下穿寺廟隧道爆破振動(dòng)影響的數(shù)值模擬與分析

劉彥濤

(1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

鉆爆法施工具有操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)和施工成本低等特性，是目前隧道和地下工程建設(shè)的主要方法[1].然而，在鄰近建(構(gòu))筑物隧道采用鉆爆法施工時(shí)，可能會(huì)對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響，造成建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)破裂或倒塌[2].因此，通過(guò)研究隧道爆破應(yīng)力波的傳播規(guī)律，并推斷擬定爆破設(shè)計(jì)方案執(zhí)行過(guò)程對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物的影響，及時(shí)有針對(duì)性的修正爆破設(shè)計(jì)，對(duì)保證下穿段隧道施工安全和效率具有重要現(xiàn)實(shí)意義[3].國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)此課題進(jìn)行了深入研究并取得較大進(jìn)展.盧文波等[4,5]根據(jù)圣維南原理及應(yīng)力波衰減特點(diǎn)，提出了在同段位多個(gè)炮孔同時(shí)起爆條件下的隧道爆破荷載的等效有限元模擬方法；宋戰(zhàn)平等[6]根據(jù)應(yīng)力彈性波靜力等效的原則，提出了考慮微差效應(yīng)影響的爆破振動(dòng)等效荷載確定方法；陳慶等[7]結(jié)合實(shí)際工程及爆破設(shè)計(jì)參數(shù)取值特點(diǎn)，提出了隧道爆破應(yīng)力波的衰減公式，并在鄰近既有建筑隧道爆破控制設(shè)計(jì)中取得了良好的效果；高文學(xué)[8]研究了淺埋隧道的爆破振動(dòng)影響因素，得出隧道的幾何尺寸、隧道埋深和圍巖條件以及隧道開挖方式等對(duì)其有重大影響，而掏槽眼爆破則是爆破振動(dòng)影響控制的關(guān)鍵；王明年等[9]基于對(duì)爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值振速和巖體爆破損傷的定量分析，給出了依托工程地下廠房爆破開挖時(shí)工程高邊墻圍巖的損傷范圍；Fakhimi A等[10]通過(guò)研究氣體和炮孔的相互作用提出了一種巖石爆破模擬的數(shù)值模型.

鑒于新大力寺段隧道下穿既有建筑物爆破施工特點(diǎn)，本文首先根據(jù)薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)下穿段地震波衰減規(guī)律進(jìn)行回歸分析，指導(dǎo)下穿段單段藥量及控制爆破方案的設(shè)計(jì).其次，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)擬定方案振動(dòng)控制效果進(jìn)行模擬分析，確定下穿段方案的合理性及適用性.最后，由現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證實(shí)施方案的控制爆破效果及數(shù)值模擬方案振速預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的可行性，為同類爆破控制段爆破方案設(shè)計(jì)提供參考.

1 依托工程概況

1.1 工程概況

新建商合杭高速鐵路是連接商丘、合肥與杭州的高速鐵路.其控制性工程新大力寺隧道全長(zhǎng)3 354 m，最大埋深約236 m，位于巢湖市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)[11]，隧道路線如圖1所示.新大力寺隧道與合福鐵路并行通過(guò)，位于合福鐵路左側(cè)(東北側(cè))，線間距65～105 m不等。其中下穿大力寺段(DK448+440～DK448+510)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，采用三臺(tái)階法鉆爆施工，上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m.

圖1 新大力寺隧道路線圖

1.2 下穿寺廟段爆破方案設(shè)計(jì)

為減小新大力寺隧道爆破施工對(duì)大力寺及運(yùn)營(yíng)合福鐵路影響，下穿寺廟段爆破參數(shù)需結(jié)合《爆破安全規(guī)程》對(duì)古建筑及運(yùn)營(yíng)線的振動(dòng)安全控制閾值進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)立建(構(gòu))筑物安全質(zhì)點(diǎn)振速為2.0 cm/s[12].由現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)該段初始爆破設(shè)計(jì)方案的制定，設(shè)計(jì)過(guò)程如下.

(1)單段最大爆破裝藥量確定

根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)結(jié)合薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式反映施工現(xiàn)場(chǎng)爆破應(yīng)力波衰減規(guī)律[13,14]，科學(xué)指導(dǎo)隧道近距離下穿建筑物的爆破施工，為爆破設(shè)計(jì)方案最大段藥量和掏槽方式的選取提供依據(jù)，公式如下.

V=K(Q1/3/R)a

(1)

式中：V是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q是最大段裝藥量，kg；R是爆心距，m；K和α分別為與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù).

運(yùn)用Matlab軟件對(duì)式(1)進(jìn)行回歸分析[15]，回歸曲線如圖2所示.根據(jù)回歸分析結(jié)果，由薩氏經(jīng)驗(yàn)公式變換可得爆破振動(dòng)安全允許裝藥量公式為

圖2 爆破數(shù)據(jù)最小二乘法回歸曲線圖

Q=R3(V/250)3/2

(2)

由以上分析最終確定上中下三臺(tái)階對(duì)應(yīng)最大段藥量.上臺(tái)階最大段藥量為2.88 kg，主要用于掏槽爆破增加巖體的碎漲空間，提高掘進(jìn)爆破擴(kuò)槽效果.中、下臺(tái)階因存在上臺(tái)階掏槽爆破后提供的臨空面，其最大段藥量主要設(shè)置于底眼，達(dá)到翻渣的目的，設(shè)計(jì)藥量分別為11.03 kg和19.9 kg.以上數(shù)據(jù)經(jīng)地震波衰減公式檢驗(yàn)，所得結(jié)果滿足隧道施工要求，符合下穿古建筑物的振速標(biāo)準(zhǔn).

(2)鉆孔和裝藥量設(shè)計(jì)

為了保證隧道既有古建筑物所受振動(dòng)影響在安全范圍之內(nèi)，本工程采用了高精度多段位雷管，并結(jié)合周邊建筑物特點(diǎn)嚴(yán)格控制最大段裝藥量.在掏槽形式上采用楔形掏槽，在拱處設(shè)置減震孔，增強(qiáng)地震波能量的耗散，降低地震效應(yīng)對(duì)周邊古建筑及運(yùn)營(yíng)線的影響.在周邊孔的布置中采用間隔裝藥的布置形式，減少周邊孔爆破對(duì)圍巖的損傷程度.上臺(tái)階炮孔布置示意圖如圖3所示，上斷面I和II分區(qū)爆破開挖參數(shù)表，分別見表1和表2.

圖3 上臺(tái)階Ⅰ、Ⅱ分區(qū)炮孔布置圖

表1 上斷面Ⅰ分區(qū)的爆破參數(shù)表

表2 上斷面Ⅱ分區(qū)的爆破參數(shù)表

2 爆破施工影響分析

2.1 分析模型及模型參數(shù)

為減少試爆次數(shù)，保證爆破設(shè)計(jì)方案的振動(dòng)危害控制效果，采用數(shù)值模擬方法對(duì)新大力寺隧道DK448+440～DK448+510爆破控制段爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行爆破振動(dòng)效果分析.所建模型根據(jù)大力寺段實(shí)際工況做適當(dāng)簡(jiǎn)化，地質(zhì)模型簡(jiǎn)化為120 m×70 m×71.5 m地質(zhì)體，地表與隧道拱頂間的距離取31.7 m.模型土層簡(jiǎn)化為地表、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、弱風(fēng)化灰?guī)r三層，如表3所示.有限元數(shù)值模擬模型和隧道斷面尺寸，如圖4和5所示.

圖4 爆破振動(dòng)影響數(shù)值模型

圖5 新大力寺隧道的斷面示意圖

表3 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)表

2.2 爆破荷載的計(jì)算

目前對(duì)隧道爆破模擬，普遍為針對(duì)某一段位進(jìn)行模擬分析，與當(dāng)前隧道常采用微差爆破技術(shù)進(jìn)行爆破不符[16-17].因此，傳統(tǒng)模擬分析方法未能考慮微差延時(shí)的減震效應(yīng)，使得模擬結(jié)果偏大.為更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)爆破地震效應(yīng)的影響，采用文獻(xiàn)[6]中考慮微差效應(yīng)的“群孔荷載模型”來(lái)反映爆破振動(dòng)效應(yīng).其中各炮孔起爆應(yīng)力的相互影響，可根據(jù)力等效原理將應(yīng)力波按一定比例均布于彈性邊界，此時(shí)隧道輪廓線的等效彈性邊界上考慮疊加效應(yīng)掏槽孔的等效時(shí)程爆破荷載為

(3)

式中：n為群孔起爆時(shí)該段位掏槽孔總數(shù)；r為破碎區(qū)半徑；掏槽段荷載等效時(shí)，l為等效彈性邊界周長(zhǎng).

由于非掏槽孔是在掏槽孔爆破后再次爆破，所以具有臨空面[18]，因此，本段也選用三角形荷載曲線來(lái)模擬非掏槽孔段的爆破荷載，得到在等效彈性邊界的時(shí)程荷載，為

(4)

式中：n是計(jì)算區(qū)域段位起爆時(shí)的炮孔數(shù)量；r是炮孔的破碎區(qū)的半徑；l是計(jì)算段位的炮孔中心連線總長(zhǎng).

升壓和作用時(shí)間的計(jì)算采用文獻(xiàn)[6]中經(jīng)驗(yàn)公式，爆破荷載的升壓時(shí)間為

(5)

爆破荷載的作用時(shí)間為

(6)

式中：R是距炮孔中心的距離；rb是爆破炮孔的半徑(r=R/rb)；μ是隧道圍巖的泊松比；K是巖石體積壓縮模量；Q是爆破時(shí)對(duì)應(yīng)段位上炮孔的裝藥量.

式(6)減去(5)即為卸荷時(shí)間。結(jié)合設(shè)計(jì)爆破參數(shù)確定Ⅰ和Ⅱ分區(qū)爆破等效荷載及作用時(shí)間如表4所示.

表4 上斷面Ⅰ和Ⅱ分區(qū)的爆破等效荷載和作用時(shí)間

2.3 爆破振動(dòng)影響模擬結(jié)果及分析

本次計(jì)算模型采用線性時(shí)程的求解類型，即對(duì)模型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行微分方程的逐步求解，通過(guò)分析，取分析時(shí)長(zhǎng)T=2.20 s，即為作用總時(shí)間與傳播時(shí)間之和，輸出結(jié)果間隔0.001 s，因此會(huì)產(chǎn)生時(shí)程步驟計(jì)算結(jié)果2 200個(gè).超過(guò)2.2 s后，爆破地震效應(yīng)對(duì)建筑物的影響可以忽略.因建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)距爆心距離較小，爆破過(guò)程受地震效應(yīng)影響較大，模擬分析應(yīng)重點(diǎn)討論模擬周邊建筑物最危險(xiǎn)點(diǎn)的影響，為爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考.

(1)隧道爆破對(duì)周圍巖體位移情況

由圖6和圖7各分區(qū)位移累計(jì)量云圖可知，Ⅰ分區(qū)爆破過(guò)程自由面較少，掏槽需克服夾制阻力較大，而Ⅱ分區(qū)爆破時(shí)已存在Ⅰ分區(qū)制造自由面，所需最大段藥量相對(duì)I分區(qū)有所減少，累計(jì)位移量Ⅱ分區(qū)也相對(duì)減小.且I分區(qū)最大位移主要集中在隧道中線處，最大累計(jì)位移量為1.96 cm，Ⅱ分區(qū)最大位移主要集中在中臺(tái)階上邊緣處，最大累計(jì)位移量為1.38 cm.

圖6 上斷面分區(qū)Ⅰ爆破時(shí)的位移云圖(單位：cm)

圖7 上斷面分區(qū)Ⅱ爆破時(shí)的位移云圖(單位：cm)

(2)隧道爆破對(duì)既有建筑影響的分析

由Ⅰ分區(qū)爆破測(cè)點(diǎn)水平和豎向速度時(shí)程曲線可知(見圖8)，Ⅰ分區(qū)第1段掏槽爆破引發(fā)振速峰值大于其他段位，主要是由于掏槽爆破較其他段位無(wú)更多補(bǔ)償空間，不利于巖石破碎，產(chǎn)生地震效應(yīng)較其他段位更為明顯；爆破等效荷載作用引起的測(cè)點(diǎn)水平振速和隨時(shí)間的衰減程度均小于豎直方向，但水平方向的振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間大于豎直方向.

由圖8和9對(duì)兩個(gè)分區(qū)速度時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)Ⅱ分區(qū)相對(duì)于Ⅰ分區(qū)的水平向振速與豎直向振速均有所減少，水平速度峰值與豎向速度峰值分別減小了6%和21%.這是因?yàn)棰蚍謪^(qū)隧道爆破具有Ⅰ分區(qū)所提供碎漲空間，提高了應(yīng)力波的反射拉伸作用和破巖效率，進(jìn)而使得二者的爆破荷載產(chǎn)生差異，Ⅱ分區(qū)相對(duì)于I分區(qū)爆破荷載有所減少.

圖8 上斷面分區(qū)Ⅰ爆破時(shí)測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線(單位：cm/s)

圖9 上斷面分區(qū)Ⅱ爆破時(shí)測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線(單位：cm/s)

通過(guò)以上分析可知，擬定爆破方案對(duì)鄰近古建筑的振動(dòng)影響較小，在規(guī)范要求安全界限以內(nèi)。Ⅰ分區(qū)爆破開挖時(shí)，掏槽部分需克服圍巖的夾制阻力所造成的地震效應(yīng)較大，但模擬測(cè)點(diǎn)振速峰值(1.86 cm/s)小于安全界限值(2.0 cm/s).相對(duì)于Ⅰ分區(qū)爆破開挖，Ⅱ分區(qū)的爆破所引起的振速更小，其中最大振速減小幅度更為明顯。因此，結(jié)合爆破控制區(qū)周邊建筑物布置特點(diǎn)及數(shù)值模擬結(jié)果，擬定設(shè)計(jì)方案可以滿足既有建筑物的振速控制要求.

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 監(jiān)測(cè)方案

在下穿既有建筑物隧道爆破施工過(guò)程中，爆破監(jiān)測(cè)可對(duì)下循環(huán)爆破方案設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo).通過(guò)爆破監(jiān)測(cè)能有效減小或避免地震效應(yīng)對(duì)既有建筑物的影響，保證爆破控制段施工安全.因此，采用中科院成都研究所研發(fā)的TC-4850增強(qiáng)型爆破測(cè)振儀.該測(cè)振儀有三個(gè)通道，可以同時(shí)采集3個(gè)不同方向的振速、頻率和持續(xù)時(shí)間.爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖10.

圖10 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 模擬及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為驗(yàn)證下穿隧道爆破振動(dòng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)爆破控制段建筑物監(jiān)測(cè)和模擬測(cè)點(diǎn)的豎向速度時(shí)程曲線進(jìn)行提取，并進(jìn)行對(duì)比分析，見圖11.

圖11 Ⅰ分區(qū)模擬與實(shí)測(cè)豎向振速對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，實(shí)測(cè)和模擬測(cè)點(diǎn)振速峰值及衰減規(guī)律具有很好的一致性.考慮工程地質(zhì)的復(fù)雜性和數(shù)值模擬理想化等因素，兩者在允許范圍內(nèi)存在一定的偏差是合理的.此外，由于數(shù)值模擬中忽略了巖體不均勻性和節(jié)理斷層等的影響，而實(shí)際隧道圍巖內(nèi)存在節(jié)理裂隙及軟弱夾層，導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過(guò)程中出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，抵消和損失部分能量，使得模擬振動(dòng)持時(shí)大于實(shí)際持時(shí).采用爆破設(shè)計(jì)方案所引起測(cè)點(diǎn)振速峰值為1.95 cm/s滿足規(guī)范設(shè)定安全振速控制要求；由Ⅰ、Ⅱ分區(qū)的水平和豎向速度時(shí)程曲線可知，豎向振速峰值最大，水平振速峰值相對(duì)較小，與現(xiàn)有研究對(duì)地震波傳播規(guī)律相符.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新大力寺隧道下穿既有寺廟段爆破控制段監(jiān)測(cè)和模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析所得系數(shù)更加符合施工段地震波衰減規(guī)律，能夠有效的指導(dǎo)爆破方案最大段藥量的設(shè)計(jì)；基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反分析，實(shí)時(shí)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)方案，科學(xué)指導(dǎo)隧道鄰近既有建(構(gòu))筑物隧道的爆破施工.

(2)由新大力寺隧道下穿寺廟爆破振動(dòng)影響數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，選定新大力寺隧道分區(qū)爆破方案，鄰近寺廟監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度1.95 cm/s，滿足規(guī)范要求振動(dòng)速度允許值；鄰近建筑物隧道爆破引起的既有建筑物地震效應(yīng)主要取決于掏槽爆破，掏槽方式的選擇及掏槽段藥量的設(shè)置是控制爆破的關(guān)鍵；通過(guò)數(shù)值方法對(duì)擬定方案進(jìn)行分析，能夠保證下穿既有建筑隧道施工更為高效和安全.

(3)在數(shù)值模擬隧道爆破開挖中，需考慮微差爆破對(duì)結(jié)果造成的影響.采用爆破荷載等效方法模擬結(jié)果表明，考慮微差效應(yīng)的等效荷載引起的振動(dòng)時(shí)程曲線與實(shí)測(cè)振動(dòng)變化規(guī)律相一致，曲線的波峰、波谷出現(xiàn)的數(shù)量、時(shí)間與實(shí)測(cè)情況基本一致，對(duì)爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義.