不同因素下隧道初期支護爆破動力響應特性

中圖分類號：U419.3 文獻標識碼：A DOI： 10.7525/j.issn.1006-8023.2025.03.020

Abstract：Thedynamicresponse characteristicsofthe initial supportunderblasting willafecttheconstruction safety and schedule.In order to study the dynamic responsecharacteristicsof tunnel initial support under diferent factors， combined with thetunnel blasting projectofforestfarm，the vibrationvelocityand stressdistributionlaws of tunnel initialsupportundertheinfluenceofage，footagelengthanddetonationtimeinterval wereanalyzedbycombining field monitoring and numerical simulation，and Moris screening method was introduced to analyzethe influence degree of each factor. The results show that the peak vibration velocity of the initial support presents Vgt;Vxruleunderdifferent penetrationlength，age and detonation time interval，andthe tensile stress is much larger thantheshearstress.The vibrationvelocityandstressoftheinitialsupportchangesharplyduringtheageof1-3d，andgraduallytendtobeflatafter 7 days，the attenuation rate of the x -axisis the largest，followedby the z -axis，and the y -axis is the smallest.With the increase of footage length，the growth rate of particle vibration velocity presents a rule of the y -axisis thelargest，followed bythe x -axisand the z -axis.When the detonation time interval is 5ms，the stress waves cancel each otherand the vibration velocity decreases.Thedegree of influenceof the thre factors on the dynamic response characteristicsofstructural blasting isin theorderoffootage length，age，andblasting interval.Theresearch resultscan provide reference forsimilar tunnel blasting projects.

Keywords：Highway tunnel; blasting；initial support；dynamic response；numerical simulation

0 引言

鉆爆法是巖質隧道開挖經濟合理、應用最廣泛的一種手段，而且在未來一段時間這種情況不會有太大改變[1-3]。在追求快速、高效施工的同時，爆破振動對隧道初期支護結構的影響不容忽視[4]。鑒于此，深人研究鉆爆作業過程中隧道初期支護的動力響應特性，無論在工程實踐還是理論研究層面，都具有重要的現實意義和理論價值。

當前，國內外學者對隧道結構的爆破動力響應特性主要通過數值模擬、現場監測和理論計算等手段開展研究。葉海旺等[5]開展數值模擬試驗和現場爆破試驗對比研究，基于裂隙巖體精細化數值模型，得出節理裂隙面使巖體內損傷分布規律發生了變化，其損傷范圍比完整巖體增加了 1 2 . 0 4 % ；王蒙等[通過現場聲波測試和數值模擬研究了隧道圍巖損傷效應及毫秒延期爆破中不同段炮孔對圍巖損傷的影響，上臺階爆破對隧道圍巖損傷范圍約為 2 . 4～2 . 5m ；郭云龍等以實測振動波作為爆破荷載，分析不同圍巖級別和不同隧道凈距對鄰近既有鐵路隧道襯砌爆破動力響應的影響規律，提出采用 1 5 m s 孔間起爆延時易產生爆破振動疊加效應；許文祥等[8模擬發現，深埋小凈距隧道爆破卸載后，襯砌最大位移出現在拱頂，其次出現在迎爆側拱腰處；江偉等通過爆破振動監測及2D二維-3D三維聯合模擬方法，分析了后行洞開挖過程中先行洞邊墻二襯的爆破振動響應特性，得出先行洞迎爆側拱肩至拱腰區域振動強度最大；蒙賢忠等[10]通過現場測試、理論解析及數值模擬，研究了P波、S波、R波在隧道表面的傳波和轉化規律；Liu等[引入放大系數，研究了不同類型爆破下隧道掌子面前后振動響應、損傷特性和衰減規律；喬國棟等[12根據應力波傳播理論及波前動量守恒定理，推導出了爆破震動作用下巷道圍巖振動方程;閔鵬等[13]在薩道夫斯基公式的基礎上引入自由表面積 、自由面數量系數（k）和自由表面指數（ β ） ，研究了自由面對爆破振速的影響；高地應力對隧道圍巖的爆破振動響應具有一定影響，陳士海等[4通過波動微分方程和分離變量法，給出了高地應力下的隧道圍巖爆破地震波傳播解析解，結果發現遠離震源處地應力對圍巖爆破振動響應影響更明顯。

綜上可知，當前隧道支護結構動力響應的研究主要集中于隧道圍巖及二襯，對初期支護的研究較少，對不同因素下隧道初期支護爆破動力響應特性研究更為鮮見。因此，結合林場隧道爆破工程實際，采用現場監測、數值模擬相結合的方法，研究進尺長度、齡期及起爆時間間隔影響下初期支護結構的振速變化和應力分布規律，并基于Morris篩選法對3種影響因素進行敏感性分析，得到不同因素對初期支護結構爆破動力響應的影響程度。

1工程背景

林場隧道位于湖南省安化縣古樓鎮林場，隧道全長 4 4 5 m ，其地質剖面圖如圖1所示，研究段主要由Ⅱ、V級圍巖組成。其中，IV級圍巖為中風化板巖，節理裂隙發育，巖體破碎，其抗壓強度 ，巖石自穩能力較差。

該隧道采用預留核心土法開挖，爆破位置為左下臺階和右下臺階。爆破采用2號巖石乳化炸藥，炮孔直徑為 ，每個下臺階共布置6個掏槽孔，炮孔深度 1 . 5 m 每個炮孔裝藥量為 1 . 8 k g ，具體炮孔布置如圖2所示。

2數值模擬及其驗證

2. 1 模型建立

根據圣維南原理，利用ANSYS/LS-DYNA動力有限元數值模擬軟件建立三維數值模型，如圖3所示。模型整體尺寸為 4 0 m×4 0 m×1 0 5 m（ x×y×z ） ，模型上邊界為自由邊界節，其余邊界設置為無反射邊界，初期支護結構與圍巖直接設置為面面接觸。模型中圍巖和初期支護單元采用拉格朗日（Lagrange）網格劃分，炸藥單元采用ALE（Arbitrarylagrangeeuluer）網格劃分，圍巖、初期支護單元與炸藥之間設置為流-固耦合算法。炮孔附近的網格進行加密劃分，炸藥起爆方式設置為底部起爆。

2.2 材料參數

模型材料包括圍巖、初期支護、炸藥及二襯。結合工程實際，圍巖、初期支護可概化為彈性均勻等效介質。根據彈塑性力學理論，可采取雙向隨動硬化彈塑性本構模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）對上述材料的力學關系特征進行描述[15]。圍巖、初期支護和炸藥的物理參數見表1和表2。

注：A.初始沖擊波的壓力峰值;B.體積壓縮到初始體積的1/2時的壓力 與沖擊波的傳播速度有關的參數 與粒子速度有關的參數： 與爆熱有關的參數； 單位體積炸藥的初始總能量。

2.3 模型驗證

根據工程實際情況，采用TC-4850爆破測振儀在合適位置進行爆破監測，收集初期支護的爆破振動數據，具體布置如圖4所示。其中，監測點 位于Ⅱ級和V級圍巖交界處（爆心距 5 0 m ，監測點 位于Ⅱ級圍巖段的初期支護拱腳處（爆心距 5 5 m ）。

監測數據與數值模擬結果對比見表3，分析發現，數值模擬振速結果與現場監測數據的波形相似，峰值接近，峰值質點振動速度誤差最大僅為 5 % 。其中，數值模擬對工程實際概況進行簡化，未考慮巖土體本身存在的節理、裂隙等缺陷[16-17]，導致現場監測數據達到峰值時間與數值模型相比滯后了約0.05s，在合理范圍之內[18-19]。因此，基于該數值計算模型進行后續研究可行。數值模擬與現場監測掏槽爆破振速時程曲線對比如圖5所示。

3不同因素影響初期支護結構爆破動力響應特性

選取初期支護齡期、進尺長度以及起爆時間間隔3個因素為變量，進行三因素五水平正交試驗設計，基于數值模擬的計算結果研究不同因素影響下初期支護

結構的振速及應力變化規律。

3.1不同齡期影響下初期支護結構爆破動力響應特性

根據現場實際情況和《公路隧道設計規范》，初期支護齡期為 1 、 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d 。進尺長度設為 1 . 5 m ，左右兩臺階同時起爆。根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB50086—2015）《爆破安全規程》（GB6722—2014）以及《公路隧道設計規范第一冊土建工程》（JTG3370.1—2018）[20-21]，對不同齡期的C20噴射混凝土力學性能進行修正，獲得不同齡期初期支護結構力學參數見表4。

由前期研究[22]可知，預留核心土法爆破開挖下隧道初期支護結構最大振速出現在拱腳處。因此，選取對應現場監測 點位的振速進行分析。

不同齡期初期支護結構振速變化曲線如圖6所示 分別為 x 軸 軸 ? z 軸方向的峰值振速）。由圖6可知，隨著齡期的增加初期支護結構拱腳處的質點振速均呈現非線性衰減的趨勢，在1＼～3d內振速衰減最快，7d后峰值振速逐漸趨于平緩，衰減速率呈現z 軸最大 軸次之 ?? y 軸最小;各方向上峰值振速最大在 y 軸方向，最小在 x 軸方向;齡期 1～7 d， y～， x 軸方向的質點峰值振速依次由 降低至 0 . 3 3 2 、 0 . 2 5 7 、 0 . 1 9 9c m / s， z . x . y 軸方向的質點峰值振速衰減速率分別為 0 . 5 % 1 6 . 1 % . 1 3 . 8 % 。

對不同齡期下初期支護結構應力分布特性進行分析，獲得不同齡期影響下初期支護結構應力變化規律如圖7所示。由圖7可知，隨著齡期的增加，爆破作用下初期支護結構拱腳處所受的拉應力與剪應力呈現增長的趨勢。隨著齡期從1d增長至28d，初期支護結構拱腳處的拉應力由 0 . 0 5 9 7 M P a 增加至 0 . 0 6 8 1 M P a ，增加大約 14 % ，剪應力由 0 . 0 2 6 8 M P a 增加至 0 . 0 3 5 7 M P a 增加了大約 3 3 % 。1～3d齡期時，初期支護所受拉應力與剪應力快速增長，而在7d齡期之后，初期支護應力變化不大。

雖然剪應力的增長率大于拉應力的增長率，但是拉應力整體數值大于剪應力的整體數值。因此，隧道爆破影響下初期支護結構受到的應力影響仍以拉應力為主。

3.2不同進尺長度影響下初期支護結構爆破動力響應特性研究

結合現場工程實際，選擇爆破進尺長度為1.2、1 . 5 ， 1 . 8 ， 2 . 1 ， 2 . 4 m 共5個進尺建立數值模型。齡期設為28d，左右兩臺階同時起爆。獲得不同進尺長度影響下初期支護結構的振速變化規律如圖8所示。

由圖8可知，初期支護結構質點振速均隨著進尺長度的增加呈現增長趨勢，相同爆心距情況下，各方向振速峰值呈現 的規律。隨著進尺長度的增加，y 軸方向峰值振速增長最快， x 軸和 z 軸方向增長緩慢。進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時， y 軸峰值振速由0 . 2 6 2 c m / s 增長至 0 . 4 4 7 c m / s ，增長率約為 1 5 . 4 % ；x軸方向和 z 軸方向的峰值振速分別由 0 . 1 7 1 ， 0 . 2 1 4 c m / s 增長至 0 . 2 1 2 ， 0 . 2 6 6 c m / s ，增長率分別為 3 . 4 % 和4 . 3 % 。因此，選擇適合的進尺長度，在保證工期的同時，可以較好地控制爆破產生的峰值振速。

對數值模型中1監測點的拉應力和剪應力進行提取，獲得不同進尺長度影響下初期支護結構應力變化規律，如圖9所示。由圖9可知，隨著進尺長度的增加，初期支護結構的拉應力與剪應力呈現線性增長趨勢。當進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時，初期支護拱腳處所受的拉應力由 0 . 0 6 1 1 M P a 增長至 0 . 0 8 9 2 M P a ，增大了約 4 6 % ;剪應力由 0 . 0 3 1 6 M P a 增長至 0 . 0 4 3 9 M P a ，增大了約 3 8 % 。相同進尺長度時，隧道初期支護結構所受的拉應力大于剪應力，可見，拉應力對隧道的初期支護結構影響更大。

3.3不同起爆時間間隔影響下初期支護結構爆破動力響應特性

在不改變炸藥類型和布孔方式的情況下，采用微差毫秒起爆的方法，設置左右2個下臺階之間的時間間隔，實現應力波之間的相互抵消，以探索爆破減震的效果。設置 0 . 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0m s 這5種起爆時間間隔（其余變量為齡期28d、循進尺度 1 . 5 m ，對數值模型中 監測點處的振速進行提取。不同起爆時間間隔初期支護結構振速變化規律如圖10所示。

由圖10可知，在設定工況下，初期支護結構峰值振速呈現 的規律，其中起爆時間間隔 1 0 m s 時，三軸峰值振速分別為 0 . 3 2 5 . 0 . 2 1 9 . 0 . 1 8 7 c m / s 。

隨著起爆時間間隔的增加，各方向振速均呈現波浪狀變化趨勢。當起爆時間間隔從 0 m s 增加到 5 m s 及 增加到 1 5 . 2 0 m s 時，各方向峰值振速呈現小幅度降低的趨勢，可認為該起爆時間間隔下，出現應力波相互抵消情況；當起爆時間從 5 m s 增加到 時，各方向峰值振速均呈現上升趨勢，可認為該起爆時間間隔條件下應力波出現了相互疊加的情況。

對數值模型中1監測點處的拉應力與剪應力進行提取，可獲得不同起爆時間間隔下初期支護結構應力變化規律，如圖11所示。

由圖11可知，隨著起爆時間間隔的增加，隧道初期支護結構所受的拉應力呈現線性增加的趨勢，而剪應力呈現降低的趨勢。當時間間隔從 0 m s 增加至 2 0 m s 時，拉應力由 0 . 0 6 8 1 M P a 增加至 0 . 0 7 5 4 M P a ，增加了約1 0 . 7 % ，而剪應力由 0 . 0 3 5 4 M P a 減少至 0 . 0 3 0 4 M P a 減少了約 1 4 . 1 % ，其中當時間間隔從 增加至 5 m s 時，拉應力由 0 . 0 6 8 1 M P a 增加至 0 . 0 6 9 7 M P a ，增加了約 2 . 3 % ，而剪應力由 0 . 0 3 5 4 M P a 減少至 0 . 0 3 1 2 M P a 減少了約 1 1 . 8 % 。

4不同因素影響下初期支護結構動力響應特性敏感性分析

基于前文數值模擬計算結果，引人Morris篩選法[23-25]分析各個因素對初期支護結構動態響應特性的影響程度。

將前文中齡期、爆破進尺和起爆時間間隔作為變量輸入值，數值模型計算出來的 x ， y ， z 軸振速、合速度、拉應力和剪應力作為輸出值。整理分析計算結果，可以得到各個因素下隧道初期支護結構應力及振速的敏感性值 ，分別見表5和表6。

不同因素的改變對三軸振速和應力的影響程度各不相同。由表5可知，齡期及起爆時間間隔改變時，敏感值呈現剪應力大于拉應力；進尺長度改變時，敏感值呈現拉應力天于剪應力。由表6可知，當齡期改變時，x ， y ， z 軸敏感值大小分別為 0 . 0 7 3 、 0 . 0 7 1 、 0 . 1 4 6 ，呈現z 軸最大 軸次之 ? y 軸最小；當進尺長度及起爆時間間隔發生變化時，三軸敏感值呈現 y 軸最大 軸次之、z 軸最小。

由圖12可知，從振速敏感性值角度來看，齡期對于 x ， y ， z 軸以及合速度來說為中敏感因素；進尺長度對于 x 軸振速和 z 軸振速來說為中敏感因素，而對于y軸和合速度來說為敏感因素；時間間隔對于 x ， y ， z 軸及合速度來說為不敏感因素。從應力敏感性值角度來看，齡期為中敏感因素，進尺長度為敏感因素，時間間隔為中敏感因素。值得注意的是，時間間隔對振速的影響程度小于應力的影響程度，這說明初期支護結構應力對于時間間隔更加敏感。通過敏感性值可以判斷，在爆破振動的影響下，各因素對于初期支護振速以及應力的影響程度由大到小為：進尺長度、齡期、起爆時間間隔。

5結論

以林場隧道爆破工程為背景，結合現場監測和動力有限元軟件，研究了不同因素下隧道初期支護爆破動力響應特性，得出結論如下。

1）同一齡期下，峰值振速呈現 的規律，隨齡期增加，各方向質點振速均呈現非線性衰減，衰減速率呈現 x 軸最大 ? z 軸次之 ? y 軸最小的規律。同一齡期下，隧道初期支護所受的拉應力大于剪應力，隧道爆破影響下初期支護主要受拉應力影響。整體來看，1＼～3d齡期內初期支護振速及應力的變化劇烈，7d齡期后逐漸趨于平緩。

2）隨進尺長度增加，各方向質點振速均呈現增長趨勢，相同爆心距情況下，各方向振速峰值呈現 的規律。其中，當進尺長度由 1 . 2 m 增加至 2 . 4 m 時， y 軸方向質點峰值振速的增長速率最大，約為

15. 4 % ，初期支護拱腳處所受的拉應力增大了約 4 6 % 。因此，選擇適合的進尺長度，在保證工期的同時，可以較好地控制爆破產生的峰值振速。

3）隨著起爆時間間隔的增加，隧道初期支護結構在各個方向的振速均呈現出波浪形的變動趨勢，所受的拉應力隨著時間間隔的增加線性增長，而剪應力則呈現出下降趨勢。三軸峰值振速呈現 的規律。起爆時間間隔為 5 m s 時，應力波相互抵消，振速呈現下降趨勢；當起爆時間間隔為 時，應力波相互疊加，使得振速表現出上升趨勢。

4）基于Morris篩選法，分析確定了對初期支護結構爆破動力響應特征的影響程度由大到小為：進尺長度、齡期、起爆時間間隔。

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