考慮對近鄰管線影響的隧道洞口段施工爆破藥量優化研究

韋建昌　潘峰　王潮鑫

摘要：山嶺隧道洞口段存在燃氣管道時，根據設計和相關規范的要求，必須要對管道附近的振動速度進行控制。文章以實際隧道工程建設為背景，基于薩道夫斯基經驗公式設計了三種裝藥方案，并通過數值模擬分析了管道對三種方案爆破的動力響應。研究結果表明，增加爆破中的起爆段位能夠減小爆破振動速度，在相同段位下優化輔助眼各段的炮孔數量和裝藥參數能夠大為降低爆破振動速度，從而達到規范和設計的振動速度控制要求;基于薩道夫斯基經驗公式計算的藥量能得到一個初步的裝藥量，通過數值模擬能夠進一步優化裝藥量，使振動速度滿足規范和設計要求;當隧道洞口附近存在建筑物或者構筑物時，應盡量增加二者之間的最小空間距離。

關鍵詞：爆破工程;減震技術;數值模擬;方案優化

中國分類號：U445.53文章標識碼：A381464

0 引言

山嶺隧道建設大多使用鉆爆法施工，爆破振動勢必會對周圍建筑物或構筑物造成影響[1-4]。爆破振動影響的表征參數主要為峰值速度[5]，而爆破振動特征的影響因素有很多，如爆孔的布置及特征、藥量藥性的選擇、抵抗線的確定等[6-8]。其中爆破方式對其振動效應的影響是十分顯著的[9]，故對爆破方式的優化是極具研究價值的。學者們通過理論分析、數值模擬和現場實測等方式研究了爆破振動時結構的響應速度和應力，通過爆破藥量與實際藥量進行對比優化及運用現場監控量測優化爆破藥量等手段，使得隧道爆破所產生的影響在規范規定的范圍之內[10-12]。學者們分析了爆破對洞口的邊仰坡影響、最大起爆藥量安全閾值及高邊坡的動力響應[13-15]。故本文為了得到洞口段爆破施工對近鄰管道的最佳施工方案，以實際隧道為工程依托，基于三維有限元計算軟件分析不同爆破段數、不同炮孔數量、不同單孔裝藥量條件下不同距離的三個測點的震動速度，以期得到最優方案。

1 工程概況

某隧道在設計時因條件限制，始終無法大距離避開一條燃氣管道。在平面設計圖上該隧道與燃氣管道相距約24～240 m，現場實測表明該隧道出口段距離天然氣管道最近水平距離是35.68 m。該隧道出口方向洞口仰拱的最低高程高于天然氣管道高程，豎向高差約為18.2 m。該隧道為山嶺隧道，采用鉆爆法施工。根據設計要求，與燃氣管道相距150 m范圍內隧道采用冷開挖，當兩者距離在150～250 m時采用控制爆破，根據規范的規定要求，爆破振動速度必須控制在2 cm/s以內。

2 基于薩道夫斯基經驗公式的爆破藥量設計

為了保障出口段距洞門150～250 m采用控制爆破時，燃氣管道處的爆破振速能滿足設計和規范要求，必須對爆破裝藥參數進行優化。隧道工程實踐中，爆破參數確定常用薩道夫斯基經驗公式，見式（1）。巖土體參數K、α、爆心距和最大振動速度均已知，根據薩道夫斯基經驗公式即可求出裝藥量。

隧道出口洞段開挖的方法為臺階法。根據工程地質情況、實踐經驗與薩道夫斯基經驗公式，本文在出口方向洞口段提出了三種不同的裝藥方案。三種爆破方案的炮孔數量均為158個;方案一的起爆段數為6段，其余兩個方案的段數均為7段;方案一的總裝藥量為102.6 kg，方案二的總裝藥量為91.0 kg，方案三的總裝藥量為83.3 kg。不同方案的各段位炮孔數量及單孔裝藥量見表1。

3 理論依據及參數擬定

3.1 計算假定與狀態方程

數值計算采用了以下假設：

（1）巖土體為理想彈塑性介質;

（2）考慮巖土體變形的時間效應;

（3）巖土體為各向同性均勻介質;

（4）模型無反射邊界條件。

高能炸藥起爆以后，常用JWL（Jones-Wilkens-Lee）狀態方程，見式（2），求得炸藥爆炸內部單元所受壓力P。JWL狀態方程描述了高能炸藥爆炸時化學能的變化情況：

3.2 計算參數

根據該工程勘察設計資料，爆破施工擬采用2號巖石硝銨炸藥。本數值模擬采用2號巖石硝銨炸藥的密度為1.05～1.25 g/cm3，爆炸力度為295 mL，炸藥猛度為12 mm，爆炸速度為3 250 m/s，其計算參數如表2所示。

數值模擬使用有限元ANSYS/LS-DYNA軟件，數值模型中的巖土體、C30混凝土采用塑性模型，模型定義方式為*MAT_PLASTIC _KINE MATIC。巖土體與混凝土的計算材料參數如下頁表3所示。

3.3 數值模型

數值計算采用三維計算模型，模型尺寸為：X方向上寬度為175 m，Y方向上最大高度為148 m，Z方向上最大長度為177.3 m，模型頂面以實際地形建模。計算模型中四周邊界約束水平位移以模擬場地的半無限元邊界，底面邊界約束沿豎直方向位移。有限元計算模型共有740 276個體單元、138 392個節點。有限元模型如圖1所示。

在燃氣管道線路位置上共布置3個監測點（見圖1），分別在距右線隧道洞口最短空間直線距離為83.68 m處布置一個監測點，距右線隧道洞口100 m處左右各布置一個監測點。通過監測爆破過程中各測點振速，以設計和規范的臨界振速優化裝藥參數。

4 計算結果分析

本文通過數值模擬了三種裝藥方案，分析布置的三個測點振動速度在不同裝藥方案條件下的變化規律，詳述如下。

（1）方案一計算結果

方案一計算結果表明（見圖2），測點2的X方向振速最大，為1.66 cm/s，比測點1處X方向振速大69.3%，比測點3處X方向振速大40.6%;Y方向振速最大值也在測點2處，為1.51 cm/s，比測點1處Y方向振速大23.7%，比測點3處Y方向振速大34.8%;Z方向振速最大值也在測點2處，為2.32 cm/s，比測點1處Z方向振速大34.1%，比測點3處Z方向振速大31.1%。測點1和測點3的距離相差不大，所以兩者各個方向的振速大小都相差不大。因為測點2距離天然管道的距離最近，所以測點2的振速最大，

其在Z方向的振速最大，比在X方向的振速大39.8%，比在Y方向的振速大53.6%。離爆破點的距離越近，響應振速越大，各振速分量中Z方向振速最大。測點2的Z方向振速>2 cm/s，不滿足設計和規范要求。

（2）方案二計算結果

方案二計算結果表明（見圖3），測點2的X方向振速最大，為1.29 cm/s，比測點1處X方向振速大44.9%，比測點3處X方向振速大35.7%;Y方向振速最大值也在測點2處，為1.32 cm/s，比測點1處Y方向振速大20%，比測點3處Y方向振速大73.6%;Z方向振速最大值也在測點2處，為1.96 cm/s，比測點1處Z方向振速大20.2%，比測點3處Z方向振速大15.9%。測點2的Z方向上的振速最大，比在X方向上的振速大51.9%，比在Y方向上的振速大48.4%，相比于方案一的Z方向振速降低了24%，故爆破段數增加能有效降低爆破振動對管道的影響，三個測點各方向的振速都<2 cm/s，滿足設計和規范要求。

（3）方案三計算結果

方案三計算結果表明（見圖4），測點3處X方向振速最大，為0.89 cm/s，比測點1處X方向振速大50.8%，比測點2處X方向振速大11.2%;Y方向振速最大值在測點2處，為1.3 cm/s，比測點1處Y方向振速大94%，比測點3處Y方向振速大125%;Z方向振速最大值也在測點2處，為1.58 cm/s，比測點1處Z方向振速大125%，比測點3處Z方向振速大90.3%。

各測點振速分布規律與方案一、二不同，X方向上振速最大的不是測點2而是測點3處。由此可知，在起爆段位相同的情況下，調整各段位炮孔數量和裝藥系數能夠進一步降低爆破對周圍建筑物和構筑物振動的影響。

（4）不同方案各測點振動合速度

由圖5可知，方案一振動合速度最大值在測點2處，為2.55 cm/s，比測點1大18%，比測點3大17.7%;方案二振動合速度最大值也在測點2處，為2.24 cm/s，比測點1大19.1%，比測點3大16%;方案三振動合速度最大值也在測點2處，為1.71 cm/s，比測點1大10.3%，比測點3大11.2%。方案一振動合速度最大值比方案二大13.8%，比方案三大86%。三個方案中測點2的最小振動合速度為1.71 cm/s，與其他兩個測點的振動速度僅相差10%左右，因此方案三比較合理。

5 結語

（1）當管線與隧道洞口的空間距離從83.68 m到100 m時，振動合速度至少減小10%。距離起爆位置的空間距離越短，爆破產生的振動速度越大。當隧道洞口附近存在建筑物或者構筑物時，應盡量增加二者之間的最小空間距離。

（2）增加爆破中的起爆段位能夠減小爆破振動速度。本項目的起爆段位由六段增加到七段后，振動合速度至少減少13.8%。在相同段位下優化輔助眼各段的炮孔數量和裝藥參數能夠極大降低爆破振動速度，從而達到規范和設計的振動速度控制要求。

（3）數值分析表明，基于薩道夫斯基經驗公式計算的藥量能得到一個初步的裝藥量，但是不一定能夠使振動速度滿足規范和設計要求，而通過數值模擬能夠進一步優化裝藥量，使振動速度滿足規范和設計要求。

參考文獻：

[1]梁 瑞，包 娟，周文海，等.地鐵隧道掘進爆破對既有埋地管道的動力影響[J].爆破，2021，38（1）：41-50.

[2]趙晨陽，雷明鋒，施成華.大跨地鐵車站爆破施工優化設計研究[J].現代隧道技術，2020，57（S1）：747-755.

[3]王海濤，金 慧，賈金青，等.地鐵隧道鉆爆法施工對鄰近埋地管道影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2018，37（S1）：3 332-3 339.

[4]鄭爽英，楊立中.隧道爆破地震下輸氣管道動力響應數值試驗[J].西南交通大學學報，2017，52（2）：264-271.

[5]史秀志，薛劍光，陳壽如.爆破振動特征參量的粗糙集模糊神經網絡預測[J].振動與沖擊，2009，28（7）：73-76，213-214.

[6]周聲才，李 棟，張鳳舞，等.煤層瓦斯抽采爆破卸壓的鉆孔布置優化分析及應用[J].巖石力學與工程學報，2013，32（4）：807-813.

[7]賈海鵬，劉殿書，方真剛，等.地鐵隧道鉆爆法施工中敏感區間及安全藥量確定[J].北京理工大學學報，2021，41（1）：23-29.

[8]雷 振，黃永輝，陳文夢，等.爆炸沖擊荷載下擴腔體積和能耗隨抵抗線的變化規律研究[J].振動與沖擊，2021，40（4）：66-71.

[9]楊年華.不同爆破工程的地震特點分析[J].工程爆破，2014，20（5）：1-7，17.

[10]喻 軍，盧彭真，龔曉南.兩種不同建筑物的振動特性分析[J].土木工程學報，2013，46（S1）：81-86.

[11]李建輝.爆破施工對鄰近既有隧道的振動響應[J].建筑工程技術與設計，2021（24）：2 591-2 592.

[12]李景龍，李術才，李廷春，等.隧道下穿既有鐵路爆破的穩定控制技術研究[J].巖石力學與工程學報，2007（S1）：3 596-3 600.

[13]曹淑學.隧道爆破開挖作用下洞口高邊坡的動力響應[J].鐵道建筑，2020，60（7）：77-80.

[14]鄭明新，伍明文.爆破振動下偏壓隧道洞口段邊坡穩定性分析[J].鐵道科學與工程學報，2019，16（8）：2 018-2 027.

[15]賈黨育.隧道爆破開挖對洞口段邊坡穩定性影響的數值分析[J].礦冶工程，2017，37（1）：25-28.

3441501908223