小凈距隧道爆破振動響應與控制研究綜述

李俊暉,邱 翼,楚澤元,余海洪

(1.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031; 2.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川成都 611756; 3.中鐵四川生態城投資有限公司,四川眉山 620562)

0 引言

隨著經濟迅猛發展,隧道交通也迎來了不斷擴張提升的時期。由于已有隧道較多、地質地形復雜、空間條件較為苛刻等因素,新建隧道爆破開挖經常出現臨近既有隧道。國內外已有大量小凈距隧道爆破開挖實例:日本修建了六月新鎮干線交叉隧道[1];福廈線左右近接苔井山隧道[2];青島地鐵1號線海底隧道臨近膠州灣海底公路隧道[3];圖1展示了新云居山隧道近接上跨清涼山公路隧道[4]。

圖1 新云居山隧道近接清涼山公路隧道

如何控制爆破開挖使既有隧道保持安全是重點與難點[5-7]。而從目前對于小凈距隧道爆破開挖的研究情況來看,各個工程項目所處地區的地質條件、隧道間距布置、特殊施工要求等均不一致,難以嚴格使用某一固定標準判斷既有隧道是否處于安全狀態,往往會給定一較為嚴格的振動安全判據,再結合現場爆破實驗、監測數據、數值模擬以及專業人員的相關經驗進行調整。對于小凈距隧道爆破的理論分析并無一完整體系,達到的控制效果受到多方面因素影響,難以精確控制。

本文就小凈距隧道爆破開挖產生的振動響應、振動安全判據以及振動控制研究對前人科研成果進行總結分析,并討論現有研究方案的不足與對未來研究方向的展望。

1 小凈距隧道爆破振動響應研究現狀

1.1 隧道爆破在巖體中動力響應規律

隧道爆破開挖絕大部分是位于巖石地層中,關于巖石爆破破碎有3種假說[8],分別是爆轟氣體壓力學說、應力波作用學說與爆生氣體和應力波綜合學說,前2種學說的機理分別見圖2、圖3。

圖2 爆轟氣體壓力學說機理

圖3 應力波作用學說機理

爆轟氣體壓力學說屬于靜力學領域,即認為巖石的破碎主要是由于爆轟氣體的膨脹壓力所引起的。巖石中進行爆破產生的作用效果不同主要分為爆破近區、爆破中區和爆破遠區,其中爆破近區中巖體最先受到爆轟氣體的巨大脈沖而形成空腔;爆破中區,如圖2所示空腔周圍一定范圍內,也稱為裂紋區,主要受到法向和切向的爆轟氣體作用力,與爆破近區相比,未直接受到爆轟氣體壓力,且巖石的抗拉強度遠遠小于抗壓強度,在切向爆轟氣體的作用下首先產生裂紋,并在法向爆轟氣體的助力下慢慢發展;爆破遠區,也稱為彈性變形區,產生的振動效應不大,主要由巖石與爆破地震波的主振頻率接近時產生共振引起破壞。

應力波作用學說屬于動力學領域,認為巖石的破碎主要是由應力波引起的。初始階段,爆破引起應力波壓碎爆源附近巖石形成空腔,隨后應力波進一步傳播到達自由面形成反射,反射應力波對于自由面產生的作用使得表面巖石破碎,最終碎裂拋擲。

而爆生氣體和應力波綜合學說則綜合了前面二者,認為是在二者共同作用下,產生的巖石破碎,目前得到較多認可。

1.2 小凈距隧道分類標準

目前我國對于小凈距隧道的分類,依照JGJD70-2004《公路隧道設計規范》[9]定義如表1所示,根據不同圍巖等級進行判斷,圍巖等級越高,所要求的最小凈距越小。

表1 我國小凈距隧道分類標準

1.3 既有隧道結構動力響應規律

小凈距隧道爆破開挖的重點關注對象為既有隧道,其動力響應規律一直以來為國內外學者所探究,主要手段為現場監測與試驗,輔以理論分析與數值模擬。

1.3.1 現場監測與試驗

作為最原始、應用最為廣泛的手段,試驗與現場監測數據能更加準確、具體地反映出各個工況的實際情況,由于爆破影響因素眾多,現場圍巖條件、地質情況均較為復雜,因此需要因地制宜進行調整與測試。陳秋南等[10]結合實際工程對不同強度的混凝土試塊進行爆破振動分析,得出爆心距越小,不同等級的混凝土強度折減比差距越大。于建新等[11]對新建走馬崗隧道交叉上穿引水隧洞的爆破開挖工程進行現場監測,對實測數據回歸分析,得出相應的Sadovsk擬合公式,反算出符合施工規范和安全的最大掏槽藥量和最小安全爆心距。蘇建遙[12]根據草帽山隧道現場監測數據與數碼雷管爆破振動試驗對振動速度、加速度和頻率進行分析,擬合出各個因素隨距離變化公式,并根據主頻判斷是否會發生共振。此外,眾多學者對現場監測數據進行了函數分析并得出結論:JIANG等[13]利用多組監測數據擬合出平均誤差11.8%的薩道夫斯基公式,并與有效拉應力進行線性擬合反算出現場峰值振速極限為11 cm/s;LIU等[14]根據武漢黃龍山隧道現場監測值,對振速時程曲線進行PSD功率譜分析,得出爆破引起的主振頻率均大于100 Hz,而一般隧道結構固有頻率小于50 Hz,不會發生共振。

1.3.2 理論分析與數值模擬

理論分析與數值模擬的廣泛運用大量提高了隧道爆破開挖前準備工作的效率,隨著科研人員的廣泛研究,能為實際工程提供一定的指導意義。程康等[15]推導出了在標準拋擲爆破條件下深孔爆破振速與炮孔深度、堵塞長度的關系式。程平[16]等以貴州省里平Ⅱ號隧道為依托,通過LS-DYNA軟件計算了在開挖隧道上方溶洞影響下,小凈距隧道的爆破動力特性,并分析了不同直徑溶洞與不同隧道和溶洞間距下位移場、速度場和應力場的分布情況。錢安康等[17]結合福平鐵路苔井山,采用數值模擬對全斷面和短天窗2種爆破開挖方案進行對比分析,得出短天窗方案可充分利用其分段優勢,經濟高效完成目標任務。鄒新寬等[18]采用數值模擬計算雅安隧道明挖段拉槽爆破并與現場實測數據進行對比驗證,得出既有隧道迎爆側豎向振速峰值較大,且與Von-Mises應力呈明顯線性關系,根據襯砌結構的最大抗拉能力得出安全系數2.0的振速閾值。

總結以上小凈距隧道爆破振動響應的研究現狀,對于絕大多數理論分析和數值模擬研究,最終都要結合實際工程驗證并不斷優化,相輔相成。

2 既有隧道振動安全判據

小凈距隧道進行爆破開挖,會對既有隧道的結構產生振動甚至損壞的風險,而爆破振動與地震動有所不同,其持續時間短,頻率較高,釋放出能量更有局部性和爆發性。對此,選擇正確的安全判據是國內外一直以來研究的方向。

2.1 加速度安全判據

對于較為早期的研究者來說,往往僅通過單一因素考慮安全判據,加速度就是其中之一。根據動力學方程,加速度代表了結構的慣性力的大小,通過計算得到結構的動能、內力和等效荷載。

國外學者對此研究最早,早在20世紀60年代,Edwards A T[19]、Longerfors[20]、Duvalland W I[21]、Northwood T D[22]等就通過現場試驗研究了加速度對結構的損傷關系;國內學者舒大強[23]、何韻龍[24]、陽生權[25]、劉維柱[26]等在21世紀初對多個現場工況的加速度進行分析,得到加速度與彈性模量近似的計算方法。

隨著研究的深入與理論的進步,學者們逐漸發現加速度作為安全判據是有較大的局限性的,一般巖體的損傷、開裂,結構的失穩、破壞大部分屬于振動響應,僅以加速度作為判據很難具有說服力。

2.2 振速安全判據

振速安全判據目前是國內外使用最為廣泛的判據,通常以3個正交的XYZ方向中的最大值作為安全判據,也有國家使用這3個方向的合速度作為安全判據。

我國使用的安全判據為單方向的振速峰值,根據保護對象的類別進行分類,不同重要程度的對象允許的振速不同。雖然采用單一的振速作為判據大多是處于保守的[27],但實際施工過程中會發現結構振動速度未超標卻發生了安全性問題,而有時超出了振速指標結構卻沒有發生破壞。越來越多的工程實際表明單一的振速指標也需要進行一定的完善。

2.3 振速-頻率安全判據

根據我國GB6722-2014《爆破安全規程》[28]隧道等地下工程的安全允許振速與頻率有關,如表2所示。

表2 我國地下工程爆破振動

從表2中可以看出,當質點振動頻率較小時,所允許的安全振速也越少,這是由于隧道、巷道等地下工程的固有頻率一般都在50 Hz以下[29],為保證不發生共振現象,需要根據頻率逐級減少安全允許振速。

總結以上隧道振動安全判據的研究現狀,可以發現目前的安全判據已經發展的十分成熟,考慮了振速-頻率2個方面的共同作用來制定。不足的是,對于小凈距隧道,取值的范圍需要經驗制定,通常為大于2.0的安全系數下進行取值,是否過于保守是一個值得探討的問題。

3 小凈距隧道爆破振動控制研究

小凈距隧道所處地質條件和圍巖情況一般難以改變,對于其振動控制的研究基本上都是基于爆破開挖隧道,優化其爆破方案。圖4展示了隧道典型光面爆破上臺階炮孔平面布置,一般掏槽孔最先起爆,輔助掏槽孔隨后起爆,經過一定間隔后,崩落孔、掘進孔依次起爆,最后周邊光爆孔起爆,以達到光面爆破的效果。

圖4 典型光面爆破上臺階炮孔平面布置

3.1 裝藥量

常用的爆破振動峰值振速的計算公式為薩道夫斯基公式,其是一個基于量綱分析的經驗公式,表達式如式(1)所示:

(1)

式中:ν為爆破振動速度;R為與爆源的距離;Q為裝藥量;k為一個常數,其值與巖體介質參數等有關;α為爆破振動的衰減系數,通常取值為1/3。

從薩道夫斯基公式中可以看出,對于既有隧道的振動響應,R、k、α均為定值,通過改變裝藥量Q可以直接減少振動,也是目前實際工程中最為有效的手段之一[30-31]。

3.2 炮孔布置形式

3.2.1 優化炮孔布置方案

隧道爆破中,掏槽孔起爆時所含有的自由面最少,受到的夾制作用最大,產生的爆破響應也最大,所以一般對于減振方面的炮孔優化大多針對與掏槽孔。石洪超等[32]根據重慶鴨江隧道小凈距段的爆破施工為依托,結合現場數據與數值模擬設置了不同的掏槽孔布置角度,能明顯減少爆破產生的振動響應。王仁濤等[33]采用大直徑中空直眼掏槽形式,并優化炮孔間排距、重新設置爆破網路,能明顯地控制爆破振動速度。

3.2.2 設置減振孔

劉新榮等[34]依托重慶雙山隧道爆破開挖項目,通過布置減振孔能夠有效對振動效應進行控制。李立功等[35]結合實際項目,增大減振孔的直徑與布置數量,使得爆破振速達標。

3.3 起爆時差

通常的小凈距隧道爆破中,既有隧道的振速峰值往往出現在最開始掏槽孔爆破的時刻,將同樣的裝藥量由同時起爆轉化為延時起爆,能夠顯著的降低振動響應。采用合理科學的起爆時差,既能提升開挖效率,又能保證施工安全[36-37]。

總結以上小凈距隧道爆破振動控制研究,主要的控制方式在于爆破方案的優化,并一定要結合實際工程驗證,以期達到減振和減少對結構的破壞。

4 結束語

本文總結了迄今為止針對小凈距隧道爆破開挖振動響應與控制研究取得的很多有參考價值的成果。其中有不少成果已可以運用于實際工程問題中,對爆破振動響應和減振控制歸納,得出幾點結論及展望:

(1)針對小凈距隧道爆破振動響應的問題,現有的研究多數以現場監測為主,再通過理論計算和數值模擬等輔助優化,且各個工程工況難以有一固定標準,對于相同或相似類型的工程,可以制定供參考的爆破方案。

(2)隧道爆破的安全判據,目前已有較為成熟的標準與體系,使用振速-頻率雙因素控制在多數情況下能夠有效的提高安全性。振速的取值也要根據實際工程來制定。

(3)小凈距隧道爆破施工振動控制主要是對開挖隧道爆破方案的優化,并輔以監測數據,并將多種減振措施結合才能達到更顯著的效果。