隧道爆破振動場中斷層對巖體遠場振動特性影響研究

黃 強

(中鐵十七局集團城市建設有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

爆破工程因其振動大、影響區域廣、危險系數高等特點，易造成工程失穩甚至危及周邊民眾安全。尤其在環境敏感區域，需要控制爆破地震強度以減輕對周圍建、構筑物的影響。微差爆破是通過控制炮孔按照事先規劃好的順序并以極短時間間隔起爆的。微差爆破能有效控制爆破導致的振動，從而保護周邊構筑物[1-3]。

愈來愈多的科研工作者通過試驗法、理論法等開展了一系列的研究。付天光等[4]以某采用礦山法施工的隧道工程為研究對象，通過現場監測獲得了逐孔起爆微差爆破施工下隧道圍巖的動力響應。基于此，針對該方法的關鍵技術進行了完善。李啟月等[5]利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道爆破施工模型，研究了數值分析中等效施加微差爆破荷載的機理，以此完善了爆破施工技術。凌同華等[6]通過建立三維數值模型，分析了隧道采用多段微差爆破法的動力響應。通過對加速度和頻率的分析，總結了振動信號頻帶能量分布特征。呂鑫等[7]以某公路隧道為工程背景，通過對隧道施工下的圍巖位移、加速度等現場監測，分析了微差爆破的降振作用。葉海旺等[8]通過有限元軟件建立了隧道爆破施工的三維模型，以隧道圍巖的位移、加速度等為指標，對比了不同巖體結構面工況的結果，獲得了爆破施工下不同巖體結構面對振動波傳播規律的影響。李新平等[9]以溪洛渡水電站出線豎井為研究對象，利用ABAQUS軟件建立三維數值模型，分析了爆破施工下豎井的振動響應，評估了爆破施工的安全性。張玉成等[10]通過數值手段，建立了隧道-建筑物數值模型，分析了爆破施工對臨近建筑物的影響，并總結了安全判據。其他學者[11-12]也通過不同的方式對微差爆破在隧道中的應用開展了研究。

以爆破隧道工程為研究對象，通過數值手段分析了隧道爆破施工引起的巖體的振動響應，并對斷層重要參數的影響規律進行探討。

2 工程概況

貴安新區核心區段地下空間及聯絡通道配套工程起點位于濱湖路，下穿碧桂園房產開發區、湖林鐵路、金馬大道、下壩村集體林地，終點位于中心大道(京安大道)星湖社區，共2站1.5區間，區間為單線雙洞暗挖法施工，地下空間為明挖法施工。即百馬路～金馬中路聯絡通道、金馬中路地下空間、金馬中路～東縱線聯絡通道、東縱線地下空間。本次研究對象為百馬路～金馬中路聯絡通道，聯絡通道圍巖多為Ⅳ、Ⅴ圍巖，以灰巖、白云巖為主，并穿越一寬度為12 m左右的斷層，斷層帶及附近巖石節理裂隙十分發育。該段隧道采用微差爆破法施工，單次掘進距離為1 m，炮孔進深和直徑分別為1.1 m和4.3 cm，炸藥藥卷直徑為3.3 cm。單次掘進所需炸藥量約105 kg。

3 三維有限元模型

3.1 有限元模型

依據地勘資料和隧道設計資料，建立寬度為120 m、縱深為130 m、高度為125 m的三維數值模型，如圖1所示。建模時斷層設置為90°，與隧道進深相互垂直。模型四周采用無限遠邊界、模型底部采用固定邊界、模型頂部采用自由邊界。炸藥爆破點設置在西線隧洞四周，居斷層中間。爆破荷載均布于隧道四周，見圖2。

圖1 整體模型

圖2 爆破荷載

3.2 模型參數

根據地勘報告，表1給出了巖體的參數指標。

表1 巖體物理力學指標

3.3 爆破荷載的模擬

爆炸荷載模擬為三角形脈沖波，爆破時長設置為7 ms，爆破荷載上升時長和下降時長分別設為2 ms和5 ms。表2給出了爆破的相關參數。

表2 爆破參數

4 數值模擬結果及分析

4.1 遠場振動的各向最大振速衰減規律

圖3給出了模型觀測點布置圖，以隧道掌子面拱頂所對應的地表為原點(O點)，沿隧道縱深方向(軸向)和垂直縱深方向(橫向)進行觀測、觀測點間隔3 m。V1和V1max分別定義為坐標1方向的振動速度和振動速度峰值、V2和V2max分別為坐標2方向的振動速度和振動速度峰值、V3和V3max分別為坐標1方向的振動速度和振動速度峰值、Vmax為觀測點總振動速度峰值。

圖3 觀測點布置

本節分析隧道爆破施工引起的圍巖的振動響應，模型中未設置斷層。圖4給出了觀測點總振動速度峰值Vmax和三個方向上的振動速度峰值V1max、V2max和V3max的變化曲線。其中L為原點與觀測點在縱深方向上的距離，H為原點與觀測點在垂直縱深方向上的距離。

圖4 觀測點振動響應曲線

從圖4中可以看出，觀測點振動速度峰值沿著隧道軸向呈先減小后增大的趨勢，L＝15 m處觀測點處Vmax＝1.18 cm/s，較原點處觀測點處Vmax值減小了近20%，可見隧道施工對其有較為明顯的影響。隧道橫向觀測點振動速度峰值隨H的增大而逐漸減小，H＝60 m處觀測點處Vmax較H＝0 m處觀測點處Vmax值減小了約60%，可見隧道施工引起的影響較大。隨著H的增大，V1max值先略微減小隨后逐漸增大，當H超過35 m后，V1max值隨著距離逐漸衰減。V1max值在H＝35 m處較原點處增大了約36%。而觀測點振動速度峰值在軸向上呈逐漸減小的趨勢，且總體比橫向上振動響應大。進一步觀察，V1max在原點附近波動劇烈，說明隧道爆破施工在掌子面附近引起的振動波傳播具有隨機性。如圖4c所示，軸向上觀測點振動速度峰值V2max隨L的增大呈先減小后增大趨勢，而橫向上觀測點振動速度峰值V2max隨距離逐漸衰減，可見已開挖隧道對其影響有限。觀察V3max變化曲線可知，隧道爆破開挖對軸向觀測點V3max的影響較橫向觀測點V3max的影響更為顯著。

4.2 斷層彈性模量對巖體遠場振動特性影響分析

斷層內部含有大量碎塊眼巖，且節理裂隙發育，圍巖巖體出現張拉破壞現象，嚴重影響斷層圍巖的彈性模量。為研究斷層不同彈性模量下隧道爆破引起的振動響應影響，建立三種彈性模量工況:Ef＝0.5Er、Ef＝0.73Er和Ef＝1.0Er(其中Ef＝0.5Er為本工程工況；Ef為斷層彈性模量，Er為巖體完整狀態的彈性模量)。圖5給出了觀測點振動速度峰值變化曲線。L＝6 m為斷層邊界。從圖中可以看出，不同彈性模量下振動速度變化規律一致，都呈先減小后增大再衰減的趨勢。當斷層彈性模量越低，爆破引起的振動響應越大，且振動響應衰減更快。

圖5 觀測點振動速度峰值變化曲線

圖6給出了不同彈性模量下V2max/V3max隨距離的變化曲線(定義N＝V2max/V3max，下同)。從圖中可以看出，N值隨著L距離的增大呈先減小后緩慢增大的趨勢。另一方面，隨著斷層彈性模量的減小，N值總體呈減小趨勢，但當L距離很大時，這種由彈性模量引起的影響越來越弱。當Ef＝1.0Er時，N值小于1(即V2max＜V3max)所對應的L∥λ范圍很小；當Ef＝0.73Er時，N值小于1所對應的L∥λ范圍增大為4.3 ×10-3≤L/λ≤11.4 ×10-3；當Ef＝0.5Er時，這種范圍進一步擴大。可見，隨著斷層彈性模量的減小，V2max＜V3max的區域越來越大。

圖6 不同斷層彈性模量下V2max/V3max變化曲線

圖7給出了不同彈性模量下V2max/V1max隨距離的變化曲線(定義M＝V2max/V1max，下同)。從圖中可以看出，不管斷層彈性模量大小，M值均大于1，可見軸向上觀測點的豎向振動速度峰值V2max均比徑向振動速度峰值V1max大。M值隨著L/λ的增大總體呈波動上升趨勢，這主要是因為軸向觀測點徑向振動速度峰值具有隨機波動性。

圖7 不同斷層彈性模量的V2max/V1max變化曲線

4.3 斷層寬度對巖體遠場振動特性影響分析

為研究不同斷層寬度下隧道爆破引起的振動響應影響，建立三種彈性模量工況:B＝6 m、B＝12 m和B＝24 m(其中B＝12 m為本工程工況)。圖8給出了觀測點振動速度峰值變化曲線。從圖中可以看出，在斷層范圍內，斷層寬度對巖體振動響應有顯著影響。當斷層寬度為6 m時，第一個駐點處的振動速度峰值較原點處衰減了約10%；當斷層寬度為12 m時，衰減幅度增大到約27%；當斷層寬度為24 m時，衰減幅度進一步增大到約31%。可見，隨著斷層寬度的增大，振動響應衰減更快，且在斷層范圍內波動性更大。

圖8 不同斷層寬度下振動速度峰值變化曲線

圖9給出了不同斷層寬度下V2max/V3max隨距離的變化曲線。從圖中可以看出，不同斷層寬度下N值的變化規律基本一致:隨著L距離的增大，N值先迅速減小，L/λ在7.5×10-3附近達到極小值；隨后迅速增大，L/λ在19×10-3附近達到極大值。進一步觀察可以發現，斷層寬度對巖體振動響應的影響主要集中在掌子面附近；斷層寬度越寬，影響越顯著。

圖9 不同斷層寬度下V2max/V3max變化曲線

圖10給出了不同斷層寬度下V2max/V1max隨距離的變化曲線。從圖中可以看出，軸向上觀測點的豎向振動速度峰值V2max同樣均比徑向振動速度峰值V1max大。且M值隨著L/λ的增大總體呈先增大后減小的趨勢；此外，隨著斷層寬度的減小，曲線的波動性更為顯著。

圖10 不同斷層寬度的V2max/V1max變化曲線

5 結論

以穿過斷層的聯絡通道爆破工程為背景，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了爆炸振動波在巖體中的遠場振動規律。系統研究了斷層彈性模量、斷層寬度的影響。得到以下主要結論:

(1)隧道軸向上觀測點振動速度峰值呈先減小后增大的趨勢，橫向觀測點振動速度峰值隨H的增大而逐漸減小。兩個觀測方向上V3max值均大于V1max值，且爆破作用下掌子面附近圍巖波動性更顯著，尤其是V1。

(2)不同彈性模量下振動速度變化規律一致，都呈先減小后增大再衰減的趨勢。當斷層彈性模量越低，爆破引起的振動響應越大，且振動響應衰減更快。隨著斷層彈性模量的減小，V2max/V3max值逐漸減小，且V2max＜V3max的區域越來越大。

(3)隨著斷層寬度的增大，振動響應衰減更快，且在斷層范圍內波動性更大。且斷層范圍內，斷層寬度對巖體振動響應有顯著影響。

(4)不同斷層寬度下，N值隨著L距離的增大先迅速減小后迅速增大。斷層寬度對巖體振動響應的影響主要集中在掌子面附近。斷層寬度越寬，影響越顯著。