不同條件下后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道振速的影響規(guī)律

梁世凡，晁曉輝，魏永冬，王光勇，郭佳奇

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2.中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710065）

隨著人們對(duì)交通運(yùn)輸需求的不斷增加，現(xiàn)代隧道施工受到地形地質(zhì)、周邊建筑結(jié)構(gòu)等因素的制約越來(lái)越多，為滿足交通要求和地下空間的開(kāi)發(fā)利用，淺埋小間距雙線隧道建設(shè)越來(lái)越廣泛[1–2]。雙線隧道常采用鉆爆法施工，由于兩隧道相距較近，且圍巖地質(zhì)條件較差，后施工隧道爆破荷載產(chǎn)生的振動(dòng)波會(huì)對(duì)鄰近隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)造成危害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鄰近隧道圍巖出現(xiàn)松動(dòng)、開(kāi)裂等現(xiàn)象，因此探究后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響對(duì)雙線隧道安全施工具有重要意義[3–4]。

關(guān)于后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道振速的影響，王肖輝等[5]研究了上下臺(tái)階法爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響，得出上臺(tái)階鄰近隧道爆破效應(yīng)比下臺(tái)階鄰近隧道爆破效應(yīng)更明顯。羅志翔等[6]通過(guò)模擬不同隧道間距對(duì)鄰近隧道圍巖的影響，得出了當(dāng)隧道間距為1.5～2.5 倍洞徑時(shí)鄰近隧道圍巖受到的爆破影響最大的結(jié)論。方智淳等[7]通過(guò)分析采礦爆破時(shí)鄰近隧道的安全性，發(fā)現(xiàn)鄰近隧道迎爆側(cè)拱肩最易產(chǎn)生拉伸破壞，是最脆弱的區(qū)域。錢(qián)耀峰等[8]分析了后隧道爆破對(duì)鄰近隧道不同位置的影響，得出了爆破施工對(duì)鄰近隧道進(jìn)出口及中間段影響最小的結(jié)論。于建新等[9]研究了后施工隧道爆破對(duì)鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)，結(jié)果表明，鄰近隧道的迎爆側(cè)振速大于背爆側(cè)振速，圍巖的三向振速差異顯著。Zhang 等[10]分析了不同高度差下鄰近隧道的振速規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雙線隧道的高度差越大，鄰近隧道襯砌頂部的振速越大。連衛(wèi)東等[11]通過(guò)模擬爆炸作用下鄰近隧道的力學(xué)規(guī)律，提出了硬軟硬式防護(hù)結(jié)構(gòu)，提升了防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆效果。何忠明等[12]模擬了爆破荷載引起的鄰近隧道地表沉降位移，發(fā)現(xiàn)地表最大位移位置由兩隧道中心向鄰近隧道地表中心轉(zhuǎn)變。李小貝[13]研究了后施工隧道爆破施工中鄰近隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明，鄰近隧道破壞從拱腰開(kāi)始，鄰近隧道的圍巖振速與圍巖級(jí)別負(fù)相關(guān)。綜上所述，對(duì)于后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響規(guī)律，已有研究大多只針對(duì)鄰近隧道圍巖振速，不同間距、不同埋深和不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的振速規(guī)律研究較少。

本研究依托格魯吉亞E60 高速公路雙線隧道，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道圍巖和初期支護(hù)振速的影響規(guī)律，系統(tǒng)分析不同間距、不同埋深和不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道的振速，以獲得鄰近隧道圍巖和初期支護(hù)的振動(dòng)規(guī)律，為鄰近隧道爆破安全施工提供參考。

1 模型的建立與測(cè)點(diǎn)布置

1.1 工程地質(zhì)及數(shù)值模型建立

格魯吉亞E60 高速公路隧道位于格魯吉亞中部，地處北高加索與南高加索之間。隧道地質(zhì)是以粉灰色花崗巖為主的侵入火成巖、石英斑巖和石英片麻巖的變質(zhì)巖，隧道采用爆破施工方式開(kāi)挖，施工方法為全斷面光面爆破法。

采用FLAC3D軟件建立三維計(jì)算模型，有限元計(jì)算模型依據(jù)隧道實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)，隧道寬12.90 m，高10.95 m，該雙線隧道均采用同一尺寸和大小，隧道位置及數(shù)值模型尺寸如圖1 所示。根據(jù)圣維南原理設(shè)置數(shù)值模型的邊界條件，模型在x和y方向的尺寸分別為120 和60 m，上邊界為自由邊界，其余邊界施加法向位移約束。

圖1 隧道位置及數(shù)值模型尺寸（單位：m）Fig.1 Tunnel location and numerical model dimension (Unit: m)

1.2 模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)隧道開(kāi)挖實(shí)際工況，設(shè)模擬中隧道的開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m。開(kāi)挖完成后施作初期支護(hù)，初期支護(hù)厚度為20 cm，采用Shell 單元模擬。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和工程現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)材料參數(shù)，可得圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，如表1 所示，其中：ρ 為密度，E為彈性模量，ν 為泊松比，φ0為內(nèi)摩擦角。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

雙線隧道爆破開(kāi)挖時(shí)，鄰近隧道共設(shè)置9 個(gè)特征斷面，其中斷面O為后施工隧道掌子面爆破斷面，沿K方向和T方向每隔5 m 布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，隧道位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)斷面布局如圖2 所示。為監(jiān)測(cè)不同斷面鄰近隧道受爆破的影響，分別在鄰近隧道拱頂、拱底、兩側(cè)拱肩、拱腰、拱腳共布置8 個(gè)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖2 隧道位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)斷面Fig.2 Position relationship of tunnels and monitoring sections

圖3 各監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局Fig.3 Arrangement of monitoring points of each monitoring section

2 爆破荷載模擬方式

2.1 爆破荷載作用邊界

根據(jù)隧道爆破巖石的破壞特征，從炮孔由近及遠(yuǎn)可分為3 個(gè)不同的爆破破壞區(qū)域，即壓碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性區(qū)[14]。將巖石破壞的壓碎區(qū)和破碎區(qū)等效為爆炸源，將爆炸荷載作用于彈性區(qū)的邊界，對(duì)于隧道掌子面的炮孔，掏槽孔的臨空面比非掏槽孔少，夾制效果更強(qiáng)，因此將等效作用邊界分兩種情況討論，分別為掏槽孔作用邊界和非掏槽孔作用邊界，如圖4 所示。

圖4 爆破炮孔作用邊界Fig.4 Action boundary of blasting holes

2.2 爆破炮孔布置參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，后施工隧道開(kāi)挖時(shí)采取斜眼淺孔掏槽爆破，結(jié)合開(kāi)挖隧道輪廓線：布置炮孔掏槽孔6 個(gè)，橫排間距1.00 m，炮孔傾角60°，孔底距離0.25 m，孔頂距離2.80 m；輔助孔112 個(gè)，排距1.00 m，同排孔距0.80 m；周邊孔90 個(gè)，排距0.55 m，同排孔距0.45 m。使用巖石硝銨炸藥，經(jīng)計(jì)算，爆破炮孔總裝藥量為132.44 kg[15]。隧道炮孔爆破參數(shù)見(jiàn)表2，隧道掌子面炮孔及掏槽孔布置如圖5 所示。

表2 隧道炮孔布置參數(shù)Table 2 Tunnel perforation arrangement parameters

圖5 隧道掌子面炮孔(a)及掏槽孔 (b)布置Fig.5 Tunnel face blast holes (a) and cutting holes (b) arrangement

2.3 爆破荷載加載方式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，交通隧道的安全振速標(biāo)準(zhǔn)為10～20 cm/s[16]。目前，爆破荷載計(jì)算研究繁多[17]，主要有兩種計(jì)算方法：第1 種是直接利用爆轟理論計(jì)算炮孔壓力，將爆破荷載曲線等效為拋物線函數(shù)，將炮孔壓力作用于炮孔壁上；第2 種是將爆破壓縮波等效為三角形荷載，將得到的動(dòng)荷載峰值按照脈沖形式施加在開(kāi)挖邊界上，爆破荷載時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。圖6 中：pmax為荷載應(yīng)力峰值，t0為荷載升壓時(shí)間，t1為荷載作用總時(shí)間。由于第1 種方法在模擬多孔爆破的隧道施工中精度較低，因此采用第2 種三角形爆破荷載加載方式。

圖6 爆破荷載時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of blasting load

2.4 爆破荷載峰值和作用時(shí)間

爆破產(chǎn)生時(shí)，爆破荷載以均布?jí)毫Φ男问阶饔迷诤笫┕に淼蓝幢谏希曳ㄏ虼怪庇诙幢凇？紤]一般隧道掘進(jìn)爆破開(kāi)挖設(shè)計(jì)，采用文獻(xiàn)[18]的方式，爆破荷載曲線中荷載的升壓時(shí)間取10 ms，卸壓時(shí)間取90 ms，總計(jì)算時(shí)間取100 ms。采用文獻(xiàn)[19–20]的方式確定三角形爆破荷載應(yīng)力峰值

式中：應(yīng)力峰值pmax的單位為MPa；Z為比例距離，單位m/kg1/3；R＊為爆心至荷載作用面的距離，單位m；Q為炮孔齊發(fā)爆破時(shí)的總裝藥量，單位kg。由此計(jì)算得到三角形爆破荷載時(shí)程曲線，如圖7所示，其中：pmax=1.8 MPa，t0=10 ms，t1=100 ms。

圖7 三角形爆破荷載時(shí)程曲線Fig.7 Time history curve of triangular blasting load

3 爆破荷載下鄰近隧道振速演化規(guī)律

取圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，隧道埋深為25 m，隧道間距為11.5 m，記錄爆破荷載傳播過(guò)程中不同時(shí)刻的速度云圖，以展現(xiàn)爆破荷載對(duì)圍巖和鄰近隧道初期支護(hù)振速的影響。

3.1 圍巖振速演化規(guī)律

為研究爆破荷載對(duì)圍巖振速的影響，取不同時(shí)刻斷面O的圍巖振速，如圖8 所示。當(dāng)t=20 ms 時(shí)，炸藥爆破產(chǎn)生沖擊荷載，使鄰近隧道圍巖產(chǎn)生振速，爆破荷載以后施工隧道掌子面為中心向四周傳播，對(duì)圍巖產(chǎn)生影響；當(dāng)t=40 ms 時(shí)，爆破荷載產(chǎn)生爆破振動(dòng)波對(duì)鄰近隧道迎爆側(cè)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致鄰近隧道迎爆側(cè)產(chǎn)生較大的振速；當(dāng)t=75 ms 時(shí)，背爆側(cè)出現(xiàn)大范圍藍(lán)色振動(dòng)區(qū)域，爆破振動(dòng)波已傳播到鄰近隧道背爆側(cè)，這是由于爆破振動(dòng)波先通過(guò)鄰近隧道迎爆側(cè)對(duì)其背爆側(cè)產(chǎn)生影響，迎爆側(cè)振速明顯大于背爆側(cè)振速；當(dāng)t=100 ms 時(shí)，爆破振動(dòng)波已完全穿過(guò)鄰近隧道并繼續(xù)向四周?chē)鷰r傳播，傳播速度減弱，此時(shí)后施工隧道拱頂處的圍巖振速達(dá)到最大值。

圖8 圍巖振速演化Fig.8 Evolution of vibration velocity of surrounding rock

3.2 初期支護(hù)振速演化規(guī)律

不同時(shí)刻鄰近隧道初期支護(hù)速度云圖如圖9 所示。鄰近隧道初期支護(hù)振速演化規(guī)律與圍巖振速演化規(guī)律基本相同。當(dāng)t=40 ms 時(shí)，爆破荷載對(duì)鄰近隧道初期支護(hù)迎爆側(cè)拱腰產(chǎn)生較大影響；當(dāng)t=75 ms 時(shí)，鄰近隧道迎爆側(cè)拱腰振速約為背爆側(cè)振速的3 倍；當(dāng)t=100 ms 時(shí)，爆破荷載已傳播到鄰近隧道前后方，鄰近隧道前方受振速影響的區(qū)域大于其后方，爆破振速在初期支護(hù)處明顯減弱，背爆側(cè)振速增大，但迎爆側(cè)振速仍大于背爆側(cè)振速。

圖9 初期支護(hù)振速演化Fig.9 Evolution of vibration velocity of primary support

4 不同條件下鄰近隧道的振速特性

4.1 不同隧道間距下鄰近隧道的振速特性

取圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，隧道埋深為25 m，隧道間距（L）分別為7.5、9.5、11.5 m，對(duì)這3 種工況進(jìn)行模擬，以研究不同間距下后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道振速的影響。

4.1.1 不同隧道間距時(shí)各方向振速

不同隧道間距時(shí)，鄰近隧道斷面O上監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向振速（peak particle velocity，PPV）分布見(jiàn)圖10，其中x、y和z方向分別代表水平徑向、水平切向和垂直方向。由圖10 可知，鄰近隧道斷面O上各方向振速與隧道間距成反比，不同隧道間距條件下鄰近隧道迎爆側(cè)振速均遠(yuǎn)大于背爆側(cè)振速，由于鄰近隧道圍巖中存在自由面，因此圍巖在x方向的限制較小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速均符合vx>vz>vy的變化規(guī)律，其中x方向振速對(duì)圍巖的損傷和破壞起主導(dǎo)作用，通常以x方向的振速作為鄰近隧道爆破振動(dòng)的安全準(zhǔn)則。

圖10 不同隧道間距條件下鄰近隧道斷面O 上各方向振速分布（單位：cm/s）Fig.10 Vibration velocity distribution of adjacent tunnel section O in each direction under different tunnel spacing (Unit: cm/s)

y方向振速因初期支護(hù)的較大約束作用而相對(duì)較小，由于隧道屬于淺埋雙線隧道，隧道上部圍巖受巖體的限制較小，因此隧道上部圍巖的y方向振速大于其下部，與隧道下部圍巖相比，上部圍巖受爆破的影響更嚴(yán)重。隧道間距的變化對(duì)鄰近隧道的最大振速位置不會(huì)產(chǎn)生影響，在隧道間距為7.5、9.5、11.5 m 的條件下，右拱腰質(zhì)點(diǎn)的x方向振速分別為7.75、6.22、4.41 cm/s，隨著隧道間距的增大，鄰近隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)的x方向振速不斷減小。

4.1.2 不同隧道間距時(shí)的徑向振速

取不同隧道間距時(shí)監(jiān)測(cè)斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x方向振速（即徑向振速），則其分布如圖11 所示。由圖11 可知，不同隧道間距時(shí)鄰近隧道各監(jiān)測(cè)斷面的徑向振速變化規(guī)律相同，鄰近隧道x方向的最大振速始終出現(xiàn)在迎爆側(cè)拱腰，迎爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)的振速衰減速率較大，而背爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)的振速衰減速率較小，由于爆破振動(dòng)波經(jīng)衍射后振速衰減，迎爆側(cè)振速衰減速率遠(yuǎn)大于背爆側(cè)，爆破荷載對(duì)鄰近隧道迎爆側(cè)的影響從大到小依次為拱腰、拱肩和拱腳、拱頂、拱底。

對(duì)比不同斷面處的圍巖振速，由于K方向隧道各斷面均已開(kāi)挖，后施工爆破隧道T方向處于未開(kāi)挖狀態(tài)，T方向各斷面的質(zhì)點(diǎn)振速受巖體的限制較大，斷面K1距后施工隧道爆源較近且隧道斷面已完全開(kāi)挖，而斷面O為鄰近隧道爆破相鄰面，因此鄰近隧道各斷面質(zhì)點(diǎn)振速?gòu)拇蟮叫∫来螢镵1、O、K2、T1，斷面K1處鄰近隧道圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速達(dá)到最大值。在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鄰近隧道距爆源前方5 m 斷面處的圍巖振速。

4.1.3 不同隧道間距時(shí)的初期支護(hù)振速

取不同隧道間距時(shí)鄰近隧道初期支護(hù)的x方向振速，如圖12 所示。不同隧道間距條件下鄰近隧道初期支護(hù)迎爆側(cè)振速的差異較大，背爆側(cè)振速的差異較小；隨著隧道間距的減小，鄰近隧道初期支護(hù)的振速不斷增大，迎爆側(cè)振速明顯大于背爆側(cè)振速；當(dāng)隧道間距為7.5 m 時(shí)，迎爆側(cè)振速約為背爆側(cè)振速的3.5 倍，此時(shí)拱頂和拱底處的初期支護(hù)振速變化較小；當(dāng)隧道間距為9.5 和11.5 m 時(shí)，x方向最大振速分別為8.56 和7.27 cm/s，與隧道間距7.5 m 相比，最大振速分別減小6.5%和20.1%，說(shuō)明隧道間距對(duì)鄰近隧道初期支護(hù)振速的影響較大，在鄰近隧道迎爆側(cè)拱腰處，初期支護(hù)的x方向振速達(dá)到最大值。

4.2 不同隧道埋深下鄰近隧道的振速特性

取圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，隧道間距為11.5 m，隧道埋深（H）分別為15、25、35 m，對(duì)這3 種工況進(jìn)行模擬，研究不同隧道埋深下后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道振速的影響。

4.2.1 不同隧道埋深時(shí)各方向振速

不同隧道埋深時(shí)鄰近隧道斷面O上監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向的振速如圖13 所示。不同隧道埋深條件下，鄰近隧道各方向的振動(dòng)規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，隧道埋深與鄰近隧道斷面O上各方向的振速成反比，隧道埋深越小，鄰近隧道圍巖各方向振速越大，圍巖穩(wěn)定性越差。斷面O上不同測(cè)點(diǎn)的振速衰減速率各不相同，鄰近隧道迎爆側(cè)振速衰減速率大于背爆側(cè)，不同隧道埋深對(duì)各方向振速最大值出現(xiàn)的位置不會(huì)產(chǎn)生影響。

鄰近隧道的x方向振速達(dá)到最大值，x、z方向振速最大值均位于右拱腰處，y方向振速最大值位于右拱肩處，這是因?yàn)猷徑淼拦把c后施工隧道爆源位于同一高度，爆破荷載引發(fā)振動(dòng)波垂直入射，鄰近隧道右拱腰是受爆破振動(dòng)影響最顯著的位置，由于隧道呈圓拱形，爆破引發(fā)的振動(dòng)波沿拱腰到拱頂和拱底的入射角不斷增大，振動(dòng)波逐漸衰減，圍巖從拱腰至拱頂和拱底的振速不斷減小。當(dāng)埋深分別為15、25、35 m 時(shí)，鄰近隧道右拱腰的x方向振速分別為5.97、3.85、3.22 cm/s，即隧道埋深在15～25 m 范圍內(nèi)時(shí)，鄰近隧道圍巖的振動(dòng)衰減速率最大。

4.2.2 不同隧道埋深時(shí)的徑向振速

不同隧道埋深條件下監(jiān)測(cè)斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x方向振速分布如圖14 所示。不同隧道埋深條件下，鄰近隧道各斷面的振動(dòng)規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，在斷面K1處各測(cè)點(diǎn)振速達(dá)到最大值，沿K、N方向質(zhì)點(diǎn)振速隨距爆破中心距離的增加而減小，振速最大值位于迎爆側(cè)拱腰處，最小值位于背爆側(cè)拱腳處。以隧道埋深15 m 為例，斷面O、K2、T1鄰近隧道右拱腰的振速分別為6.05、5.97、5.36 cm/s，與斷面K1相比，最大振速分別減小2.5%、3.8%和13.7%，說(shuō)明鄰近隧道在斷面K1處受爆破的影響最大。

首先，供試產(chǎn)品應(yīng)有具備資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的結(jié)論合格的產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告，除此之外，應(yīng)有所有試驗(yàn)產(chǎn)品的自檢報(bào)告（產(chǎn)品名稱、規(guī)格型號(hào)與實(shí)際使用一致）。其次，醫(yī)療器械的運(yùn)輸、接收、裝機(jī)、使用、回收等均應(yīng)有相應(yīng)記錄。如果對(duì)運(yùn)輸條件、儲(chǔ)存條件、安全有效期有相應(yīng)規(guī)定，還需要有相關(guān)記錄。例如，體外診斷試劑盒一般儲(chǔ)存條件都在2～8 ℃，如果涉及整個(gè)保存過(guò)程的話，應(yīng)有對(duì)應(yīng)的冷鏈運(yùn)輸及保存冰箱溫度記錄。

圖14 不同隧道埋深條件下鄰近隧道的徑向振速分布Fig.14 Radial velocity distribution of adjacent tunnel under different buried depths

4.2.3 不同隧道埋深時(shí)的初期支護(hù)振速

一般取x方向振速為鄰近隧道安全準(zhǔn)則的判斷依據(jù)，然而，考慮到隧道埋深主要對(duì)初期支護(hù)z方向振速產(chǎn)生明顯影響，因此選取鄰近隧道初期支護(hù)z方向振速來(lái)研究不同隧道埋深條件下鄰近隧道初期支護(hù)的振速變化規(guī)律，如圖15 所示。隨著隧道埋深的減小，初期支護(hù)振速增大，初期支護(hù)迎爆側(cè)和背爆側(cè)振速的差異增大；當(dāng)隧道埋深為25 和35 m 時(shí)，鄰近隧道z方向的最大振速分別為3.17 和2.78 cm/s，與隧道埋深15 m 相比，最大振速分別減小26.6%和35.6%，說(shuō)明隧道埋深對(duì)初期支護(hù)迎爆側(cè)振速的影響較大。

圖15 不同隧道埋深條件下鄰近隧道初期支護(hù)的振速分布Fig.15 Distribution of vibration velocity in adjacent tunnel initial support under different buried depths

4.3 不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道的振速特性

取隧道埋深為25 m，隧道間距為11.5 m，圍巖等級(jí)分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，對(duì)這3 種工況進(jìn)行模擬，以研究不同圍巖等級(jí)下后施工隧道爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道振速的影響。

4.3.1 不同圍巖等級(jí)時(shí)各方向振速

取不同圍巖等級(jí)時(shí)鄰近隧道斷面O上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各方向振速，如圖16 所示。圍巖等級(jí)與鄰近隧道各方向振速成反比，圍巖等級(jí)越高，鄰近隧道圍巖振速越低，不同圍巖等級(jí)對(duì)鄰近隧道z方向振速的影響較明顯。在圍巖等級(jí)分別為Ⅲ、Ⅱ的條件下，鄰近隧道右拱腰x方向振速的最大值分別為1.28、0.85 cm/s，與圍巖等級(jí)Ⅳ相比，最大振速分別降低了22.3%和66.7%。

圖16 不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道斷面O 各方向的振速分布（單位：cm/s）Fig.16 Vibration velocity distribution of adjacent tunnel section O in each direction under different surrounding rock grades (Unit: cm/s)

由于爆破振動(dòng)波在完整堅(jiān)硬圍巖中的傳播速度較慢，因此鄰近隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)各方向振速較小；反之，對(duì)于松軟破碎的地質(zhì)圍巖，圍巖質(zhì)點(diǎn)各方向振速較大，圍巖級(jí)別越低，其對(duì)爆破應(yīng)力波的阻尼效應(yīng)越弱。與Ⅳ級(jí)圍巖相比，Ⅲ級(jí)圍巖的穩(wěn)定性較好，且?guī)r石堅(jiān)硬完整，爆破振動(dòng)波的阻尼效應(yīng)更明顯，能夠有效地衰減爆破振動(dòng)波，因此當(dāng)圍巖等級(jí)從Ⅳ級(jí)提升至Ⅲ級(jí)時(shí)，鄰近隧道圍巖振速衰減速率最大。

4.3.2 不同圍巖等級(jí)時(shí)的徑向振速

不同圍巖等級(jí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷面O、K1、K2和T1上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x方向振速分布如圖17 所示。不同圍巖等級(jí)條件下爆破荷載對(duì)鄰近隧道各斷面振動(dòng)的影響規(guī)律與不同隧道間距條件下相同，斷面K1和K2上各測(cè)點(diǎn)振速均大于斷面T1上各測(cè)點(diǎn)振速，鄰近隧道迎爆側(cè)振速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背爆側(cè)振速。以圍巖等級(jí)Ⅳ為例，斷面K1、O、K2上鄰近隧道右拱腰振速分別為4.18、4.02、3.85 cm/s，與斷面T1相比，最大振速分別提高14.8%、10.1%和5.7%，說(shuō)明不同圍巖等級(jí)條件下鄰近隧道中爆源前方振速大于爆源后方振速。

圖17 不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道徑向振速分布Fig.17 Radial velocity distribution of adjacent tunnel under different surrounding rock grades

4.3.3 不同圍巖等級(jí)時(shí)的初期支護(hù)振速

不同圍巖等級(jí)時(shí)鄰近隧道初期支護(hù)的x方向振速分布如圖18 所示。可以看出，圍巖等級(jí)與鄰近隧道初期支護(hù)振速成反比，即隨著圍巖等級(jí)的提高，鄰近隧道初期支護(hù)振速減小，當(dāng)圍巖等級(jí)分別為Ⅱ和Ⅲ時(shí)，x方向最大振速分別為1.23 和3.18 cm/s，與圍巖等級(jí)Ⅳ相比，最大振速分別降低83.1%和56.2%。通過(guò)對(duì)比不同隧道間距和不同隧道埋深下初期支護(hù)振速衰減速率，可以發(fā)現(xiàn)，不同圍巖等級(jí)對(duì)初期支護(hù)振速的影響最大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)條件較差的隧道爆破施工。

圖18 不同圍巖等級(jí)下鄰近隧道初期支護(hù)的振速分布Fig.18 Distribution of vibration velocity in adjacent tunnel initial support under different surrounding rock grades

5 結(jié) 論

研究了后施工隧道爆破開(kāi)挖影響下鄰近隧道振速演化特性，系統(tǒng)分析了隧道間距、隧道埋深和圍巖等級(jí)對(duì)爆破荷載作用下鄰近隧道圍巖和初期支護(hù)振速的影響規(guī)律，得到如下主要結(jié)論。

(1) 爆破荷載是以后施工隧道掌子面為中心進(jìn)行傳播，爆破荷載產(chǎn)生的振動(dòng)波先對(duì)鄰近隧道迎爆側(cè)產(chǎn)生影響，鄰近隧道迎爆側(cè)振速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背爆側(cè)振速，迎爆側(cè)振速衰減速率大于背爆側(cè)振速衰減速率，其中背爆側(cè)拱腳受爆破的影響最小，迎爆側(cè)拱腰的振速最大，該處圍巖最易脫落，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(2) 爆破振速在鄰近隧道距爆源前方5 m 處達(dá)到最大值，各監(jiān)測(cè)斷面的圍巖振速隨著距爆源中心距離的增加而減小，爆源前方振速大于后方振速，圍巖質(zhì)點(diǎn)各方向振速?gòu)拇蟮叫∫来螢閤方向、z方向、y方向，x方向和z方向振速最大值均位于右拱腰處，y方向振速最大值位于右拱肩處，通常以x方向振速作為鄰近隧道圍巖臨界振速。

(3) 隧道間距、隧道埋深和圍巖等級(jí)均與鄰近隧道圍巖振速及初期支護(hù)振速成反比，其中圍巖等級(jí)對(duì)鄰近隧道振速的影響最顯著；不同條件下鄰近隧道各方向振速最大值出現(xiàn)的位置變化不大；爆破荷載對(duì)鄰近隧道的影響從大到小依次為拱腰、拱肩和拱腳、拱頂、拱底。