下穿城市垃圾填埋場排洪隧洞爆破振動控制技術

楊 剛

（中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091）

1 工程概況

新建排洪隧洞為單向排水隧洞，其作用為排泄二期填埋庫區膜面雨水，起訖里程K0+000～K2+437.608，隧洞全長2437.608m，起點端位于垃圾填埋庫區內，終點位于垃圾填埋場下游的排洪河道，從出口向進口方向掘進施工，隧洞起點接1#豎井，深度為16.6m。

排洪隧洞西段分別在K0+000～K0+190、K0+270～K0+510下穿二期填埋區和一期填埋區，與庫底凈距19～48m，填埋場庫底防滲層主要為2.0mm厚HDPE膜。其中K0+100～K0+510段凈距＞40m，后文中稱之為“下穿段”；K0+000～K0+100段凈距為19～40m，越靠近1號豎井，距離庫區邊緣的凈距也越小，后文中稱之為“貫通段”，穿越地層主要為微風化石英質砂巖和長城系混合巖。

2 防滲膜安全分析

2.1 分析思路

現行規范中并無垃圾填埋場爆破施工振速控制的相關要求，為確保防滲結構安全，需先分析計算確定安全的控制指標，再據此開展爆破設計。本章先針對下穿段預設一個振速控制取值并計算裝藥量，選取最不利截面分析爆破振動對填埋場底部防滲層的影響，提出安全的振動控制指標。

2.2 預設振速控制值

由于爆破安全規程（GB 6722-2014）中無垃圾填埋場允許振速要求，暫參照一般民用建筑取值，預設振速控制值為2.5cm/s，單段最大起爆藥量計算為：

式中：R為爆破振動安全允許距離，按最小凈距取值40m；Q為延時爆破的最大單段起爆藥量，kg；V為保護對象所在地安全允許質點振速，取值2.5cm/s；K為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數，取K=150；α與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的衰減指數，取α=1.55。

最后計算出最大單段起爆裝藥量Q=17.78kg，取16kg進行計算。

2.3 防滲膜的安全分析

在ABAQUS軟件中建立包含隧洞和填埋場底面相對位置關系的有限分析模型，計算最大單段起爆裝藥量16kg下防滲層HDPE土工膜的受力和變形特性。

1）防滲膜受力狀態，HDPE防滲膜厚度2.0mm，在復雜荷載作用下HDPE防滲膜承受較大拉伸荷載，垃圾體在自重及地震、爆破振動等荷載作用下，上覆土層的剪應力作用于HDPE膜上；同時，下臥土層也將剪應力作用于HDPE膜上，選取HDPE膜拉伸變形或拉伸應力作為垃圾填埋體防滲結構安全的控制指標。

2）建立有限元模型，在K0+100～K0+510段選取3個關鍵剖面（最不利截面）進行分析，里程分別為K0+480、K0+300、K0+170。三個關鍵位置有限元模型尺寸分別為320m×160m，250m×160m和200m×140m，有限元最大網格尺寸為1m，隧道斷面最大網格為0.5m。

在模型兩個側邊界及底部邊界采用黏彈性人工邊界模擬無限域的輻射阻尼效應。場地土層依次為素填土、中風化混合巖和微風化混合巖。

3）爆破荷載計算，爆破加載區在掌子面及一個開挖循環周邊，假設荷載以壓力形式均布作用在洞室壁上，方向垂直于邊界面。爆破荷載可簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，本次計算中上升段加載時間取10ms，卸載時間取80ms。

根據工程經驗，掏槽爆破時隧道周壁的荷載峰值最大，主要原因在于掏槽同段起爆炸藥量最大且炸藥集中，巖石的夾制作用很大，炸藥爆炸的能量通過巖石向四周傳播，導致圍巖振動比較大。根據文獻［1］，爆破荷載的應力最大值Pmax（kPa）為2.51MPa。

4）數值模擬分析結果，模擬計算中考慮初始應力，即首先對模型進行在重力作用下的自重應力場平衡，1s后施加爆破荷載進行動力計算，計算應力結果為重力疊加爆破荷載作用的結果。

爆破沖擊波近似以圓形向外傳播，在巖土體交界面部位發生了明顯的反射和折射現象，應力波波陣面在交界面處發生了明顯的擾動，在較弱土層中出現了明顯的陷波現象。黏彈性人工邊界較好的模擬了無限域的輻射阻尼效應，應力波到達截斷邊界處得到了很好的消散，而沒有出現截斷邊界對應力波的虛假反射作用。

斷面1爆破荷載作用下HDPE膜最大拉伸應力達到3.76MPa，遠小于其屈服強度15MPa與極限抗拉強度26MPa；另外，HDPE膜最大拉應力增長較小，僅為0.1MPa，并未在HDPE膜內引起應力的急劇增長，HDPE膜的應力任然受靜力荷載控制。另外通過分析，斷面2、斷面3中HDPE 膜最大拉應力分別為4.12MPa及2.31MPa，也遠小于HDPE膜的屈服強度，處于安全狀態。

5）地表監測點控制值，斷面1、斷面2和斷面3的最大振動速度分別為1.01cm/s、1.39cm/s和1.34cm/s，在垃圾堆體內振動速度隨進入垃圾體內部距離的增加而減小。最小凈距下預設振速2.5cm/s為控制值，對應可取地表控制值為1.5cm/s。

主要結論：計算過程選擇了距離填埋場最近的、最不利的爆破形式下，爆破振動對于填埋場的影響，計算表明該條件下的爆破影響是安全可控的。

3 下穿段隧洞爆破設計

上述研究表明，選取1.5cm/s的地表控制振速和采用16kg最大單段起爆藥量均具有足夠的安全系數。根據掏槽眼最大單段裝藥量16kg進行爆破設計，下穿段隧洞全部為Ⅲ級圍巖，其開挖尺寸為5.88m×5.71m （寬×高），采用全斷面法開挖，開挖進尺2.5m。

4 振動監測及反演分析

4.1 振動監測情況

使用TC-4850型振動測試儀進行爆破振動監測，在地面測點取得有效爆破地震波形圖及振速數據，分析波形圖頻譜，得出各測點爆破振動的質點峰值振動速度和主頻。

根據K0+510～K0+100段實測情況，爆破質點峰值振動速度值在0.102～1.321cm/s之間，主頻率在11～80Hz之間，與模擬計算的振速比較接近，小于計算設定的地表監測控制振速1.5cm/s。表明爆破應力波傳導至地面所產生的質點振動速度量值較小，影響范圍有限。

4.2 數值反演分析

根據將地質模型進行簡化，通過隧洞爆破施工過程的模擬，提取對應力波速度、第一主應力（拉伸應力）數據進行計算分析。以振速監測無異常的K0+230～K0+180段為分析對象。

模型由數值模擬軟件flac 3d建立，模型前后、左右跨度均為400m，主要分三個部分：隧道圍巖、隧道以及垃圾填埋場，共計138萬個單元體。隧道圍巖為弱風化巖石，彈性模量取值為17GPa，泊松比為0.2，隧道開挖部分單元體性質與圍巖性質相似，垃圾填埋場垃圾彈性模量為0.06MPa，泊松比為0.33。

模型的邊界條件分靜力計算和動力計算兩部分，在靜力計算中模型底部采用固定邊界，前后以及左右兩側為滾動筒約束，對整個模型施加有豎直向下的重力。在動力計算中，對模型底邊以及四周施加粘性人工邊界條件，在模擬爆破時，對隧道一次爆破進深內施加法向施加爆破應力時程，作用時間持續0.3s，之后逐漸衰減。

通過反演分析，計算得到7個測點的振動速度，計算結果與實測值吻合度較高，說明計算參數取值較為合理。

4.3 貫通段振速分析

對貫通段（K0+000～100）選擇最不利剖面進行計算，即隧洞與1號豎井連接處，建立有限元分析計算模型，并標注了5個監測點用以分析爆破應力波作用下振動響應，計算模型最大網格為0.5m。

按最大單段爆破藥量8kg的工況，施加對應的爆破應力波荷載，其中輸入的爆破應力波形計算同上文所述，最大爆破應力為1.35MPa，上升時0.1ms，卸載時0.8ms。爆破作業150ms后，X方向最大振動速度為1.854cm/s，Y方向最大振動速度為1.755cm/s。

4.4 貫通段防滲結構安全分析

選擇排洪隧洞臨近豎井時的關鍵剖面進行分析，計算方法同第二章第三節，本處不在重復敘述。

按8kg最大單段起爆藥量模擬分析，爆破荷載作用下HDPE膜最大拉伸應力達到2.31MPa，遠小于其屈服強度15MPa與極限抗拉強度26MPa。另外，爆破荷載對HDPE膜最大拉應力增長較小，僅為0.1MPa，HDPE膜的應力任然受靜力荷載控制，處于安全狀態。防滲膜具有6倍以上的安全系數，同時地表最大振動速度為1.854cm/s，接近最小凈距處預設控制振速2.5cm/s，故對應可取地表控制值為2.5cm/s。

5 貫通段隧洞爆破參數調整

K0+100～K0+000段距離填埋區庫底的凈距從40m逐步變化到19m，根據前面的計算，最大單段起爆藥量應逐步從16kg調整為8kg，總裝藥量遞減到42kg以下，循環進尺調整為1.2m。

根據振動監測情況顯示，隨著隧洞掘進面與填埋庫區防滲膜的凈距逐步減小，振速逐漸加大，到K0+000處達到了最大值2.16cm/s，小于設定的2.5cm/s的目標，振動得到了有效控制。

6 結語

根據本工程下穿垃圾填埋場施工實例，K0+510～K0+100地表觀測點振動控制值取1.5cm/s滿足防滲膜的安全要求，具有較高的安全系數；K0+100～K0+000段施工時掌子面隨著距離填埋去庫底越來越近，地表振速也逐步接近最小凈距處的振速，地表振速在2.5cm時仍然具有較高安全系數；下坪填埋場為硬質地基，場地條件對于抗震和降低爆破振動應力波是有利的。