鄧祥輝,楊 俊,王 睿,張永杰

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223；3.云南省巖土工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650223)

0 引言

目前，隨著交通工程的快速發(fā)展，地下空間利用得到了空前的發(fā)展，新建高速公路鄰近既有建筑物、上下交叉隧道、新建隧道下穿既有道路等工程大量涌現(xiàn)。由于受地形條件、環(huán)境條件以及工程地質(zhì)條件的制約，新建隧道往往不得不下穿既有道路。當(dāng)下穿段圍巖埋深淺，圍巖質(zhì)量較差時(shí)，隧道爆破施工極易引起上部道路發(fā)生不均勻沉降、路面開裂，甚至道路失穩(wěn)坍塌等工程問題[1-2]。因此，在分析爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)多孔爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論計(jì)算公式，預(yù)測關(guān)鍵點(diǎn)爆破振動(dòng)速度，對(duì)選擇合理的施工工法和爆破方案，保證新建隧道和既有道路安全就顯得尤為重要。

1 爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論分析

1.1 質(zhì)點(diǎn)峰值振速計(jì)算中存在的問題

爆破施工中，判斷爆破振動(dòng)對(duì)既有建(構(gòu))筑物的影響，主要采用爆破振動(dòng)速度作為判斷依據(jù)[3]。目前，確定爆破振動(dòng)速度的方法主要有數(shù)值模擬和理論分析2種方法[4-5]。通過數(shù)值模擬，可計(jì)算爆破過程中臨近建筑物的受力、位移以及關(guān)鍵點(diǎn)峰值振速，以此來判斷爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響[6]。姚勇等[7]以都汶高速董家山隧道為例，采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了隧道施工的爆破振速，并分析了其對(duì)先建隧道的影響和主要影響部位；李君君等[8]以五山連拱隧道為工程背景，模擬了隧道施工對(duì)臨近建筑物基礎(chǔ)的影響，并分析了爆破振速的分布規(guī)律；李秀地等[9]采用模擬分析了新建隧道爆破對(duì)臨近運(yùn)營隧道的影響，通過對(duì)比數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試的結(jié)果，提出臨近運(yùn)營線新建隧道爆破藥量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

采用理論方法預(yù)測質(zhì)點(diǎn)爆破振速是非常重要的問題。在理論分析方法基礎(chǔ)上，結(jié)合Sadovsk公式及其他經(jīng)驗(yàn)公式予以預(yù)測，并將其用于爆破試驗(yàn)，以擬合地形地質(zhì)相關(guān)系數(shù)和爆破震動(dòng)衰減指數(shù)，進(jìn)而獲得較為切合實(shí)際情況的PPV計(jì)算公式，并對(duì)下一次的峰值振速進(jìn)行預(yù)測或?qū)ψ畲髥雾懰幜坑枰苑此?。陳慶等[10]根據(jù)萬松嶺隧道的實(shí)際施工情況，結(jié)合現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果，建立了預(yù)測質(zhì)點(diǎn)峰值振速的模型；于建新等[11]以新建走馬崗隧道上穿東深供水走馬崗引水隧洞工程為背景，開展上下交叉隧道爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究，在實(shí)際爆破振動(dòng)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，得到了符合走馬崗隧道爆破施工方案的爆破振動(dòng)速度分布規(guī)律；吳亮等[12]分析了隧道施工中爆源附近圍巖關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性，并推導(dǎo)了圍巖關(guān)鍵塊體安全振速的計(jì)算表達(dá)式。綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的計(jì)算取得了一些成果。其中，盧文波等[13]提出考慮多孔起爆時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的公式：

(1)

式中：ρ0為巖石密度，kg/m3；rb為炮孔半徑，m；p0為炮孔壁的峰值壓力，MPa；R為爆心距，m；k為與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，α為爆破振動(dòng)衰減指數(shù)，k和α通過現(xiàn)場測試予以確認(rèn)；k′為多孔同段位下起爆的修正因子，與同一段位的爆破孔數(shù)、計(jì)算點(diǎn)的位置、炮孔的連線等有關(guān)；v0為炮孔壁上即rb=R時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速，m/s；C0為巖石縱波波速，m/s。

式(1)能夠反映炸藥的類別，裝藥的結(jié)構(gòu)，炮孔直徑、巖石的力學(xué)參數(shù)等對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響。但也存在如下問題：1)隧道爆破掘進(jìn)中，常常采用多炮孔多段位雷管起爆，此時(shí)采用單炮孔半徑作為rb進(jìn)行計(jì)算并不合理，應(yīng)該按照多炮孔多段位起爆的半徑進(jìn)行取值；2)實(shí)際爆破中裝藥不耦合系數(shù)存在差異，而且常使用多段延時(shí)雷管，導(dǎo)致炮孔壁上峰值壓力不同，導(dǎo)致難以確定p0；3)根據(jù)目前的研究情況，雖然有學(xué)者提出當(dāng)炮孔半徑小于400倍的爆心距時(shí)，多孔影響系數(shù)可通過炮孔數(shù)目近似取值[14]，但這種提法既沒有理論依據(jù)，也未通過實(shí)測加以證實(shí)。因此，修正系數(shù)k′在實(shí)際計(jì)算時(shí)很難確定。

1.2 質(zhì)點(diǎn)峰值振速修正公式

針對(duì)多孔多段爆破中的rb，p0和k′較難確定的問題，將已有成果和現(xiàn)場開挖數(shù)據(jù)相結(jié)合來確定。具體思路如下：

1)確定多炮孔等效半徑re的方法

實(shí)際施工中，采用多孔多段延時(shí)爆破。如果用公式(1)中rb計(jì)算質(zhì)點(diǎn)峰值振速則與實(shí)際明顯不符。因此，本文采用等效炮孔半徑re代替rb。根據(jù)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，爆破時(shí)周邊眼雖然孔數(shù)較多，但裝藥量一般為輔助眼的1/3～1/2，且為不耦合不連續(xù)裝藥，振動(dòng)產(chǎn)生的影響明顯小于輔助眼爆破。而輔助眼在爆破時(shí)，因其位置較為分散，且相較于掏槽眼爆破朝向臨空面，所以，即使輔助眼裝藥量較多，輔助眼爆破振動(dòng)影響仍小于掏槽眼，因此，掏槽眼處的爆破振動(dòng)最大。

另外，由本工程爆破方案可知，掏槽眼斜插角度僅為70°～75°，因此，可忽略角度影響。根據(jù)爆破振動(dòng)對(duì)周邊巖體損傷程度的劃分，可將其分為粉碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)。將多炮孔爆破等效為單炮孔爆破，并將等效爆破荷載施加到等效彈性邊界上。忽略多炮孔爆破的相互作用，則掏槽眼起爆時(shí)等效彈性邊界可近似認(rèn)為是各孔破碎區(qū)的包絡(luò)線[15]。炮孔等效半徑re如圖1所示。

圖1 掏槽眼等效彈性邊界Fig.1 Equivalent elastic boundary of cut holes

2)確定等效峰值壓力pe的方法

在計(jì)算中，炮孔壁峰值壓力來自多炮孔爆破。因此，pe可近似為單孔爆破峰值壓力與η的乘積。單個(gè)炮孔爆炸應(yīng)力波傳播是以指數(shù)的形式衰減，此時(shí)等效掏槽眼孔壁上受到等效峰值壓力pe可按下式計(jì)算[15]：

(2)

式中：η為多孔起爆時(shí)荷載影響系數(shù)，與掏槽眼的個(gè)數(shù)和炮孔布置有關(guān)；p0為單孔爆破炮孔壁峰值壓力，MPa；pe為多炮孔爆破炮孔壁上等效峰值壓力，MPa；μ為動(dòng)泊松比；r1和r2分別為粉碎區(qū)和破碎區(qū)半徑，m。柱狀常規(guī)炸藥爆炸時(shí)，r1為裝藥半徑的3～5倍，r2為裝藥半徑的10～15倍。

隧道爆破開挖時(shí)常采用不耦合裝藥，根據(jù)Chapman-Jouguet理論，在不耦合裝藥條件下，單炮孔的炮孔壁峰值壓力p0計(jì)算公式為：

(3)

式中：ρe為炸藥密度,g/mm3；dc為裝藥直徑，m；D為炸藥爆轟速度，m/s；db為炮孔直徑，m；γ為等熵指數(shù)，一般取3.0。

多孔起爆時(shí)，荷載影響系數(shù)η為[16]：

(4)

式中：re為掏槽眼等效彈性邊界半徑，m；n為掏槽眼個(gè)數(shù)。

3)確定修正系數(shù)k′的方法

根據(jù)等效原理，把多個(gè)炮孔爆破形成的整個(gè)非彈性區(qū)等效為單個(gè)爆源。這樣，k′近似為1.0。根據(jù)上面的分析，多孔多段爆破的質(zhì)點(diǎn)峰值振速公式可修正為：

(5)

公式(5)最大的特點(diǎn)在于考慮了隧道實(shí)際施工中炮孔分區(qū)、分段起爆的情況，并且公式中各參數(shù)具有明顯的物理意義。

2 工程概況

寶雞到漢中高速公路關(guān)林子隧道為雙向6車道，左線隧道長420 m，右線隧道長509 m，屬短隧道；隧道開挖斷面較大，共計(jì)158.8 m2，且新建隧道下穿G316道路出口段，國道一側(cè)為山體，另一側(cè)為褒河。下穿段為全-強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。

2.1 新建隧道與既有G316道路的位置關(guān)系

關(guān)林子隧道出口段位于褒河右岸谷坡坡腳，左、右線出口相距34 m。316國道分別與左、右線隧道呈40°和45°斜交，其中與左線斜交樁號(hào)ZK159+733處埋深僅為6.07 m，與有限斜交樁號(hào)YK159+801處埋深僅為4.05 m。新建隧道出口段與既有道路關(guān)系如圖2所示。

圖2 新建隧道與既有道路相對(duì)關(guān)系Fig.2 Relationship between new tunnel and existing road

從上述分析可見，本工程地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，車流量較大，在正常施工條件下，保證新建隧道和316國道安全的難度極大。

2.2 新建隧道施工工法與支護(hù)參數(shù)

新建隧道下穿316國道段為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，屬于Ⅴ級(jí)圍巖。隧道超前采用雙層Φ159×0.01 m管棚支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為：鋼架為I22b型，間距0.5 m/榀；噴射0.28 m厚C25混凝土；設(shè)置Φ22砂漿錨桿，長4.0 m，間距1 m×1 m；拱墻掛設(shè)雙層Φ8鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)間距為0.2 m×0.2 m。隧道洞口段采用CRD法施工。

3 現(xiàn)場測試與分析

3.1 爆破方案

關(guān)林子隧道下穿316國道段采用CRD法施工，進(jìn)尺為1.0 m。新建隧道采用光面爆破開挖。掏槽眼為楔形掏槽結(jié)構(gòu)，共計(jì)4個(gè)，每孔深1.2 m；周邊眼每孔深1.0 m，以間距0.5 m排列。左上部分和右上部分分別為37和24個(gè)；左上部分和右上部分裝藥量分別為27.8 kg和26.4 kg；延時(shí)雷管共采用7個(gè)段位。具體爆破方案如圖3所示，圖中數(shù)字為雷管段位編號(hào)。

圖3 隧道爆破方案Fig.3 Design of tunnel blasting scheme

3.2 爆破振動(dòng)測試方案

由于新建隧道左線和右線距離316國道垂直距離僅6.07和4.05 m，隧道爆破施工嚴(yán)重威脅上部316國道的安全。為測試最大爆破振速，測試斷面應(yīng)布置在隧道施工正上方，以隧道拱頂對(duì)應(yīng)的路面點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在其左右兩側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)。

3.3 爆破振動(dòng)監(jiān)測儀器參數(shù)設(shè)置

爆破振動(dòng)效果觀測系統(tǒng)由TC-4850爆破振動(dòng)記錄儀、TCS-B3型三向振動(dòng)速度型傳感器、低噪聲屏蔽電纜和計(jì)算機(jī)組成。在正常爆破施工條件下，通過試爆可得爆破最大振速為60 mm/s。為防止附近振動(dòng)干擾信號(hào)使儀器失誤觸發(fā)，將觸發(fā)電平值設(shè)為3 mm/s。爆破振動(dòng)周期設(shè)為2 s，延時(shí)設(shè)為-100 ms。

在開始施工前，應(yīng)先確認(rèn)隧道拱頂與路面基點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，在兩側(cè)每5 m布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，本次測試1個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)測點(diǎn)，測試中將傳感器固定在測點(diǎn)上。傳感器測得的數(shù)據(jù)方向設(shè)置情況如下：X軸平行于隧道掌子面，Y軸平行于隧道軸線，豎直方向?yàn)閆軸?，F(xiàn)場布設(shè)儀器如圖4所示。

圖4 監(jiān)測儀器布置Fig.4 Monitoring instrument layout

3.4 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

未驗(yàn)證爆破方案的可行性，選擇ZK159+725斷面和ZK159+735斷面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于采用分段延時(shí)起爆，在測試前對(duì)爆破振動(dòng)儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以保證每1個(gè)段位爆破產(chǎn)生的地震波形不發(fā)生相互疊加，試爆監(jiān)測結(jié)果如表1和表2所示。

表1 ZK+725斷面關(guān)鍵點(diǎn)振速及相關(guān)參數(shù)Table 1 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+725 section

表2 ZK+735斷面關(guān)鍵點(diǎn)振速及相關(guān)參數(shù)Table 2 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+735 section

從表1和表2可見，2個(gè)斷面的質(zhì)點(diǎn)峰值振速均出現(xiàn)在掏槽眼爆破時(shí)。其中，ZK+725斷面處爆破最大振速為5.8 mm/s，出現(xiàn)在左上部位開挖的測點(diǎn)1處；最小振速為3.2 mm/s，出現(xiàn)在右上部位開挖的測點(diǎn)4處；而ZK+735斷面處爆破最大振速為13.2 mm/s，出現(xiàn)在左上部位開挖的測點(diǎn)1處；最小振速為3.7 mm/s，出現(xiàn)在左上部位開挖的測點(diǎn)4處。從爆破振速數(shù)值看，測試結(jié)果均不大，而且基本上呈“中間大兩端小”的分布規(guī)律，這與實(shí)際情況比較吻合。

3.5 修正公式的相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)爆破試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本文修正的公式(5)進(jìn)行回歸分析，以確定相關(guān)參數(shù)k和α。炸藥密度ρe按照《爆破手冊》選取為1.0×10-3g/mm3，爆速D為3 500 m/s；根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范Ⅴ級(jí)圍巖巖石密度ρ0為2.0×10-3g/mm3，泊松比μ為0.35；炮孔直徑db為0.042 m；裝藥直徑dc為0.032 m；縱波波速根據(jù)相關(guān)規(guī)范[17]取2 000 m/s。采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行回歸分析，根據(jù)現(xiàn)場測試的20個(gè)測試點(diǎn)振動(dòng)速度測試結(jié)果可以得到公式(5)的相關(guān)參數(shù)k和α。其中，與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)k為31.78，爆破振動(dòng)衰減指數(shù)α為2.256。因此，多孔質(zhì)點(diǎn)爆破峰值振速擬合曲線為：

v=492.34×(0.816/R)2.256

(6)

根據(jù)測試結(jié)果，可得相關(guān)系數(shù)為0.816，說明擬合曲線能較準(zhǔn)確反映路面關(guān)鍵點(diǎn)峰值振速分布情況。

3.6 對(duì)比分析

為驗(yàn)證修正公式的可靠性，對(duì)關(guān)林子隧道YK159+801斷面爆破施工進(jìn)行了爆破振速監(jiān)測，測試結(jié)果如圖5和表3所示。同時(shí)，采用公式(6)計(jì)算了YK159+801斷面10個(gè)測點(diǎn)的最大爆破振速，具體結(jié)果如表3所示。

表3 ZK+801斷面關(guān)鍵點(diǎn)爆破振動(dòng)速度及相關(guān)參數(shù)Table 3 Key point vibration velocity and related parameters of ZK+801 section

圖5 ZK+801斷面關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)測最大振速Fig.5 Measured maximum vibration speed of key points for ZK+801 section

從表3和圖5可見，隧道左、右線爆破開挖最大爆破振速分別為23.5 mm/s和20.9 mm/s，發(fā)生部位分別為測點(diǎn)1處和測點(diǎn)2處。隧道左、右線爆破開挖最小爆破振速分別為5.6 mm/s和5.2 mm/s，發(fā)生部位分別為測點(diǎn)4處和測點(diǎn)3處。從振速最大值和最小值分布規(guī)律來看，與ZK159+725和ZK159+735斷面測試結(jié)果類似。通過計(jì)算得到的理論值可知，測點(diǎn)爆破振速大體上也符合“中間大，兩端小”的規(guī)律。從10個(gè)測點(diǎn)的測試值與理論計(jì)算值的誤差看，最小相對(duì)誤差為1.92%，最大為25.34%，平均相對(duì)誤差為13.88%，說明本文提出的修正公式可以有效預(yù)測本工程的爆破振動(dòng)速度。

4 結(jié)論

1)隧道爆破開挖中，計(jì)算質(zhì)點(diǎn)峰值振速時(shí)rb，p0和k′等參數(shù)難以確定，本文采用等效方法修正了多孔爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論計(jì)算公式。

2)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相對(duì)誤差最小值為1.92%，最大值為25.34%，平均相對(duì)誤差為13.88%，說明本文提出的修正公式是合理可行的。