胡利平

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著高速公路的發(fā)展，雙洞隧道在選擇線(xiàn)路時(shí)受到地質(zhì)條件限制，致使兩相鄰隧道無(wú)法保證最小凈距的要求，因此小凈距隧道應(yīng)運(yùn)而生。由于圍巖的性質(zhì)一般不均一，故在隧道施工中很難選用隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM（Tunnel boring machine）或者盾構(gòu)法，而較多采用鉆爆法施工。在隧道爆破開(kāi)挖的過(guò)程中，爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)相鄰隧道施工相互影響的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，當(dāng)振動(dòng)波速度幅值較大時(shí)可能對(duì)小凈距隧道先行洞圍巖造成一定破壞，影響隧道的安全施工。因此對(duì)小凈距隧道爆破施工過(guò)程中，隧洞不同位置爆破振動(dòng)速度規(guī)律的探究是隧道施工中一個(gè)重要研究課題。

截至目前，已有許多學(xué)者對(duì)隧道爆破進(jìn)行了研究。王明年［1］等應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析兩種方法對(duì)開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定進(jìn)行了分析研究。趙東平［2］等以小凈距交叉隧道為例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新建隧道在距離隧道交叉點(diǎn)10 m以外位置以全斷面法爆破施工時(shí)，下方既有公路隧道僅受到較小的影響；當(dāng)其在距離交叉點(diǎn)10 m以?xún)?nèi)位置以全斷面法爆破施工時(shí)，既有公路隧道二次襯砌振動(dòng)速度超標(biāo)，而采用臺(tái)階法爆破施工時(shí)，新建隧道可安全通過(guò)。龔建伍［3］等以福州國(guó)際機(jī)場(chǎng)高速公路鶴上三車(chē)道小凈距隧道為依托工程，通過(guò)監(jiān)測(cè)巖柱振動(dòng)速度大小，研究爆破振動(dòng)速度分布規(guī)律。申玉生［4］等結(jié)合襄胡二線(xiàn)新劉家溝隧道實(shí)際工程，通過(guò)對(duì)既有花果山隧道的四次爆破振動(dòng)測(cè)試分析及一次爆破驗(yàn)證，說(shuō)明爆破振動(dòng)的參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度能夠客觀反映現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況和衰減規(guī)律，新建隧道施工爆破對(duì)爆心距最小的左邊墻影響最大。蔚立元［5］等通過(guò)數(shù)值模擬得出爆破施工對(duì)海底隧道巖石覆蓋層的影響范圍在15 m之內(nèi)的結(jié)論；施工洞和服務(wù)洞的圍巖振動(dòng)影響較大，且爆破工作面前方的爆破振動(dòng)強(qiáng)度大于后方，在其影響范圍內(nèi)應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)并推遲二次襯砌的施作。羅憶［6］對(duì)爆破地震波作用下巖體中波的傳播問(wèn)題和邊坡動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題的不同破壞機(jī)理加以區(qū)分，在爆破振動(dòng)安全判據(jù)中對(duì)振動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間的影響加以考慮。田志敏［7］等采用三維有限元計(jì)算方法，分析了炸藥裝藥形狀、炸藥引爆位置對(duì)爆炸荷載分布的影響；研究了作用于隧道襯砌上的反射沖擊波荷載峰值分布規(guī)律，給出了襯砌上反射超壓峰值的估計(jì)公式。朱正國(guó)［8］等以南京地鐵超小凈距隧道為工程背景，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果和規(guī)范，研究確保小凈距先行隧道安全穩(wěn)定的后行隧道爆破施工控制技術(shù)。通過(guò)三維數(shù)值模擬計(jì)算，得到先行隧道壁面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，所得最大振速符合規(guī)范要求，也再次驗(yàn)證了優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)是合理的。張?jiān)屏迹?］等以湖南省某隧道為工程依托，建立小凈距隧道后行洞爆破施工的數(shù)值模型，得出先行洞襯砌迎爆側(cè)振速較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力和振速極值均位于先行洞迎爆側(cè)墻腰處；支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力值相差不大。賈磊［10］等建立了爆破施工對(duì)既有襯砌振動(dòng)影響的數(shù)值模型，得出在既有隧道迎爆側(cè)的拱腳和墻腰部位，襯砌受到爆破施工影響最顯著；新建隧道爆破施工時(shí)，開(kāi)挖的進(jìn)尺越大，既有襯砌的振速就越高；既有襯砌受隧道間的距離影響顯著，隧道間距越大，既有襯砌的振動(dòng)速度受影響越小。魯衛(wèi)華［11］等結(jié)合小凈距公路隧道后行洞開(kāi)挖過(guò)程中的爆破監(jiān)測(cè)情況，對(duì)質(zhì)點(diǎn)垂直和水平振動(dòng)速度進(jìn)行回歸分析，推導(dǎo)出了爆破振動(dòng)傳播衰減規(guī)律，進(jìn)而得到控制隧道爆破開(kāi)挖的單段最大藥量。王照剛［12］等針對(duì)爆破應(yīng)力波產(chǎn)生的巷道圍巖振動(dòng)破壞問(wèn)題，基于彈性波理論，建立了彈性空間體中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型。計(jì)算并分析了爆破應(yīng)力波作用下的巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)位移及振動(dòng)速度波形特征，研究了單次最大起爆藥量和巖體彈性模量對(duì)巖體質(zhì)點(diǎn)位移和振動(dòng)速度波形的影響。

本文借鑒前人研究的小凈距隧道爆破施工對(duì)近距隧道影響經(jīng)驗(yàn)，對(duì)在爆破作用下的先行洞圍巖爆破振動(dòng)速度進(jìn)行探究，研究結(jié)果可為以后小凈距隧道爆破的設(shè)計(jì)與施工提供經(jīng)驗(yàn)。

2 依托工程概況

蒙古道隧道是扎倒公路扎麻隆至倒淌河標(biāo)段重點(diǎn)控制工程。隧道為雙線(xiàn)分離式，其中左隧道全長(zhǎng)630 m，右隧道全長(zhǎng)565 m，隧道位于曲線(xiàn)上。隧道內(nèi)行車(chē)道最大寬度為14 m，拱頂最大高度8.1 m，最大埋深約142 m（見(jiàn)圖1）。隧道圍巖類(lèi)別以Ⅳ、Ⅴ類(lèi)為主。為了保證隧道小凈距段的施工安全，在蒙古道隧道出口段后行洞掘進(jìn)爆破時(shí)實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。后行洞采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，其中上臺(tái)階為楔形掏槽孔掘進(jìn)爆破，下臺(tái)階為水平拉槽爆破。根據(jù)以往研究成果，上臺(tái)階掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度較大，所以監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象為上臺(tái)階爆破。為了降低爆破振速?zèng)Q定采用微差爆破，微差爆破上臺(tái)階炮孔平面布置如圖2所示。圖中 1、5、7、9、10、11雷管段別為0ms、110 ms、220 ms、310 ms、380ms、460ms。開(kāi)挖鉆爆參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 小凈距隧道出口段示意（單位：m）

圖2 上臺(tái)階炮孔平面布置

表1 Ⅳ級(jí)圍巖段上臺(tái)階開(kāi)挖鉆爆參數(shù)

3 數(shù)值模擬

此次爆破影響分析選用Midas/GTSNX模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)小凈距隧道位置關(guān)系建立計(jì)算模型，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。隧道左洞和右洞間中夾巖厚度為38.5 m，模型的長(zhǎng)、寬、高分別為174 m、144 m、70 m，模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。采用黏性阻尼邊界條件模擬地形概貌。

表2 爆破振動(dòng)模擬參數(shù)

本次模擬假定爆破荷載作用在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖輪廓線(xiàn)上，作用方向垂直于輪廓線(xiàn)。采用彈性邊界分析其特征值，采用黏性邊界進(jìn)行時(shí)程分析。

建立隧道爆破開(kāi)挖斷面K50＋586的數(shù)值模型，計(jì)算蒙古道隧道出口K50＋580～K50＋650段在爆破振動(dòng)波作用下的振速變化規(guī)律。爆破點(diǎn)位于左洞掌子面處。隧道爆破施工在小凈距隧道左洞，觀測(cè)隧道右洞各質(zhì)點(diǎn)的振速情況。

圖3為蒙古道隧道右洞噴混結(jié)構(gòu)X方向最大振速圖。在隧道Ⅳ級(jí)圍巖段和Ⅴ級(jí)圍巖段均出現(xiàn)極大值，且極大值的大小相差不大，Ⅳ級(jí)圍巖段爆破振動(dòng)極大值為4.92 cm/s，Ⅴ級(jí)圍巖段爆破振動(dòng)極大值為4.91 cm/s。Ⅳ級(jí)圍巖段和Ⅴ級(jí)圍巖段爆破振動(dòng)極大值均出現(xiàn)在隧道迎爆側(cè)拱腰位置，在此處圍巖受爆破振動(dòng)影響最為嚴(yán)重；對(duì)于隧道背爆側(cè)噴混結(jié)構(gòu)而言，爆破振動(dòng)對(duì)其影響較小，振速基本在1 cm/s以下；隧道拱頂處爆破振動(dòng)速度介于迎爆側(cè)和背爆側(cè)之間。在爆破振動(dòng)振速監(jiān)測(cè)中以迎爆側(cè)監(jiān)測(cè)為主。

圖3 噴混結(jié)構(gòu)X方向最大振速

隧道右洞噴混結(jié)構(gòu)振速圖中出現(xiàn)兩個(gè)極大值點(diǎn)，出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)楸普駝?dòng)波衰減在Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖中不同，根據(jù)薩道夫斯基公式：

式中，V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；K為與介質(zhì)和爆破條件因素有關(guān)的系數(shù)；Q為一次齊發(fā)總藥量；R為爆源至保護(hù)建筑的距離；α為振動(dòng)衰減系數(shù)。

在薩氏公式中K、α的選取與隧道圍巖堅(jiān)硬程度有關(guān)，具體可按表3進(jìn)行選取。從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，巖石越軟K、α值越大，因此質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V值也就相對(duì)越大，才會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn)的情況。

表3 爆區(qū)不同巖性K、α

為了更清晰地了解爆破振速在隧道圍巖中的衰減過(guò)程，提取右洞鄰近截面的最大振速圖（見(jiàn)圖4）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖段間有明顯的分界面，不同的衰減速度導(dǎo)致了右洞噴混結(jié)構(gòu)和左洞噴混結(jié)構(gòu)振速最大值相差不大。

圖4 爆破振速變化示意

圖5為蒙古道隧道噴混結(jié)構(gòu)Z方向最大振速圖。隧道Ⅴ級(jí)圍巖段拱肩部位出現(xiàn)極大值點(diǎn)，極大值為4.41 cm/s，Ⅳ級(jí)圍巖段爆破振動(dòng)極大值為4.02 cm/s，相比于Ⅴ級(jí)圍巖段極值略小。計(jì)算分析同樣表明，爆破振動(dòng)速度極大值在X、Y、Z方向的分布不同，但最大值處仍集中在隧道爆源近區(qū)，爆源遠(yuǎn)區(qū)的爆破振動(dòng)值相對(duì)較小。因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注爆源近區(qū)振速大小，確保隧道施工的安全進(jìn)行。

圖5 噴混結(jié)構(gòu)Z方向最大振速

對(duì)于隧道迎爆側(cè)拱腰位置質(zhì)點(diǎn)合速度和X、Y、Z方向振動(dòng)速度，X方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度要明顯大于Y、Z方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，合速度的大小主要由X方向振動(dòng)速度決定。在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)曲線(xiàn)中出現(xiàn)7個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)微差爆破時(shí)間，7個(gè)極值點(diǎn)分離明顯，可以忽略不計(jì)。

考慮爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道迎爆側(cè)影響較大，數(shù)值計(jì)算中重點(diǎn)分析迎爆側(cè)拱頂、拱肩、拱腰和拱腳位置的振動(dòng)速度規(guī)律。選取典型位置點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的各個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值曲線(xiàn)

由圖6可知，從拱頂?shù)焦澳_位置，徑向振速（迎爆側(cè)X方向）呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大振速出現(xiàn)在拱腰位置（4.17 cm/s），拱肩處次之（3.64 cm/s），拱頂處最?。?.90 cm/s）；Y方向振速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大振速出現(xiàn)在拱肩位置（3.92 cm/s），拱腰次之（3.47 cm/s），拱腳處最小（3.14 cm/s）；Z方向各處振速基本相同且小于X、Y方向振速。隧道拱腰和拱肩處的振動(dòng)速度明顯大于其他位置，是最危險(xiǎn)處，此處振動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致噴混結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而可能影響隧道右洞施工。因此，時(shí)刻關(guān)注振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（尤其是迎爆側(cè)）對(duì)隧道左洞的安全施工具有重要意義。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為了研究后行洞上臺(tái)階掘進(jìn)爆破引起的振動(dòng)效應(yīng)，在先行洞迎爆側(cè)的邊墻上沿隧道軸線(xiàn)方向布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距D為10 m，測(cè)點(diǎn)的起點(diǎn)位置為先行洞隧道出口10 m處。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置TC-4850爆破測(cè)振儀傳感器，傳感器布置見(jiàn)圖7。圖中 P1、P2、P3、P4、P5、P6為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，陰影部分為未開(kāi)挖圍巖段。每個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)垂直、水平、徑向振動(dòng)速度傳感器。

圖7 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道平面布置示意（單位：m）

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

從表4的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，采用微差爆破減震方式可以較好地實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)的控制，其中徑向速度最大值為5.28 cm/s，低于振速控制標(biāo)準(zhǔn)值12 cm/s，切向和垂向振速均小于徑向振速。爆破最大振速對(duì)應(yīng)的頻率主要集中在30.07～54.74 Hz之間。徑向振速在P3和P6測(cè)點(diǎn)處要大于其他測(cè)點(diǎn)振速，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算中的振速規(guī)律。

表4 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為了更好地觀察爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特征，采用MATLAB軟件中Hilbert-Huang變換分析爆破振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)能量特征。

圖8為Ⅳ級(jí)圍巖段后行洞爆破施工采用7段微差爆破時(shí)，先行洞迎爆側(cè)拱腰部位某振動(dòng)點(diǎn)信號(hào)波形圖?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)最大爆破振速發(fā)生在檢測(cè)信號(hào)的100～200ms之間，并未出現(xiàn)在掏槽爆破階段。掏槽爆破并沒(méi)有使巖石的夾制作用降低多少，直至到100～200ms間爆破作用的拋擲效應(yīng)才顯現(xiàn)。對(duì)典型爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，分析信號(hào)的EMD分解模態(tài)函數(shù)（IMF），發(fā)現(xiàn)其本征模態(tài)函數(shù)（IMF）幅值在原始爆破振動(dòng)信號(hào)中集中在前三個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF 1、IMF 2、IMF 3），其余本征模態(tài)函數(shù)振幅值明顯較小且頻率小于2 Hz，判定為干擾信號(hào)。因此選取前三個(gè)本征模態(tài)函數(shù)作為Hilbert變換到爆破振動(dòng)信號(hào)Hilbert譜。從爆破振動(dòng)信號(hào)Hilbert譜可見(jiàn)，爆破振動(dòng)頻率主要集中在30～60 Hz之間，信號(hào)的振幅較大區(qū)域集中在0.1～0.2 s之間。為了更加清楚地觀察爆破振動(dòng)信號(hào)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用情況，現(xiàn)對(duì)信號(hào)的Hilbert譜頻率積分可得振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)能量譜（見(jiàn)圖9）。

圖8 爆破振動(dòng)徑向速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖9 爆破振動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)能量譜

瞬時(shí)能量譜中包含3個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF），第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)能量譜要明顯大于其他兩個(gè)，表明第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)所攜帶的能量要明顯大于其他兩個(gè)。在瞬時(shí)能量譜中極大值點(diǎn)表示一次瞬時(shí)能量的作用，可以發(fā)現(xiàn)7個(gè)極值點(diǎn)代表了微差爆破的7段。瞬時(shí)能量在前三段連接較為緊密，微差爆破間隔時(shí)間較短，后四段分離明顯，微差爆破間隔時(shí)間較長(zhǎng)。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)小凈距隧道后行洞爆破施工時(shí)先行洞振動(dòng)速度規(guī)律進(jìn)行探究，結(jié)果表明：

（1）隧道爆破切向和垂向振速均小于徑向振速。爆破最大振速對(duì)應(yīng)的頻率主要集中在30.07～54.74 Hz之間。

（2）Hilbert-Huang變換分析爆破振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)能量特征能夠更加全面地觀察微差爆破的效果。

（3）小凈距隧道先行洞迎爆側(cè)振速值要明顯大于背爆側(cè)振速值；小凈距隧道先行洞迎爆側(cè)拱腰部位和先行洞迎爆側(cè)洞口方向均出現(xiàn)爆破振速極大值，爆破振速衰減速度與隧道圍巖的特性有顯著關(guān)系。