頻繁爆破條件下既有隧道支護結構動態響應研究

李紅澤

（中鐵十九局集團工程檢測有限公司 遼寧遼陽 111000）

1 引言

受地形地貌、線路選線、交通量趨于飽和等因素制約，越來越多的新建隧道施工鄰近既有隧道或其他結構物［1－4］。新建隧道的爆破開挖不可避免地改變鄰近既有隧道圍巖及支護結構的應力狀態、受力模式，甚至是薄弱支護結構的完整性和受力平衡，造成既有隧道承載能力降低、二襯脫落，乃至坍塌等不利影響［5－6］。尤其是鄰近既有隧道采用多導洞分步開挖的大斷面隧道，推進式、往復、多次的頻繁爆破中，爆炸荷載造成既有隧道的這種負面效應更為顯著。為確保鄰近隧道支護體系的安全穩定，必須采取有效措施減少上述負面效應產生的不利影響。新建大斷面隧道爆破導致鄰近既有隧道的振動效應及評價是一個重要課題。文獻［7］研究了導流洞爆破引起的振動對鄰近鐵路隧道的影響，揭示了爆破振動與藥量、爆炸源的關系，優化了導流洞的爆破參數。文獻［8］通過現場監測和數值模擬研究了爆破振動對鄰近隧道的影響，揭示了襯砌的振動速度，并基于爆炸位置、隧道深度和炸藥量的參數研究，提出了爆破防護區的指導原則。文獻［9］提出小凈距隧道先行洞迎爆側振速值明顯大于背爆側振速值，小凈距隧道先行洞迎爆側拱腰部位和洞口方向均出現爆破振速極大值，爆破振速衰減速度與隧道圍巖的特性有顯著關系。文獻［10］和［11］發現垂直峰值振動速度比兩個水平方向的振動速度大，且隧道頂部和底部為主要承受動拉應力的部位，建議通過分析支護結構的動應力來控制爆破，確保既有隧道支護結構的安全。文獻［12］結合錦屏一級水電站左岸隧洞爆破效果，研究了爆破振動對不同圍巖類型、隧道間距、炸藥量的既有隧道圍巖及襯砌結構的影響。

上述研究大多集中于新建隧道與鄰近既有隧道相互作用的靜態穩定性評估，而新建隧道爆破開挖對鄰近既有隧道二襯和圍巖的動態響應特征研究較少。此外，多數監測和數值分析都集中在襯砌支護系統振動速度上，而忽略了對相鄰既有隧道圍巖的破壞。本研究以保和村隧道為背景，通過現場監測和數值模擬，研究新建隧道爆破開挖時鄰近既有隧道二襯和圍巖的動態響應特征。

2 保和村隧道概況

保和村隧道屬新建鐵路敘永至畢節線工程，全長1483 m，穿越地段屬溶蝕侵蝕中低山谷地貌，地形起伏較大，植被茂盛。隧道圍巖為三疊系中統關嶺組三段白云巖、泥質白云巖及泥質灰巖，巖溶中度發育。其中，洞口段Ⅴ級圍巖為侏羅系泥巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，節理裂隙水滲出。既有畢節隧道修建于2016年，屬成貴高鐵隧道。兩條隧道中線間距為50 m。

新建隧道設計采用新奧法、復合襯砌結構。Ⅴ級圍巖采用雙側壁導洞法開挖，Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖采用中隔壁十字交叉法開挖。過程中，隨著右上Ⅰ導洞、右下Ⅲ導洞的開挖以及推進式爆破次數的增加，既有隧道迎爆側二襯裂縫加固的封堵材料逐漸脫落，并且沿裂縫緩慢滲水。

上述病害表明新建隧道施工對相鄰既有隧道的支護結構產生了顯著不利影響。二襯封堵材料脫落表明二襯結構承受較大拉應力；地下水滲出表明既有隧道圍巖發生損傷，形成大量貫穿裂隙。

3 既有隧道的動態響應特征

（1）二襯振動速度監測

CRD法開挖時，4個導洞交替爆破掘進，施工過程呈現推進式、往復、頻繁爆破的特點，近接既有隧道的任意斷面遭受兩次由遠到近再到遠的爆炸荷載。

為監測既有隧道襯砌的動力響應，選取既有隧道樁號為YK459＋786作為監測斷面。監測斷面上布設8個振動監測點，分別在拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳和線路中心。監測點布設見圖1。

圖1 斷面YK459+786監測點埋設斷面（單位：m）

在Ⅰ、Ⅲ導洞開挖過程中（樁號YK459＋773～YK459＋800），爆破振動速度監測結果見圖2。

圖2 爆破振動速度

圖2監測結果表明，最大爆破振動發生在掌子面和監測斷面平齊時，第Ⅰ導洞和第Ⅲ導洞通過監測斷面時，其最大振動速度分別為33.85 cm/s和34.79 cm/s，第Ⅲ導洞爆破導致的振動較Ⅰ導洞大。左拱肩處監測的爆破振動作用規律與左拱腰相同，但Ⅰ導洞爆破導致的振動較Ⅲ導洞大。當Ⅰ、Ⅲ導洞掌子面與監測斷面齊平時，既有隧道測點記錄的振動速度見圖3。

圖3 既有隧道周圍振動速度包絡圖

如圖3所示，既有隧道內迎爆側振動要大于背爆側。當Ⅰ導洞爆破時，拱肩上振動最大，拱腰次之。拱肩處記錄的最大振動發生在掏槽孔爆炸時。Ⅲ導洞爆破時，拱腰上的振動最大，拱肩次之。拱腰處記錄的最大振動發生在周邊孔爆炸時。因此，在新建隧道施工過程中，近接既有隧道迎爆側拱肩到拱腰部位振動最強烈、最危險，其振動速度應嚴格加以控制。

（2）圍巖損傷監測

針對既有隧道圍巖損傷進行研究，開展爆破前后現場圍巖聲波波速監測。聲波監測孔由既有隧道迎爆側拱肩向新建隧道延伸，鉆孔深度為3.0 m，孔徑50 mm，下傾10°。以孔口為測量基準，支護結構（初噴混凝土和二襯）與圍巖交界面在0.4 m處，孔底在3.0 m處。

Ⅰ、Ⅲ導洞在里程YK459＋773～YK459＋800之間的每一次爆破均開展聲波波速監測，每10 cm采樣一次，每次采樣位置一致。監測結果見圖4。

圖4 每次爆破后聲波波速監測結果

由圖4可知，0.4～0.8 m范圍內沒有采集到聲波波速，這是由于此段巖體緊靠既有隧道的開挖輪廓線，受既有隧道爆破影響，巖體強烈損傷已呈破碎狀，導致聲波快速衰減無法穿透，此范圍為損傷帶Ⅰ；0.8～1.6 m范圍內巖體的聲波波速隨爆破次數的增加而下降，此范圍為損傷帶Ⅱ。其中，斷面Ⅰ775、Ⅲ785爆破時巖體聲波波速降幅最大，表明此時巖體發生顯著損傷，既有隧道圍巖損傷主要是相同斷面處Ⅰ、Ⅲ導洞爆破造成。1.6 m以外聲波波速變化較小，圍巖損傷微弱，基本保持原狀。由此可見，已經發生損傷的既有隧道圍巖，受鄰近大斷面隧道的頻繁爆破影響，其損傷范圍擴大，損傷程度進一步惡化。

4 數值計算及分析

基于爆破振動監測結果，在研究近接既有隧道的振動規律和最大動應力時，為簡化分析和計算過程，僅考慮導致最大振動的爆炸事件，即Ⅰ導洞的掏槽孔和Ⅲ導洞的周邊孔爆炸。

爆炸沖擊波呈球狀傳播，是三維空間的沖擊載荷。但由于爆破頻繁、計算復雜，進行精確地三維建模也就非常復雜。因此，本文采用了考慮三維效應和最大振動的二維建模方法，重點研究爆炸載荷的三維沖擊模型。

4.1 爆炸荷載

由于爆炸能量其大部分是通過爆生氣體產生裂縫而耗散，只有小部分爆炸能量以彈性波的形式向周圍巖體傳播。為確定數值分析所需的輸入爆炸載荷，采用爆壓修正，其爆壓方程和動壓力修正方式為：

式中，Pd為爆壓；ρ為密度（g/cm3）；De為爆速（m/s）；PD為非耦合爆轟壓力時間序列；PB為耦合爆轟壓力時間序列；dc為裝藥直徑（mm）；dh為炮孔直徑（mm）；B為經驗荷載系數（取16.338）；t為時間（s）。

文獻［8］和［13］研究發現5%～50%的爆炸能量穿過巖體散失，因此，改變爆壓需要考慮能量損失。為了在二維中表示三維現象，還需要計算二維中的等效荷載。假設當量載荷與爆壓成正比，只需對爆壓乘以折減系數即可。因此，爆轟壓力的彈性部分，即等效二維爆炸動壓力為：

式中，α為考慮能量耗散和幾何等效性的組合折減系數。α理論上無法確定，本研究通過現場試驗得出。假設乳化炸藥比重為1.4 g/cm3，速度為5 500 m/s。評價的最大爆炸壓力為50.1 MPa，持續時間為0.001 s。

4.2 計算結果

本研究的重點是鄰近既有隧道的最大振動效應，因此，計算中只考慮引起最大振動的爆破。導洞Ⅰ裝藥量為4.0 kg時，對既有隧道同一斷面上拱肩的振動時程曲線，在不同的折減系數下進行模擬試驗的數值分析。當采用折減系數0.62時，數值模擬的最大振動速度與監測記錄相同，可以很好地模擬實際的爆轟過程。

（1）振動速度

應用此數值模型，計算Ⅰ、Ⅲ導洞爆破時既有隧道振動速度，其水平速度場見圖5。

圖5 既有隧道爆破振動速度場

由圖5可以看出，Ⅰ、Ⅲ導洞爆破造成既有隧道迎爆側二襯和巖體產生極大振動，且振動隨與爆源距離的增大而降低，迎爆側附近巖體的振動速度大于32 cm/s。Ⅰ導洞爆破時，迎爆側拱肩和拱腰部位及Ⅲ導洞爆破時拱腰部位的振動速度均大于32 cm/s。

研究進一步模擬不同炮孔藥量下的振動變化，并與現場試驗得到的拱肩處的振動變化進行比較，見圖6。

圖6 不同藥量下振動速度計算結果

由圖6可知，數值計算結果與現場試驗結果吻合度較好，振動速度隨裝藥量的增加而明顯增大。表明此計算模型能較好地模擬既有隧道的振動。依據此經驗模型，可以通過調整裝藥量來控制既有隧道的爆破振動。

（2）動應力

根據現場試驗和有限元計算分析，既有隧道二襯結構可以承受的壓應力增量和拉應力增量分別為4.42 MPa和0.92 MPa。

當Ⅰ導洞掏槽段裝藥量為4.0 kg時，數值計算得到拱肩處的拉應力最大，t＝14.5 ms最大水平拉應力為0.78 MPa，此時二襯應力云圖見圖7。

圖7 二次襯砌最大水平拉應力位置

由圖7可以看出，既有隧道的迎爆側均承受拉應力，背爆側和底部以壓應力為主。其中，拱肩部拉應力值最大，拱腰部、拱頂部次之；迎爆側拱腳處壓應力最大。

通過壓應力云圖發現，最大壓應力發生在Ⅲ導洞爆破時迎爆側的拱腳處，15.3 ms最大壓應力為1.46 MPa。

二襯結構破壞以材料局部拉裂為主，由于混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，而作用在二襯上的最大壓應力又遠小于其抗壓強度，因此壓應力對二襯結構穩定性的影響與拉應力相比可以忽略。

研究進一步模擬不同炮孔裝藥量下拱肩拉應力增量的影響，并提出了兩者的經驗模型，見圖8。

圖8 不同裝藥量時對應的拱肩拉應力擬合曲線

結果表明，拉應力增量隨裝藥量的增加而增大。當裝藥量達到4.4 kg時，拉應力增量超過二襯混凝土可接受值。依據此經驗模型，在一定的控制標準下，可以調整裝藥量來控制拉應力增量。

5 結論

（1）新建大斷面隧道推進式、往復、頻繁爆破施工對鄰近既有隧道的二襯和圍巖產生顯著影響，主要表現在二襯結構的振動和圍巖的累積損傷。

（2）爆破振動速度監測結果表明，在新建隧道施工過程中，近接既有隧道迎爆側的拱肩到拱腰部位振動最強烈、最危險，其振動速度應嚴格加以控制。

（3）圍巖聲波波速監測結果表明，新建隧道推進式往復爆破開挖導致鄰近既有隧道支護結構發生一定程度的損傷、破壞，尤其是迎爆側。

（4）推進式、往復、多次爆破過程可簡化為導致最大振動的幾次爆炸事件，每次爆破過程的多個爆炸荷載可簡化為造成顯著影響的單次荷載。

（5）采用現場振動監測對爆轟壓力進行修正，計算出既有隧道襯砌的振動速度和拉應力，實現了既有隧道支護結構動態響應的數值模擬。