連拱隧道爆破振動響應與減振技術研究

和振海 孫印國 羅忠榮 姜成業 于建新

(云南勐綠高速公路投資開發有限公司1) 普洱 665000) (中鐵開發投資集團有限公司2) 昆明 650500) (中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室3) 武漢 430071) (中國科學院大學4) 北京 100000) (河南理工大學土木工程學院5) 焦作 454003)

0 引 言

連拱隧道可以有效利用空間資源，但也面臨著一些施工難題，尤其是鉆爆法施工對中隔墻及臨近隧道結構的振動問題.

目前，國內外學者對小間距隧道爆破振動開展了大量監測與分析.Feng等[1-2]通過超聲波試驗發現：先行開挖隧道中間巖體的破壞范圍在1.2～1.4 m，后行開挖隧道中間巖石的破壞范圍約為先行開挖隧道的1.71～1.83倍.王春梅[3]對間距15.8～30.6 m的隧道進行了爆破振動監測，將爆破振動對隧道襯砌安全性影響分為4級.趙明階等[4]研究表明：掏槽眼爆破引起的振動最大，不同類別的圍巖應力波衰減均可用薩式公式擬合.王繼槐等[5]運用瞬態動力學基本理論分析得出：全斷面施工對既有隧道的影響大于臺階法施工；隧道爆破開挖對既有隧道迎爆側的邊墻影響最大；爆破對既有隧道的振速與應力的影響與隧道間距密切相關.Song等[6]將傳統爆破技術與預切削工藝相結合，通過模擬得出：隨著預切削自由面深度的增加，爆破振動速度明顯減小，開挖損傷深度較淺.徐世祥等[7]通過LS-DYNA建立三維隧道計算模型并結合現場數據進行驗證，當最大齊發藥量達到2 kg時，爆破對臨近隧道產生的最大拉應力為1.28 MPa，最大壓應力為2.73 MPa.譚忠盛等[8]通過DYNA-2D研究了復線隧道爆破對既有隧道的影響，得出了既有隧道迎爆側直墻中部和上部主要以拉伸破壞為主，迎爆側底板剪切應力較大，并指出迎爆直墻應進行降振加固.杜峰等[9]通過三車道大斷面小凈距隧道的研究，在施工中應保持后行洞與先行洞隧道二襯距離至少10 m，以減小爆破對二襯拉伸的破壞.李飛等[10]運用仿真軟件進行起爆加載，模擬了不同裝藥量對既有隧道的影響，得到了隧道迎爆側底板剪應力較大的結論.岳旭光等[11]研究表明：既有隧道迎爆側拱腰部位是振速峰值、位移最大值的發生區，隧道間距小于12 m施工時，應適當減小開挖進尺以減弱對既有隧道的影響.吳進科等[12]研究了不同施工工序后行隧道對先行隧道的影響，獲得了小間距隧道應力集中易出現的部位，以及隧道質點最大振動速度出現的部位，及對危險部位的加固與監測.孫振等[13]通過數值模擬發現：單排和雙排減震孔布置減震率低，在小間距隧道爆破中雙排梅花形減震孔布置效果較好.

文中以某復合式連拱隧道為背景，采用上下臺階法爆破施工，結合ANSYS/LS-DYNA建立數值仿真模型，分析后行洞在不同爆破方案、不同進尺爆破對先行洞及中隔墻的影響規律，并提出采用設置隔振層進行控制減振.

1 工程概況

云南某復合式連拱隧道全長130 m，為短隧道，最大埋深39.580 m.隧道區海拔高程介于1 214.082～1 250.341 m，相對高差36.259 m.隧道左洞采用超前小導管注漿加固，右洞為錨桿加鋼拱架支護，為減小后行洞爆破對先行洞的影響，在連拱處提高支護強度，增設鋼筋網和EVA泡沫減振層.支護形式具體為：錨桿(小導管)按梅花形布置，沿徑向設置，并考慮與巖層層面的關系.基地加設注漿小導管，并注漿.注漿材料采用水泥漿，水灰比0.5∶1～1∶1，注漿壓力為0.6～1.0 MPa.鋼筋網待開挖面初噴2 cm混凝土后進行設置，并緊貼噴混凝土面掛設，其設置范圍為拱部及邊墻.隧道開挖后及時做初期支護，初期支護采用鋼架，支護參數見圖1.

圖1 連拱隧道橫截面圖 (單位：cm)

圖2為施工程序示意圖.該連拱隧道左洞為先行洞，右洞為后行洞.左洞開挖后，進行初期支護，并對左洞仰拱進行二次襯砌、仰拱填充.左、右幅先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不得小于40 m.左、右洞中下臺階兩側開挖錯開，錯開長度為5～10 m.

圖2 施工程序示意圖

隧道采用上下臺階預留核心土法施工，以便更好地控制爆破振動，先行洞與后行洞掌子面相差至少120 m.右洞(后行洞)施工具體步驟：①右洞上臺階開挖；②右洞上臺階初期支護；③右洞上臺階核心土開挖；④右洞下臺階開挖；⑤右洞下臺階初期支護；⑥澆筑右洞仰拱二次襯砌、仰拱填充；⑦鋪設防水層、澆筑右洞拱墻二次襯砌.現場采用光面爆破，1～19段非電毫秒雷管和塑料導爆管起爆，周邊眼采用25 mm小直徑藥卷不耦合裝藥方式，其余炮眼采用連續裝藥，富水地段采用乳化防水炸藥，廠制炮泥堵塞，炮孔布置見圖3，爆破參數見表1～2.

圖3 爆破方案

表1 Ⅳ級圍巖上臺階爆破參數

表2 Ⅳ級圍巖下臺階1.2 m進尺爆破參數

2 連拱隧道的建模與求解

2.1 隔振層的設計

連拱小間距隧道相距較近，爆破施工時不免造成已建成隧道的振動，為減小振動，在已開挖隧道內增加隔振層進行減振.經過初期的建模計算發現，3 cm減振層減振效果不明顯，故建模分別設計5與8 cm減振層厚度來對比分析減振效果，選取最優的設計方案.

采用ANSYS/LS-DYNA進行臨近小間距隧道的爆破模擬.模型尺寸根據工程實際尺寸相似原則建立，模型為直角梯形，寬85.36 m，短邊高52 m，高邊高89.18 m，長20 m.前后兩面沿隧道軸向加約束，左右兩面和底面加非反射邊界條件，上面為自由面.隔振層在已開挖隧道初襯和二襯交界處，采用泡沫塑料填充.1.2 m進尺爆破方案，各段裝藥量分別為20.32，6.22，12.4，9.33 kg；建模時如若按實際爆破方案，整個爆破時間較長，計算量大，考慮到各段爆破應相互不影響，各段間隔設為25 ms.裝藥結構堵塞長度為0.6 m；整體模型采用不等距網格劃分，隧道及中隔墻劃分較細.

2.2 模型參數的選取

巖石采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，該模型適用于各向同性和運動塑性硬化模型，具體參數見表3.

表3 巖石主要力學參數

初期支護、支護加強區、超前小導管加固區域及二次襯砌的參數，依照文獻[14]中支護指標進行選取，材料模型選取MAT_PLASTIC_KINEMATIC.隔振層泡沫材料采用MAT_SOIL_AND_FOAM狀態方程確定，可在模擬過程中對固氣二相介質的耦合問題進行有效的描述，材料密度為1.8 g/cm3，彈性模量為1.601×107Pa.

3 連拱隧道爆破振動控制與減振

3.1 上臺階爆破對中墻隧道振動的影響

由于現場圍巖條件較差，采用環形開挖預留核心土分部爆破開挖的施工方法，主要研究上下臺階爆破開挖對先行洞的影響.

王明年等[15]研究小間距隧道爆破對臨近隧道的影響時，認為在爆破監測過程中，振速指標是一個比較嚴格的指標，因此在選擇分析對象時，主要針對振速進行分析.選擇與炸藥中心在同一水平面上(即xy平面)上的隧道截面進行分析，見圖4，首先在截面上選取A、B、C、D、E、F、G、H等8個位置上的單元節點，對整個隧道截面進行整體振速分析，并研究隔振層后對先行隧道二襯的振動影響，見圖5.

圖4 隧道斷面測點選取位置圖

圖5 隧道橫截面不同位置測點振速時程曲線

由圖5可知：1.2 m進尺爆破各位置振動速度大小由大到小依次為：VA>VB>VH>VC>VD>VG>VE>VF，可知振動速度大小的變化規律是從先行洞迎爆側向拱頂和拱腳轉移，最后在左拱腳處，振動速度降到最小.A測點到爆點距離最近，受到最強的應力波即振速最大，X方向振速為66.9 cm/s.同理，應力波隨距離而減小致使F測點位置振速最小，X方向振速為1.22 cm/s.研究表明不同位置處，不同的炸藥段數造成的振動影響不同.

3.2 上臺階不同爆破方案下最大振速的對比分析

分別對比分析1.2 m進尺與0.6 m進尺爆破方案下，后行洞爆破對先行洞的影響.由于迎爆側振動速度較大，主要從隧道迎爆側選取振動速度最大的測點進行對比.0.6 m進尺振動速度最大的測點在距離底板4.07 m處，1.2進尺振動速度最大的測點在距離底板4.2 m處.由于爆破引起臨近結構X向振速最大，對比分析兩種進尺下X向振速時程曲線，見圖6.

圖6 不同進尺下最大振速時程對比圖

由圖6可知：兩種爆破方案最大振動速度出現的位置相近，都在中隔墻頂端處，其中1.2 m進尺的最大振速位置略高于0.6 m進尺.0.6 m進尺最大振動速度為9.6 cm/s，而1.2m進尺最大振動速度為66.9 cm/s.1.2 m進尺裝藥量為0.6 m進尺的1.22倍，最大振動速度為0.6 m進尺的9.1倍，因起爆能量不同，先行洞的巖體受到應力波擾動大小也隨之不同，所以為確保先行洞巖體的擾動安全需嚴格進尺與裝藥量.

3.3 上臺階與下臺階爆破對連拱隧道的影響

下臺階爆破是在上臺階爆破施工后進行的爆破，有較大的自由面導致應力波的反射消散，爆破能量可以進行充分的釋放，即對臨近隧道造成的振動較小，1.2 m進尺上下臺階爆破振動的對比，見圖7.

圖7 上下臺階1.2 m進尺下最大振速對比

由圖7可知：下臺階爆破振動速度明顯小于上臺階.對比選取的八個測點，上臺階最大振動速度出現在A點，為66.9 cm/s，下臺階最大振動速度同樣出現在A點，為25.7 cm/s；上臺階最小振動速度F點處為1.59 cm/s，下臺階最小振動速度出現在E點處，為1.17 cm/s.在上下臺階爆破開挖時，下臺階由于自由面的存在，臨近隧道襯砌的振動較小，應重點監測上臺階爆破開挖對臨近隧道的振動影響.

3.4 隔振層參數對復合式中墻隧道爆破振動的影響

由于兩隧道采用復合式中墻設計，相距較近，通過以上分析計算，后行洞爆破對先行洞影響較大，需在控制爆破進尺的同時，采取一定的減振技術措施，因此，在初襯與二襯之間設置隔振層，減小爆破振動的影響，采用兩種隔振層厚度(5，8 cm)進行計算，不同隔振層參數下的振動速度時程曲線見圖8.

圖8 不同隔振厚度下振速時程曲線

由圖8可知：5和8 cm的減振層對于振動速度的減振具有非常明顯的效果.未加隔振層時，A點最大振速為66.9 cm/s，加上5 cm的減振層后，速度降到6.63 cm/s，降低了10倍多.采用8 cm減振層，速度降到4.48 cm/s，減振效果顯著.

圖9為不同隔振層的減振效果.由圖9可知：兩種隔振厚度下，最大振動速度出現的位置沒有太大變化，在5 cm的隔振厚度下，最大振動速度為13.3 cm/s，能控制在15 cm/s以內.在8 cm的隔振厚度下，最大振動速度為9.35 cm/s，降至10 cm/s以內，留有極大的安全空間.由此可見，增加隔振層厚度能明顯降低振動速度，能夠保證施工的順利實施.

圖9 不同隔振層的減振效果

4 結 論

1) 連拱隧道后行洞爆破引起先行洞的振動速度，從先行洞迎爆側邊墻向拱頂和拱腳轉移，背爆側拱腳處，振動速度最小.

2) 0.6 m進尺和1.2 m進尺爆破方案引起的最大振動速度均出現在迎爆側中隔墻頂端處，控制爆破的重點為裝藥量.

3) 下臺階由于自由面的存在，引起連拱隧道先行洞襯砌結構的振動較上臺階小，爆破振動監測的重點為上臺階爆破開挖.

4) 采用初襯與二襯之間設置隔振層的措施，可以有效減小爆破振動，5 cm厚減振層可降減振10倍，8 cm減振層可將振動速度降到5 cm/s以內，可以通過設置合理厚度的隔振層達到減振的效果.