泄水洞爆破施工對臨近隧道結構的影響與控制研究

賀偉奇 HE Wei-qi

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050081）

0 引言

麻拉寨隧道位于貴州省麻江縣境內，洞身穿越多處可溶巖地層，巖溶較發育。由于集中徑流帶的溶蝕裂隙排泄能力有限，暴雨期間裂隙水頭急劇抬升，水壓增大，從而造成隧道底中心水溝及邊墻等薄弱部位局部破裂涌水[1]。為降低運營期間水害風險，確保隧道襯砌結構及長期運營的安全，于左線線路中線左側新增泄水洞一座，起到排水降壓作用。泄水洞的起點里程為XSD1K609+456，終點里程為XSD1K610+950，全長1494m。泄水洞洞身與隧道平行，于XSD1K609+850處左偏，在XSD1K609+456處溝槽出洞。泄水洞與隧道的位置關系見圖1。

泄水洞開挖采用光面爆破，進行鉆爆設計時，需嚴格控制裝藥參數，除了減少自身的超欠挖，還要降低爆破振動對隧道內襯砌結構及接觸網的影響，確保不發生破壞。

關于臨近既有隧道進行爆破施工，張文新、李順波等人已經進行過相關研究[2，3]。論文以麻拉寨泄水洞爆破施工為背景，通過現場測振與數值模擬，研究隧道襯砌結構的應力、位移、振速分布情況和圍巖中振速的衰減規律，并以此對集水廊道的最大單段藥量進行優化，降低振速影響，為項目的安全施工提供參考。

1 現場測振分析

本次監測位置選取Ⅳ級圍巖分布段。泄水洞正洞進行爆破開挖時，在隧道同里程位置迎爆側靠近拱腳處布置測振傳感器，X方向與襯砌面垂直、水平指向爆源，Y方向與隧道軸線一致，Z方向垂直向上。泄水洞爆破后，最大振速在X方向上，為1.28cm/s，Y方向振速為0.88cm/s，Z方向振速為0.68cm/s，均低于設計要求振速5cm/s（考慮到隧道內接觸網的安全，要求振速降低為3.5cm/s，并以2.5cm/s作為預警值），能夠保證隧道內混凝土襯砌結構和其他設備的安全。振動過程中出現多個波形，且最大振速出現在較早時刻，表明掏槽爆破的最大單段藥量對振速的峰值起主導作用。

2 數值模擬研究

2.1 構建有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA非線性有限元程序進行數值模擬。考慮到實際爆破環境的復雜性，在建模過程中需要進行必要的處理[4]：①將圍巖視為各向同性的連續均勻介質；②結合爆破設計方案，將采用最大單段藥量的掏槽眼簡化為11cm×11cm×300cm的方形炮孔布置在斷面中心，其中裝藥段為150cm，炸藥量共18kg；③采用cm-g-us單位制，其他物理量單位均由cm-g-us轉換而來。

模型建立后，總體尺寸為7200cm×3200cm×4000cm，共劃分45萬個單元，如圖2所示。

2.2 材料模型及參數

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態方程模擬巖石乳化炸藥爆炸過程，各參數見表1；圍巖以灰巖為主，采用PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料，各參數見表2；混凝土襯砌結構離爆源較遠，采用ELASTIC彈性材料，密度取2.40g/cm3，彈性模量取30GPa，泊松比取0.20。

表1 炸藥參數

表2 圍巖主要參數

2.3 模擬結果分析

2.3.1 模擬可靠性分析

參照現場測振的布點位置，提取模擬中相同位置的X、Y、Z方向最大振速值分別為1.36cm/s、0.60cm/s、0.38cm/s。與現場測振數據比較，X方向最大振速相近，Y、Z方向振速較小。通過分析，與傳感器布置在排水管溝的溝沿上，未固定在襯砌表面有關。總體上誤差在允許范圍內，從而證明了數值模擬的可靠性和準確性。

2.3.2 應力分析

為明確應力波對襯砌的影響，需要分析不同時刻的襯砌最大應力云圖。限于篇幅，僅截取20ms時應力云圖如圖3所示，并在拱腳處選取310638#單元，提取應力時程曲線如圖4所示。

分析可知，應力波在17ms到達迎爆側拱腰處，以壓應力為主，僅為1.53E-4MPa。至20ms，襯砌中出現拉應力，且大于壓應力，為7.72E-3MPa。隨后應力峰值向四周傳播，在襯砌下部的拱腳處出現較大的拉應力集中，至26ms時達到最大值0.105MPa。由于混凝土抗拉強度大于1.5MPa，因此爆破產生的應力對襯砌結構影響較小。

2.3.3 位移分析

泄水洞爆破可能引起隧道位移變形，為了明確變形程度和發展規律，需要分析不同時刻的襯砌合位移云圖。限于篇幅，僅截取20ms時合位移云圖如圖5所示，并在迎爆側拱腰處選取317819#單元，提取合位移時程曲線如圖6所示。

分析可知，最大位移首先發生在迎爆側拱腰中心處，隨后沿隧道軸線向兩側移動。襯砌位移值呈周期性變化，最大約為1E-3cm，最終逐漸衰減至0。因此由爆破引起的襯砌位移變形對結構穩定性影響較小。

2.3.4 振速分析

2.3.4.1 襯砌最大振速區域分析

在泄水洞裝藥端對應的隧道斷面上，選取拱頂、迎爆側拱腰上部、迎爆側拱腰中心、迎爆側拱腳、拱底處共5個測點進行分析，各測點的振速計算結果見表3。

表3 隧道斷面測點振動速度統計表

由表3可知，在拱腰和拱腳處，X方向振速為最大值，在拱頂和拱底，Y方向振速大于X方向。所有測點中，Z方向振速均為最小值。分析可知，振速最大區域位于拱腰中心和拱腳之間。

2.3.4.2 圍巖中振速衰減規律分析

為明確圍巖中振動速度的衰減規律，在爆源與隧道襯砌振速最大區域之間選取5個測點提取其振速峰值，見表4。由于爆源與振速最大區域的高程差較小，運用公式進行回歸分析時不予考慮，最后得出最大單段藥量、爆心距與振速的關系。

表4 各測點爆心距與振速

測點距爆源較遠時，可采用薩道夫斯基公式擬合最大單段藥量、爆心距與振速之間的關系[5]。將數據帶入公式，回歸分析后可得K=162.73，α=1.96，具體表示為：

另外，測點5振速小于距爆源較遠的襯砌最大振速，分析可知，主要是由混凝土襯砌的彈性模量大于圍巖造成。

3 集水廊道最大單段藥量優化

泄水洞施工至K610+410里程后，垂直洞身開挖集水廊道，掌子面距離隧道襯砌結構由35m逐漸減小至5m。結合上述薩道夫斯基公式，根據掌子面至襯砌距離劃分為35～20m、20～10m、10～7m、7～5m四個區段，并分別采用不同的最大單段藥量見表5，能夠確保振速峰值控制在安全值3.5cm/s以下。

表5 不同區段最大單段藥量與振速預測

4 結論

通過對比數值模擬結果與現場測振數據，驗證了數值模擬的可靠性和準確性，進而分析應力、位移、振速多個參數，得出以下結論，為項目的安全施工提供理論依據。

①迎爆側襯砌的拱腳處出現較大的拉應力集中，最大值為0.105MPa，小于混凝土抗拉強度，爆破產生的應力對襯砌結構影響較小；

②由爆破引起的襯砌位移最大值為1E-3cm，并且呈周期性增大，最終逐漸衰減至0，因此不影響襯砌結構的穩定性；

③泄水洞正洞爆破時，隧道襯砌的最大振速出現在與裝藥底部對應的拱腰中心至拱腳之間的區域，約為1.56cm/s，小于安全振速，能夠保證隧道結構及設備的安全。爆破振動在圍巖中的衰減規律可用以下公式來表示：

④針對集水廊道爆破的最大單段藥量，采用分區段、逐段減少的方法，能夠確保振速峰值控制在3.5cm/s以下。爆破施工后應根據實測數據對公式進行調整，為后續判斷提供準確依據。