李 錚,何 川,汪 波,楊賽舟,郭新新

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

城市隧道穿越復(fù)合地層的合理微差時(shí)間間隔

李 錚,何 川,汪 波,楊賽舟,郭新新

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

以莞惠城際項(xiàng)目的“上軟下硬”復(fù)合地層條件為依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的手段，開(kāi)展城市隧道穿越復(fù)合地層中合理微差時(shí)間間隔的研究。研究結(jié)果表明：復(fù)合地層中微差爆破效果較好，第1、2炮適宜的微差時(shí)間間隔為50～70 ms；圍巖條件相同，振動(dòng)波形和主震相的持續(xù)時(shí)間均隨著爆心距的增加而變長(zhǎng)；而圍巖條件變差時(shí)，振動(dòng)波形更易出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象；隨著微差時(shí)間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，在0～35ms間降震率波動(dòng)明顯且整體上小于穩(wěn)定降震率；在復(fù)合地層中，兩測(cè)點(diǎn)爆心距相同時(shí)，成洞區(qū)上方測(cè)點(diǎn)受空洞效應(yīng)影響顯著，振速明顯偏大。

爆炸力學(xué)；微差時(shí)間間隔；振動(dòng)波形；復(fù)合地層；降震效果；城市隧道

在下穿各種構(gòu)筑物的市政地下工程中，鉆爆法由于成本低、專用設(shè)備少、不影響地面交通等特點(diǎn)被廣泛采用[1-2]。爆破施工對(duì)地表既有建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的振動(dòng)影響，受到普遍重視，將振速作為控制爆破的重要指標(biāo)。目前，能夠有效控制振速大小的抗減震措施主要有掏槽(位置與結(jié)構(gòu)形式)設(shè)置、微差爆破、預(yù)裂爆破及水壓爆破等，其中微差是一種可控的“主觀條件”，對(duì)爆破過(guò)程中振速的影響至關(guān)重要[3-4]。然而，由于隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況等因素影響,對(duì)微差爆破在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的物理力學(xué)現(xiàn)象還沒(méi)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)和嚴(yán)密的理論。確定微差時(shí)間間隔常用新自由面假說(shuō)、殘余應(yīng)力假說(shuō)、最小抵抗線假說(shuō)等，其依據(jù)均存在局限性[5-7]。考慮降震效果選取合理微差時(shí)間間隔，用以下兩種觀點(diǎn)可以解釋：(1)不同微差時(shí)間起爆的炮孔產(chǎn)生的地震波相互干擾以降低振動(dòng)影響；(2)不同微差時(shí)間起爆的炮孔產(chǎn)生的地震波主震相錯(cuò)開(kāi)，從而達(dá)到理想減震效果。前者由于各段炮孔位置不同，即使對(duì)相同測(cè)點(diǎn)，各段地震波也存在不同的傳播距離和時(shí)間，加上地質(zhì)條件影響，相鄰段位地震波相互干擾情況復(fù)雜，若盲目采用此觀點(diǎn)選取合理微差間隔，可能導(dǎo)致振速出現(xiàn)隨機(jī)增大；采用相鄰炮孔產(chǎn)生的振速波形主震相在時(shí)間軸上無(wú)相互影響的方式，進(jìn)行微差爆破降震較理想[8]。

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，微差產(chǎn)生的地震波主震相及波形變化規(guī)律、不同微差時(shí)間間隔的降震效果等均會(huì)對(duì)合理微差時(shí)間取值范圍產(chǎn)生重大影響。但目前尚未見(jiàn)對(duì)上述問(wèn)題的深入探討?；诖耍疚闹?，以在建的莞惠城際穿越復(fù)合地層段作為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的手段，開(kāi)展城市隧道穿越復(fù)合地層中合理微差時(shí)間間隔的研究，擬為類似工程爆破設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通項(xiàng)目線路全長(zhǎng)約97 km，區(qū)間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，隧道總長(zhǎng)超過(guò)80%，以中隔墻法微差爆破施工為主。覆土表層為第四系沖洪積的軟塑至硬塑狀黏性土，其下為稍密至中密的飽和砂類土，下伏基巖為強(qiáng)至弱風(fēng)化混合片麻巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。洞身上部主要穿越透水性強(qiáng)、無(wú)自穩(wěn)能力、易坍塌的富水飽和砂土地層，下部多為整體性較差的全風(fēng)化混合片麻巖，隧道區(qū)間圍巖總體呈現(xiàn)出復(fù)雜、特殊的“上軟下硬”復(fù)合地層特征。

圍巖分布包含Ⅲ～Ⅵ級(jí)，隧道最小埋深不足9 m，多數(shù)區(qū)間屬于淺埋，施工將不可避免的對(duì)上部既有構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。地表交通繁忙，建筑物聳立，隧道下穿地段房屋基礎(chǔ)多為天然基礎(chǔ)及人工挖孔樁基礎(chǔ)，房屋多為中～低層框架結(jié)構(gòu)及磚混結(jié)構(gòu)，且部分房屋修建年代久遠(yuǎn)，已出現(xiàn)開(kāi)裂、傾斜等病害，盡管采取了注漿加固措施，但爆破施工時(shí)仍需降低對(duì)地表的振動(dòng)影響，嚴(yán)格控制房屋沉降，避免既有病害繼續(xù)擴(kuò)展或造成新的破壞。

2 巖體彈性波傳播規(guī)律

巖體中傳播的波分為體波和面波兩類，面波在傳播方向上衰減比體波慢，傳播距離更大，在巖體表面(地表、節(jié)理裂隙等)波形中占主導(dǎo)地位，主震相往往由面波產(chǎn)生[9]。在莞惠城際項(xiàng)目中設(shè)計(jì)合理微差間隔時(shí)，主要考慮：(1)相鄰炮孔爆破產(chǎn)生的主震相不疊加，此時(shí)得到微差最小時(shí)間間隔，為τmin；(2)對(duì)于振動(dòng)控制，最理想情況是相鄰爆破間完全無(wú)振速疊加，但由于所需微差時(shí)間間隔長(zhǎng)，導(dǎo)致各炮間不存在相互作用，與微差爆破理念不符，由此得到微差最大時(shí)間間隔，為τmax；(3)相鄰炮孔爆破后，后爆孔產(chǎn)生的初震相不與先爆孔產(chǎn)生的主震相疊加，此時(shí)微差時(shí)間間隔較合理，為τ。由此可知，微差合理時(shí)間間隔的研究涉及的主要參數(shù)有爆心距(監(jiān)測(cè)點(diǎn)到爆源的距離R)和彈性波波速(縱波波速vP、橫波波速vS、面波波速vR)。

根據(jù)莞惠城際區(qū)間復(fù)合地層條件，結(jié)合實(shí)際隧道圍巖分級(jí)情況，利用巖石超聲波參數(shù)測(cè)定儀及縱橫波換能器測(cè)定，各級(jí)圍巖波速判定見(jiàn)表1。

表1 不同圍巖等級(jí)的波速Table 1 Wave velocities of different levels surrounding rock

3 合理微差時(shí)間間隔研究

3.1 不同圍巖段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

為探明在不同圍巖等級(jí)的復(fù)合地層中進(jìn)行微差爆破時(shí)彈性波的特點(diǎn)及傳播規(guī)律，并確定合理微差間隔，選取莞惠城際典型Ⅲ級(jí)和Ⅵ級(jí)圍巖段微差爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。依據(jù)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，雷管段位1、3、5、7、9的名義延時(shí)分別為0、50、110、200、310 ms。典型Ⅲ級(jí)圍巖段(見(jiàn)圖1(a))隧道埋深40 m，主頻62～111.1 Hz，最大段藥量均為12.0 kg；典型Ⅵ級(jí)圍巖段(見(jiàn)圖1(b))隧道埋深18 m，主頻65.0～81.6 Hz，最大段藥量為7.2 kg。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Diagrammatic arrangement of measuring point on site

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)微差爆破前300 ms的振動(dòng)波形,如圖2所示。限于篇幅，僅列出測(cè)點(diǎn)A、B、E、F的波形，R表示爆心距。由圖2可見(jiàn)：(1)在圍巖等級(jí)和微差爆破間隔時(shí)間相同時(shí)，隨著測(cè)點(diǎn)爆心距增加，振動(dòng)波形更易疊加，且爆心距增加幅度越大，波形主震相持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。(2)測(cè)點(diǎn)F出現(xiàn)了較明顯波形疊加效應(yīng)，而測(cè)點(diǎn)A各段位波形基本分離，結(jié)合前述爆心距的影響，當(dāng)圍巖條件變差時(shí)，振動(dòng)波形更易出現(xiàn)疊加。(3)Ⅲ級(jí)圍巖測(cè)點(diǎn)爆心距R=45～60 m，波形持續(xù)時(shí)間tw≈100 ms(7區(qū)基本能夠反應(yīng)一個(gè)完整的波形振動(dòng)過(guò)程)，主震相持續(xù)時(shí)間ts=30～50 ms；Ⅵ級(jí)圍巖測(cè)點(diǎn)爆心距R=25～33 m，波形持續(xù)時(shí)間tw≥100 ms，主震相持續(xù)時(shí)間ts=25～40 ms。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形Fig.2 Vibration waveforms of measuring point on site

表2 彈性波在不同圍巖等級(jí)傳播屬性Table 2 Transport properties of elastic waves of different levels of surrounding rock

由莞惠城際圍巖波速和微差取值方案，不同圍巖等級(jí)中彈性波的波形屬性如表2，微差時(shí)間間隔取值如表3，其結(jié)果均符合波的傳播及衰減規(guī)律。表中，τmin=ts，τ=ts+tR-tP，τmax=tw。參照微差爆破施工過(guò)程中振速不出現(xiàn)明顯疊加(主震相在時(shí)間軸上分離)的原則，表3中的適宜時(shí)間差τ=50 ms，即初步判定微差設(shè)計(jì)方案(雷管段位設(shè)計(jì))較合理，能夠使爆心距R≈25 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大振速出現(xiàn)在此爆心距范圍內(nèi))的主震相不出現(xiàn)明顯的疊加效應(yīng)。

表3 微差時(shí)間間隔取值Table 3 Values of microsecond time interval

3.2 計(jì)算模型

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)分析所得微差時(shí)間間隔的合理性，研究穿越復(fù)合地層條件下的微差降震效果，選擇工程中振速重點(diǎn)控制的Ⅵ級(jí)圍巖段進(jìn)行模擬分析，該區(qū)域地表房屋密集、埋深較淺、開(kāi)挖影響大。為了詳細(xì)描述不同微差時(shí)間間隔下爆破的疊加效應(yīng)，選取掌子面上方地表側(cè)向20 m范圍為重點(diǎn)研究對(duì)象[10]，并考慮振速最大值的位置(位于已開(kāi)挖區(qū)距掌子面5～10 m處地表，爆心距約24 m)布置控制點(diǎn)(見(jiàn)圖3(a))。模型(見(jiàn)圖3(b))中，通過(guò)設(shè)置無(wú)反射條件(除地表為自由面外)，避免邊界處波的反射對(duì)求解域的影響，并以此模擬無(wú)限大空間。模擬掏槽爆破及相鄰段位掘進(jìn)孔爆破，即實(shí)際爆破涉及的段位1、3，設(shè)置兩次微差時(shí)間間隔差為0、2、5、8、10、15、20、30、40、50、70、100、150、200 ms，共14種工況。計(jì)算參數(shù)參考莞惠城際地勘資料、現(xiàn)場(chǎng)材料實(shí)驗(yàn)、規(guī)范，并結(jié)合巖體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行選取，見(jiàn)表4。表中，E為動(dòng)彈性模量，ν為泊松比，ρ為密度。

計(jì)算中，采用Lagrange法模擬炸藥與巖體共用節(jié)點(diǎn)，通過(guò)JWL狀態(tài)方程描述炸藥[11]；不同段位藥量按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際取值；考慮圍巖失效情況，本構(gòu)模型采用塑性動(dòng)力學(xué)模型；為實(shí)現(xiàn)炸藥作用時(shí)間及計(jì)算完整性，單孔爆破作用時(shí)間(三角荷載)為112 ms[12]；模擬時(shí)對(duì)應(yīng)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，但實(shí)際爆破設(shè)計(jì)為不耦合裝藥[13]。因此，依據(jù)兩種裝藥結(jié)構(gòu)在炮孔壁上產(chǎn)生的荷載值相等的原則，對(duì)炸藥爆速進(jìn)行折減，計(jì)算可知爆速為1 200 m/s。

表4 模型力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of the model

圖4 測(cè)點(diǎn)1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振速波形Fig.4 Velocity waveforms of measuring point 1 on site

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)點(diǎn)F的持續(xù)監(jiān)測(cè)，該測(cè)點(diǎn)位于左線隧道開(kāi)挖面后5 m左右時(shí)(對(duì)應(yīng)圖3中測(cè)點(diǎn)1)出現(xiàn)最大振速，為14.6 mm/s，如圖4所示。

圖5 不同微差間隔下測(cè)點(diǎn)1的振速波形Fig.5 Velocity waveforms of measuring point 1 of different microsecond time interval

圖6 各測(cè)點(diǎn)振速波形(τ=200 ms)Fig.6 Velocity waveforms of measuring points

提取測(cè)點(diǎn)1在不同典型微差時(shí)間間隔下的垂向振速波形圖，如圖5所示。

對(duì)比圖4與圖5(c)可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬獲取的波形規(guī)律相似，最大振速、波峰波谷個(gè)數(shù)等均具有較好的耦合性。由圖5可知：隨著微差時(shí)間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，波形疊加效應(yīng)減弱；超過(guò)20 ms時(shí)，主震相已基本分離，此后時(shí)間對(duì)最大振速不會(huì)產(chǎn)生較大影響；20m s時(shí)，第2炮產(chǎn)生的最大振速明顯過(guò)大，表明主震相雖已分離，但與第1炮產(chǎn)生的余震相仍存在疊加；100 ms時(shí)，波形已不存在明顯疊加，兩炮之間基本獨(dú)立。

選取不發(fā)生振動(dòng)波形疊加時(shí)(微差時(shí)間間隔200 ms)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，各測(cè)點(diǎn)垂向振速波形見(jiàn)圖6，圖中，ts1為主震相時(shí)間，ts2為余震相時(shí)間。第1、2炮各測(cè)點(diǎn)最大垂向振速見(jiàn)表5。

由圖6和表5可知：在相同測(cè)點(diǎn)，第1炮產(chǎn)生的振速量值明顯大于第2炮，即掏槽孔爆破對(duì)各質(zhì)點(diǎn)振速影響最大，且各測(cè)點(diǎn)波形均未出現(xiàn)疊加，各炮產(chǎn)生的振動(dòng)波形獨(dú)立；穿越復(fù)合地層時(shí)，爆心距增大將導(dǎo)致主震相、余震相及波的持續(xù)時(shí)間增加，波形更易發(fā)生疊加，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形分析結(jié)果相同；測(cè)點(diǎn)1和3爆心距相同，但其振速波形和量值均不同，已開(kāi)挖土體上方的測(cè)點(diǎn)受空洞效應(yīng)影響顯著，振速明顯大于測(cè)點(diǎn)3，量值分別為14.3和10.6 mm/s。

表5 各測(cè)點(diǎn)垂向最大振速(τ=200 ms)Table 5 Maximum vibration velocities of measuring points

由圖7可知，在復(fù)合地層中采用微差爆破效果明顯好于普通爆破。當(dāng)微差時(shí)間選擇不當(dāng)時(shí)，地表振速將超過(guò)工程安全控制標(biāo)準(zhǔn)15 mm/s；合理間隔能使振速降低，但各測(cè)點(diǎn)適宜的微差時(shí)間間隔不同，如測(cè)點(diǎn)5在40 ms時(shí)振速變大，而測(cè)點(diǎn)6則降低；質(zhì)點(diǎn)爆心距變大時(shí)(測(cè)點(diǎn)5和6)，需更長(zhǎng)微差時(shí)間間隔才能使振速“穩(wěn)定”，主要原因是爆心距增大導(dǎo)致主震相持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，各炮之間更易疊加。

上述分析表明，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均存在最適宜的爆破微差時(shí)間間隔。但實(shí)際工程中，在不同爆心距、地質(zhì)條件、炮孔布置等因素影響下，相鄰炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)波形不同，此時(shí)，理論的最適宜微差時(shí)間間隔無(wú)法應(yīng)用。因此，針對(duì)隧道爆破開(kāi)挖認(rèn)為合理微差時(shí)間間隔的確定，以振速控制區(qū)內(nèi)各炮振速穩(wěn)定且波形不出現(xiàn)疊加效應(yīng)為原則。為更好地描述微差時(shí)間間隔和降震之間的聯(lián)系，引入“降震率”概念[14]：

(6)

式中：v0為齊發(fā)(微差時(shí)間間隔為零)爆破振動(dòng)速度峰值；v為不同微差時(shí)間間隔的速度峰值。

由圖8可知：降震率在微差時(shí)間間隔0～35 ms間變化明顯，但整體上小于穩(wěn)定降震率；在振速較大且控制要求嚴(yán)格的測(cè)點(diǎn)1～4，50 ms時(shí)降震基本保持不變，超過(guò)70 ms時(shí)，各測(cè)點(diǎn)降震率均保持不變。因此，在本復(fù)合地層區(qū)間，微差時(shí)間間隔取50～70 ms較適宜，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)論基本吻合。

圖7 微差時(shí)間間隔與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度關(guān)系曲線Fig.7 Curves of relation between microsecond time interval and peak particle velocity

圖8 微差時(shí)間間隔與降震率關(guān)系曲線Fig.8 Curves of relation between microsecond time interval and reducing-vibration rate

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形分析及數(shù)值模擬結(jié)論均表明，在莞惠城際項(xiàng)目“上軟下硬”復(fù)合地層中微差爆破效果較好，第1、2炮適宜的微差時(shí)間間隔為50～70 ms。

(2)圍巖條件相同，振動(dòng)波形和主震相的持續(xù)時(shí)間均隨著爆心距的增加而變長(zhǎng)；而圍巖條件變差時(shí)，振動(dòng)波形更易出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象。

(3)隨著微差時(shí)間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，20 ms時(shí)波形仍與前炮余震相存在疊加，100 ms時(shí)波形已基本獨(dú)立。降震率在0～35 ms間變化明顯，且整體上小于穩(wěn)定降震率，70 ms后各測(cè)點(diǎn)降震率均保持不變。

(4)在復(fù)合地層中，兩側(cè)點(diǎn)爆心距相同時(shí)，已開(kāi)挖土體上方的測(cè)點(diǎn)受空洞效應(yīng)影響顯著，其振速明顯偏大。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Optimal microsecond time interval of urban tunnel passing through complex strata

Li Zheng, He Chuan, Wang Bo, Yang Saizhou, Guo Xinxin

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

In view of seismic-wave detection, laws of waveform change, and the vibration-reducing effect that different millisecond time intervals have on millisecond blasting in underground engineering, we conducted research on optimal microsecond time interval in the underground blasting for the construction of an urban tunnel passing through complex strata through theoretical and numerical analysis based on the so-called “a soft layer on top of a hard layer” soil condition found with the Guan-Hui inter-city expressway project and the related field test data. Our results show that the effect of millisecond blasting in the complex strata is preferable, the optimal microsecond time interval of the first and second guns is 50-70 ms; under the same surrounding rock conditions, the duration of the vibration waveforms and the main shock phases increase with the distance from the center of the explosion; meanwhile under the unfavorable surrounding rock conditions, the vibration waveforms are more likely to appear superimposed; with the increase of the microsecond time interval, the main shock phases of the first and second guns gradually separate, the vibration-reducing rate fluctuates significantly between 0 and 35 ms and is less than stable; in the complex strata, with the same distances from the center of the explosion at the two measuring points, the points above the hole area have significant influences with relatively greater vibration velocity.

mechanics of explosion; microsecond time interval; vibration waveform; complex strata; reducing-vibration effect; urban tunnel

10.11883/1001-1455(2016)01-0093-08

2014-06-10； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-07-25

2014-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1134208);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378434，51578456); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAG05B03);廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2012-02-032)

李 錚(1987— )，男，博士研究生;

汪 波,ahbowang@163.com。

O383.1;U455國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303520;56045 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A