖的應力應變狀態，得到先行洞迎爆側拱腰、拱頂、背爆側拱腰振動速度規律，從而得到合理的施工超前距離。

根據施工不同超前距離，列出了不同超前距離不同時刻的圍巖應力分布圖，顯示了隧道爆破中爆炸應力波傳播的范圍及大小方向，對先行洞隧道襯砌不同位置進行監測，再有針對性地對應力集中區進行加固處理，從而安全有效地進行爆破施工。

如圖5 所示，可見，既有襯砌的拱腰部位受到爆破振動影響最顯著，其振速明顯高于其他部位。而在拱頂或拱腳部位，襯砌的振動速度受到的影響相對較小，拱頂與拱腳處受到的振動影響差距較小，由于爆破應力波傳播至先行洞拱頂和拱腳處的距離差不多，產生的振動效應相似。根據圖5 中曲線走勢可發現，超前距離為2m、5m 和10m 時拱頂、拱腰和拱腳的振動速度逐漸減小，超過10m 振動速度逐漸增大，可見，曲線整體趨勢呈現“V”型分布，隧道爆破施工較合理的超前距離在10m 左右，這樣，對先行洞襯砌的振動影響減到最小，可保證施工安全。

圖5 不同的開挖進尺下既有襯砌各部位的振速

5 結語

1）不同中夾巖厚度下，隧道爆破圍巖應力隨著中夾巖厚度增大而減小，其中，0.5D～D 段變化幅度最大，D～2D 區間變化幅度較小；圍巖振動速度與應力變化具有相似規律。

2）不同超前距離下，隧道爆破施工對既有隧道襯砌影響具有一定規律，即隨著超前距離的增大，既有隧道的襯砌振動速度變化規律呈現“V”型分布，隧道爆破施工較合理的超前距離在10m，可保證隧道施工安全。