隧道爆破對臨近特高壓鐵塔影響研究

王 炎，沈曉莉，陳金苗，曹成杰

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江存真土木工程技術有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著我國經濟的快速發展，城際交通網日益發達，高速鐵路建設快速發展，施工過程中通常伴隨著山區復雜環境下的隧道工程。在隧道爆破掘進過程中，隧道往往會臨近或下穿一些重要的地表敏感性建筑物，并在一定程度上引起地表建筑物的振動，當建筑物振速達到臨界值，會形成不同程度的損壞[1- 5]。針對隧道爆破對周邊建筑物的影響問題，許多學者進行了相關的研究。如王佳輝等[6]結合某隧道爆破工程，采用Midas/GTS建立有限元模型，對引水渠振速進行現場監測，并將結果與數值模擬結果進行對比，結果表明：引水渠豎直方向振動速度最大，水平垂向最小。武澤等[7]結合某隧道爆破工程，利用LS-DYNA建立有限元模型，研究爆破施工對周圍埋地管道的影響，結果表明：相比于國外類似工程的經驗數值，埋地管道的振動速度較低，且數值模擬得到的管道各項動態響應小于管道強度。樊浩博等[8]結合某隧道工程，采用數值模擬的方法對臨近建筑物的振動進行了監測，結果表明：建筑物的豎直方向振動速度遠大于水平方向，且隨著時間和爆心距的增大，振動速度迅速衰減。茶增云等[9]結合某隧道工程，通過將現場實測數據與數值模擬結果相結合，研究連拱隧道中后行洞爆破施工過程中對先行洞的影響。結果表明：建立的離散元模型可以反映工程實際，且后行洞施工會對先行洞產生一定影響，需在施工中控制炸藥量。

上述研究均是針對低層建筑結構進行研究，對于例如高壓鐵塔這種的高聳建筑研究較少。當隧道臨近高壓輸電鐵塔時，爆破會使地表的高壓鐵塔塔基產生振動，甚至導致鐵塔結構失穩，所以研究隧道爆破對臨近高壓鐵塔的影響有重大意義。肖欣欣等[10]結合某隧道工程，采用FLAC3D進行數值模擬，重點研究分析了鐵塔塔基的沉降及振動速度；伍岳等[11]結合某高速公路隧道工程，對公路旁臨近的高壓鐵塔塔基振動進行了現場監測，重點研究了高壓鐵塔的振動響應特征。上述研究對避免爆破誘發地表鐵塔塔基震動失穩有重大貢獻，但是目前國內外針對多座、近距離、特高壓鐵塔爆破控制的研究較少，本文結合杭溫鐵路郎家畈隧道工程項目，根據薩道夫斯基公式，以鐵塔與爆源直線距離最近、單響炸藥量最大為最不利工況，采用Midas/GTS有限元軟件建立二維模型，并結合現場監測振速，研究隧道爆破對臨近兩座特高壓鐵塔和一座高壓鐵塔的影響，為今后類似研究提供一些理論依據。

1 工程概況

新建杭溫鐵路郎家畈隧道段位于金華市浦江縣檀溪鎮上河村，正線施工里程DK91+675.19～DK92+143.27，全長467.18m，隧道圍巖Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分布。進出口洞門分別長19.81、18m，隧道進口靠近壺源江大橋，出口連接上河中橋。從進口掘進施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用鉆爆法開挖。各作業面分別配備大型機械作業。開挖采用鉆爆法掘進，Ⅲ級圍巖采用臺階法施工，Ⅳ級圍巖采用三臺階法施工，Ⅴ級圍巖采用三臺階臨時仰拱法施工。

隧道線路東南側有1000kV電力鐵塔2座，500kV電力鐵塔1座，1#—2#電力鐵塔屬于浙北-福州特高壓交流輸變電線路，塔型為酒杯塔，塔高91.6m。3#電力鐵塔塔型為干字塔，塔高66m(為表示方便本文沿隧道施工方向將3座電力鐵塔記為1#—3#)，隧道和鐵塔具體相對位置關系如圖1所示。1#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為38.92m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為32.47m，與隧道的最小直線距離約為58.79m；2#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為84.78m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為62.55m，與隧道的最小直線距離約為105.36m；3#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為41.16m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為18.94m，與隧道的最小直線距離約為45.31m。隧道與鐵塔相對位置關系剖面圖如圖2所示。

圖1 隧道與鐵塔位置示意圖

圖2 電力鐵塔與隧道相對位置剖面圖

2 爆破振動監測

2.1 監測方案

實際工程中在3座鐵塔塔基上分別布置1個振動監測點，安裝三軸振動傳感器。監測使用的是L20-N數據采集設備及配套軟件，采集精度高，可滿足本工程監測需求。為了保證采集到的振動信號的有效性和振動波形的完整性，設置的觸發電平為0.5mm/s，采樣頻率2000Hz，監測周期2s。監測點布置如圖3所示，R為鐵塔塔基測點和隧道爆心的直線距離，即爆心距。

圖3 監測點布置圖

2.2 監測結果分析

由于1#鐵塔剖面圍巖等級為Ⅴ級，在施工設計中，下臺階爆破單響藥量設計值最大，故考慮1#鐵塔正下方、下臺階爆破時為最不利工況。2#鐵塔和3#鐵塔剖面圍巖等級為Ⅲ級，在施工設計中，上臺階爆破單響藥量設計值最大，故考慮2#鐵塔和3#鐵塔正下方、上臺階爆破時為最不利工況。因此提取1#鐵塔下臺、2#鐵塔和3#鐵塔上臺爆破時，3座鐵塔水平爆心距為50、40、30、20、10、0m處塔基的監測數據，結果見表1。

表1 鐵塔最大振速結果統計表

由表1可看出在爆心距為50m時，1#鐵塔塔基振動速度為0.0625cm/s，在爆心距為0m時，1#鐵塔塔基振動速度最為0.1929cm/s；2#鐵塔塔基振動速度為0.1381cm/s，在爆心距為0m時，2#鐵塔塔基振動速度最為0.4721cm/s；3#鐵塔塔基振動速度為0.4033cm/s，在爆心距為0m時，3#鐵塔塔基振動速度最為1.2657cm/s；3座鐵塔的塔基振速均遠小于GB 6722—2014《爆破安全規程》規定的安全允許振速2.5cm/s，可知爆破振動對高壓鐵塔的影響較小，3座鐵塔處于安全狀態證明爆破方案合理可行。

爆破振動速度隧爆心距的變化規律如圖4所示。由圖可知隨著爆心距的增大，各塔塔基最大振動速度均呈減小趨勢，說明各塔塔基振動速度隨水平爆心距的減小而增大。水平爆心距越近，振動速度衰減越快，水平爆心距越遠，振動速度衰減越慢。相比1#鐵塔、2#鐵塔，3#塔最大振速隨爆心距變化趨勢較為明顯;同時，在相同炸藥量的情況下，距離隧道爆破掌子面直線距離更近的3#鐵塔塔基振速明顯大于2#鐵塔塔基，表明在現場應重點關注3#電力鐵塔的結構安全。

圖4 監測點布置圖

3 數值模型及荷載

3.1 數值模型與參數

為進一步分析郎家畈隧道爆破振動對高壓鐵塔的影響，采用Midas/GTS對隧道爆破開挖進行二維模擬。計算剖面選取各電力鐵塔與郎家畈隧道對應橫斷面，模型尺寸根據隧道及輸電鐵塔的斷面尺寸確定，邊界超出計算構筑物或隧道的距離不小于30m。在保證計算精度的情況下，采用混合網格法劃分模型，對隧道周圍進行尺寸控制，網格進行加密處理。二維有限元模型如圖5所示。

圖5 二維有限元模型圖

1#鐵塔橫斷面隧道周圍圍巖主要以Ⅴ級圍巖為主，2#鐵塔和3#鐵塔橫斷面隧道周圍圍巖主要以Ⅲ級圍巖為主，因此二維模型巖土采取Ⅲ、Ⅴ級圍巖，圍巖采用基于莫爾-庫侖屈服準則的彈塑性本構模型模擬。鐵塔為Q235鋼材，模型采用桁架單元進行模擬，樁基為C25混凝土，模型采用梁單元進行模擬。模型具體參數取值見表2。

表2 有限元模型參數表

3.2 邊界約束

對于動力分析，建立一般的邊界條件會由于波的反射作用而產生很大的誤差；因此時程分析時采用黏性邊界條件。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側約束條件對于爆破動力計算采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界(viscous Boundary)。為了定義粘性邊界需要計算相應的土體x，y，z方向的阻尼比。計算阻尼的公式如下。

(1)

(2)

式中，λ—體積彈性系數，kN/m2；G—剪切彈性系數，kN/m2；E—彈性模量；v—泊松比；A—截面積，m2。

3.3 爆破荷載

二維計算采用張玉成[12]提出的爆破數值模擬方法，即在炮孔壁之上直接施加半理論半經驗的指數衰減型荷載爆破荷載壓力曲線，結合爆轟理論和爆腔膨脹理論，依據工程經驗和試爆破時實測結果來確定衰減函數的部分參數。基于圣維南原理[12- 15]，在建模時不考慮等效荷載炮孔形狀，爆破荷載時程曲線以壓力的形式施加在炮孔或者隧道周邊，荷載作用方向為炮孔或者隧道周邊的垂直方向。此時的荷載峰值用International Society of Explosive Engineers(2000)里提及的公式。計算中各參數取值見表3。

PD=2.5×10-6×S×V

(3)

(4)

式中，PD—爆破壓力，kbar；PB=孔壁面上的壓，kbar；V—爆破速度，m/sec；dc—火藥直徑，mm；dh—孔眼直徑，mm；S—炸藥密度，g/cm3。

表3 不同圍巖的爆破沖擊荷載

根據是否考慮爆破孔周長的影響，最大爆破壓力可按P′=PB×W計算，W為最大裝藥量，單位為kg。上式決定了爆破時發生的空氣動力壓力的大小，及實際上作用在孔壁的動壓力隨時間的變化狀態。時程動壓力PD可按照Statfiled和Pugliese(1968)經驗公式計算，具體如下:

(5)

式中，B=1000—荷載常數，控制荷載隨時間衰減的快慢程度。

與現場實際一致，1#鐵塔二維模型取下臺階進行驗算分析，下臺階底板孔總計14個，單孔最大裝藥量為0.7kg，最大等效爆破荷載為0.88MPa，數值模型中荷載作用于下部臺階底板孔孔壁上。2#鐵塔和3#鐵塔二維模型取上臺階進行驗算分析。上臺階周邊孔總計40個，單孔最大裝藥量為0.70kg，最大等效爆破荷載為2.20MPa，數值模型中作用于上部臺階周邊孔孔壁上。最終得到如圖6—7所示的爆破時程荷載函數曲線。

圖6 1#鐵塔剖面脈沖荷載時程曲線

圖7 2#和3#鐵塔剖面脈沖荷載時程曲線

3.4 計算結果分析

在最不利工況下，分別提取3座鐵塔的振速、位移、應力，分析隧道爆破對電力鐵塔的影響。

3.4.1鐵塔振速分析

在數值模型中，分別對1#鐵塔下臺、2#鐵塔和3#鐵塔施加上臺施加爆破荷載，通過有限元時程分析，得出3座鐵塔的振速，結果如圖8所示，見表4。分析結果可知，1#鐵塔塔基最大振速為0.13cm/s；2#鐵塔塔基最大振速為0.41cm/s；3#鐵塔塔基最大振速為1.12cm/s；3座鐵塔振速均小于GB 6722—2014規定的安全允許振速2.5cm/s；其中，3#鐵塔振速最大，在實際爆破過程中，要著重保護與監測3#鐵塔的結構安全。

圖8 鐵塔振速結果云圖

表4 鐵塔振速結果統計表

將模擬后的最大振速與現場實測數據進行對比，結果如圖9所示。分析可知，數值模擬結果與現場監測結果較為接近；在相同炸藥量的情況下，爆心距更小的3#鐵塔振速明顯大于2#鐵塔，這與薩道夫斯基公式相符。故二維數值模型可靠，具有較高的模擬精度，可用于隧道爆破振動影響分析。

圖9 實測與模擬振速對比

3.4.2鐵塔位移分析

通過有限元時程分析，得出3座鐵塔在最不利工況下的位移和傾斜率，結果如圖10所示，見表5。分析可知，①1#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為-0.0015mm，塔基傾斜率為9.1×10-9；2#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為0.0077mm，塔基傾斜率為4.9×10-7；3#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為0.0035mm，塔基傾斜率為6×10-8；根據DLT 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》，3座鐵塔的塔基傾斜率均遠小于不均勻沉降的允許值0.005，可知鐵塔在隧道爆破過程中處于安全狀態。②3座鐵塔中，2#鐵塔傾斜率最大。數值模型中，2#鐵塔和3#鐵塔所用炸藥量相同，但爆心距更小的3#鐵塔傾斜率小于2#鐵塔，說明鐵塔高度對鐵塔塔基的傾斜率影響較大，在實際施工過程中應關注2#鐵塔的傾斜位移情況。

圖10 鐵塔位移結果云圖

表5 鐵塔位移結果統計表

3.4.3鐵塔應力分析

通過有限元時程分析，得出3座鐵塔的在爆破荷載作用下產生的最大應力，結果如圖11所示，見表6。分析可知，1#鐵塔塔基最大拉應力大小為0.07MPa，最大壓應力大小為0.07MPa；2#鐵塔塔基最大拉應力大小為0.23MPa，最大壓應力大小為0.20MPa；3#鐵塔塔基最大拉應力大小為0.57MPa，最大壓應力大小為0.59MPa；3座鐵塔最大應力均出現在塔基處，且均小于鋼材的許用應力，因此可知實際爆破施工過程中控制炸藥量合理，能夠保證鐵塔的結構安全。

表6 鐵塔最大應力結果統計表

圖11 鐵塔振速結果云圖

4 結語

通過現場實測和數值分析，研究在鐵塔和爆源直線距離最近、單響最大炸藥量的最不利工況下隧道爆破對臨近3座特高壓電力鐵塔的影響，得到如下結論：

(1)現場監測結果表明，3座塔塔基振動速度均隨水平爆心距的減小而增大，3座鐵塔振速均未超過GB 6722—2014規定的安全允許振速2.5cm/s，鐵塔處于安全狀態。其中，3#塔最大振速隨爆心距變化趨勢較為明顯；且在相同炸藥量的情況下，爆心距更小的3#鐵塔振速明顯大于2#鐵塔，說明在實際爆破過程中，要著重保護與監測3#鐵塔的結構安全。

(2)數值模擬結果表明，3座鐵塔塔基的最大傾斜率均小于0.005，滿足DLT 5219—2014規范要求，3座鐵塔處于安全范圍。其中，爆心距相對較大2#鐵塔塔基傾斜率最大，說明塔高對鐵塔塔基傾斜率影響較大，在實際施工過程中應著重關注2#鐵塔的傾斜位移情況。

(3)數值模擬結果表明，3座鐵塔的最大應力均為未超過鋼材的許用應力，表明實際爆破施工中控制炸藥量合理，可保證鐵塔的結構安全。

(4)數值模擬結果與現場監測結果誤差較小，可知本文建立的有限元模型合理，說明采用數值軟件模擬隧道爆破對臨近特高壓鐵塔的影響是可行的。