潘亞輝 饒?chǎng)? 楊靜蕓 付海峰

摘要：鄂北地區(qū)水資源配置工程優(yōu)良隧洞為淺埋隧洞，隧洞下穿國(guó)道、居民樓等既有建（構(gòu)）筑物。隧洞施工過(guò)程中，爆破施工對(duì)居民樓產(chǎn)生了爆破振動(dòng)影響，利用有限元方法對(duì)爆破振動(dòng)及地面沉降影響進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與爆破試驗(yàn)測(cè)試成果偏差不大，通過(guò)優(yōu)化施工參數(shù)可以有效減少居民樓振動(dòng)及沉降帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：淺埋隧洞;隧洞開(kāi)挖;爆破振動(dòng);地面沉降;有限元數(shù)值分析;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：U456.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.019

Abstract： Youliang Tunnel， a part of the North Hubei Water Transfer Project， is a shallow tunnel， and it lies underneath a national highway， residential buildings and other existing buildings and structures. Tunnel blasting construction affected the nearby residential buildings， thus we employed the Finite Element method to conduct numerical analysis on blasting vibrations and ground subsidence. The results showed that the calculated results were not deviate much from the actual results， optimizing construction parameters can effectively reduce safety risks regarding blasting vibrations and ground subsidence.

Key words： shallow tunnel; tunnel excavation; blasting vibration; ground subsidence; finite element analysis; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鄂北工程”）以丹江口水庫(kù)為水源，自丹江口水庫(kù)清泉溝取水，自西北向東南橫穿鄂北崗地。工程輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)267.67 km，其中隧洞長(zhǎng)119.43 km，工程設(shè)計(jì)年引水量7.7億m3，設(shè)計(jì)供水人口482萬(wàn)人，灌溉面積約24.23 萬(wàn)hm2 （363.5萬(wàn)畝）。

優(yōu)良隧洞（131+215～131+945）位于棗陽(yáng)市劉河村以東約260 m，長(zhǎng)0.73 km，直線(xiàn)布置。隧洞圍巖為中元古界白云鈉長(zhǎng)石英片巖，為中硬巖，屬Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，極不穩(wěn)定，隧洞淺表覆蓋有第四系坡積物。隧洞設(shè)計(jì)引水流量26.7 m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1∶11 000，斷面為馬蹄形，凈空尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高）。

隧洞沿線(xiàn)地表附近的建（構(gòu)）筑物有各類(lèi)民房、工業(yè)廠房、加氣站及G316國(guó)道，自西向東依次下穿G316國(guó)道、5層居民樓、廠房以及化工廠。隧洞進(jìn)口開(kāi)挖邊線(xiàn)距離G316國(guó)道道路邊緣最小距離為16.48 m。地表一處加氣站到隧洞軸線(xiàn)最小水平距離僅7.20 m，距離隧洞開(kāi)挖頂部高程14.00 m。

為確保優(yōu)良隧洞施工安全順利地進(jìn)行，減少施工過(guò)程中爆破的干擾，要考慮隧洞爆破振動(dòng)和爆破開(kāi)挖誘發(fā)的地面沉降可能對(duì)這些建（構(gòu)）筑物等保護(hù)對(duì)象安全造成的影響。

2 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

優(yōu)良隧洞爆破開(kāi)挖施工環(huán)境復(fù)雜，需保證引水隧洞沿線(xiàn)地面建（構(gòu)）筑物的安全，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)爆破，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。測(cè)試隧洞掏槽孔爆破、輔助孔爆破及光面孔爆破誘發(fā)的爆破振動(dòng)，分析爆破振動(dòng)的傳播與衰減規(guī)律。

通過(guò)兩次爆破試驗(yàn)，獲得了20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平徑向、水平切向和豎直向峰值振動(dòng)及其對(duì)應(yīng)的主頻率數(shù)據(jù)。

爆破地震波衰減及爆源參數(shù)與場(chǎng)地條件有關(guān)，目前國(guó)內(nèi)普遍采用薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)爆破地震波衰減規(guī)律，即

[v=K（Q1/3R）α] ? ?（1）

式中，[v]為峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;Q為單響藥量，kg;R為爆心距，m;K、α為與爆破方法、場(chǎng)地條件相關(guān)系數(shù)，與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)。

圖1 為爆破試驗(yàn)位置與測(cè)點(diǎn)布置?；谒_道夫斯基公式，回歸分析了掏槽、崩落及光面爆破誘發(fā)的爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

3 爆破振動(dòng)安全及地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)常危及周?chē)ㄖ锏姆€(wěn)定和安全。根據(jù)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)引水隧洞爆破施工方案，確定了不同類(lèi)型、不同安全狀態(tài)房屋的振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)以及G316國(guó)道的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)[1]。

該工程參考GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》以及同類(lèi)地下工程開(kāi)挖所采用的地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合工程自身特點(diǎn)及地面沉降控制要求，確定地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm（見(jiàn)表2）。

4 三維動(dòng)力有限元分析法

在強(qiáng)烈的爆破作用下，爆破近區(qū)產(chǎn)生著復(fù)雜的變化過(guò)程。根據(jù)破壞程度將炮孔周?chē)鷰r體劃分為粉碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)[2]。為了采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的彈性本構(gòu)關(guān)系，將整個(gè)非彈性區(qū)（粉碎區(qū)和破碎區(qū)）等效為爆破源，并將爆破荷載作用在等效彈性邊界上。為方便計(jì)算，將爆破荷載的作用型式簡(jiǎn)化為三角形，計(jì)算所得作用于彈性邊界的等效荷載峰值為33.6 MPa，見(jiàn)圖2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)巖體動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行反演，對(duì)多組參數(shù)進(jìn)行試算，選出1組與第一次試驗(yàn)吻合較好的參數(shù)，然后利用第二次和第三次試驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，如此反復(fù)調(diào)整和試算，反演推算巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。巖體反演參數(shù)成果見(jiàn)表3。

基于反演中的巖石動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，模擬得到的爆破振動(dòng)波形與實(shí)測(cè)波形具有較好的一致性，振動(dòng)速度峰值、主頻和持續(xù)時(shí)間的模擬值和實(shí)測(cè)值均符合較好，見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，反演所得的巖體動(dòng)力參數(shù)可靠。

5 數(shù)值分析

5.1 有限元計(jì)算模型

工程采用CAD/CAE集成分析方法，通過(guò)對(duì)CAD軟件中建立的整體三維模型做一定預(yù)處理，使其可直接作為CAE分析模型，應(yīng)用于ANSYS-LSDYNA軟件程序進(jìn)行爆破計(jì)算。

根據(jù)優(yōu)良隧洞結(jié)構(gòu)橫剖面圖和地質(zhì)縱剖面圖，建立隧洞整體三維CAD模型，并依據(jù)三維設(shè)計(jì)的相關(guān)理論與方法[3]，將其導(dǎo)入到有限元軟件中供CAE分析使用。

5.2 爆破振動(dòng)對(duì)民房的影響

優(yōu)良隧洞穿過(guò)G316國(guó)道（131+320）和民房正下方，見(jiàn)圖4。隧洞埋深約14.5 m，保護(hù)對(duì)象路面和民房距離掏槽爆破爆源約18 m。在實(shí)際爆破開(kāi)挖過(guò)程中，主要考慮其對(duì)民房的振動(dòng)影響。通過(guò)數(shù)值模擬，分析民房正下方爆破作用下主要保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)響應(yīng)。

為了準(zhǔn)確細(xì)致地對(duì)公路和民房等建構(gòu)筑物的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，在對(duì)應(yīng)的典型位置設(shè)置了計(jì)算測(cè)點(diǎn)，分別在國(guó)道路面和民房基礎(chǔ)布置關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1和S2;另外通過(guò)一條測(cè)線(xiàn)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析爆破振動(dòng)的分布以及衰減規(guī)律。

依據(jù)常規(guī)的隧洞開(kāi)挖工程經(jīng)驗(yàn)，掏槽孔的爆破振動(dòng)效應(yīng)最為明顯，因此考慮隧洞掏槽爆破開(kāi)挖對(duì)工程區(qū)域保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)的最不利影響，主要選取距離保護(hù)對(duì)象最近的掏槽爆破工況進(jìn)行計(jì)算。掏槽爆破的相關(guān)參數(shù)暫定為：炸藥爆速3 600 m/s，密度1 030 kg/m3，炮孔孔徑42 mm，炸藥平均直徑32 mm，孔深分為1 m和2 m，其中1 m孔深單響藥量分0.6 kg和3.2 kg，2 m孔深單響藥量6.4 kg。

根據(jù)不同孔深、藥量擬定5種計(jì)算工況，見(jiàn)表4。

數(shù)值計(jì)算與爆破試驗(yàn)推算結(jié)論較為接近，證明巖體動(dòng)力參數(shù)反演成果較為可靠。

（1）在爆心距小于70 m處，由于控制考察點(diǎn)距離爆源較近，振動(dòng)速度隨著單響藥量的增加而明顯增大，即爆源附近區(qū)域?yàn)樗幜棵舾袇^(qū);在爆心距大于70 m處，由于振動(dòng)衰減較快，各測(cè)點(diǎn)的振速峰值在單響藥量3.2 kg、6.4 kg時(shí)相差不大，即距爆源較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)樗幜糠敲舾袇^(qū)。

（2）表5為在單響藥量3.2 kg和6.4 kg的爆破振動(dòng)荷載作用下各計(jì)算測(cè)點(diǎn)的振速峰值。工況1的 S1質(zhì)點(diǎn)峰值振速為4.68 cm/s;工況3的 S2質(zhì)點(diǎn)峰值振速為4.97 cm/s;工況2的S1質(zhì)點(diǎn)峰值振速為7.12 cm/s;工況4的 S2質(zhì)點(diǎn)峰值振速為7.32 cm/s;公路和民房的振動(dòng)峰值分別達(dá)到4 cm/s和7 cm/s。

（3）表4中，單響藥量為0.6 kg時(shí)，在民房正下方模擬的單孔單響爆破在民房基礎(chǔ)處誘發(fā)的爆破振動(dòng)豎向振速為1.65 cm/s。

5.3 隧洞開(kāi)挖施工對(duì)民房沉降影響分析

隧洞開(kāi)挖施工時(shí)會(huì)引起隧洞開(kāi)挖區(qū)域局部范圍內(nèi)的沉降變形?？紤]到開(kāi)挖進(jìn)尺的影響，分別選取民房正下方隧道的頂拱處和民房處地面為監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置區(qū)域，給出其豎向位移隨開(kāi)挖施工步的變化規(guī)律。頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿著隧洞軸線(xiàn)布置，間距為6 m;民房處地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧洞軸線(xiàn)與民房軸線(xiàn)相交的地表處;開(kāi)挖施工步從掌子面開(kāi)始進(jìn)入民房影響區(qū)域，至掌子面經(jīng)過(guò)民房的影響區(qū)域結(jié)束，相鄰的開(kāi)挖與襯砌施工步之間的沿洞軸線(xiàn)距離間隔為10 m。

5.3.1 計(jì)算邊界及參數(shù)選擇

優(yōu)良隧洞沿軸線(xiàn)方向長(zhǎng)度190 m，垂直洞軸線(xiàn)方向?qū)挾?30 m，地基深度取50 m?；A(chǔ)下表面進(jìn)行全約束，四周采用法向約束，頂部自由。

隧洞開(kāi)挖模擬方案，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、噴混凝土和襯砌混凝土5種不同類(lèi)型支護(hù)結(jié)構(gòu)，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

計(jì)算模型均采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。對(duì)于優(yōu)良隧洞段，根據(jù)隧洞地質(zhì)資料，計(jì)算中噴混、襯砌、建筑物和公路采用混凝土材料，鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和錨桿采用鋼材料，覆蓋層采用黏土材料，圍巖為白云鈉長(zhǎng)石英片巖且計(jì)算區(qū)域均屬于V類(lèi)圍巖。圍巖、覆蓋層、建筑物、公路以及噴混、襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

5.3.2 不同開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)地面沉降影響

以額定車(chē)輛荷載作用、襯砌距掌子面間距為20 m為典型情況，分別考慮不同的開(kāi)挖進(jìn)尺，給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)D沉降量隨施工步的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

不同開(kāi)挖進(jìn)尺下隧洞頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化規(guī)律相同，每個(gè)頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向沉降位移曲線(xiàn)變化規(guī)律一致，即：①當(dāng)開(kāi)挖掌子面尚未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向沉降較小且相鄰開(kāi)挖步之間的沉降位移差很小;②當(dāng)開(kāi)挖掌子面接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)，相鄰開(kāi)挖步之間的沉降位移差明顯增大;③當(dāng)開(kāi)挖掌子面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方，相鄰開(kāi)挖步之間的沉降位移差明顯減小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D在1 m的開(kāi)挖進(jìn)尺下最終沉降量為9.66 mm，在2 m的開(kāi)挖進(jìn)尺下最終沉降量為15.01 mm。

掌子面開(kāi)始進(jìn)入民房的影響區(qū)域時(shí)，建構(gòu)筑物的豎向位移普遍較小;隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，建構(gòu)筑物的豎向位移不斷增加且相鄰開(kāi)挖步的豎向位移差在掌子面到達(dá)建構(gòu)筑物的正下方時(shí)達(dá)到最大;當(dāng)掌子面經(jīng)過(guò)建構(gòu)筑物的影響范圍后，建構(gòu)筑物的豎向位移變化較小，沉降量趨于穩(wěn)定;不均勻沉降的最大值發(fā)生在隧洞頂部的樁基部位，1 m進(jìn)尺工況時(shí)沉降量約為4.29 mm;2 m進(jìn)尺工況時(shí)沉降量約為6.11 mm。

5.3.3 襯砌距掌子面距離的影響

以1 m開(kāi)挖進(jìn)尺為例，分析襯砌距掌子面距離對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量和民房不均勻沉降最大值的影響。取隧洞頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。襯砌距掌子面距離對(duì)民房不均勻沉降最大值的影響曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

由圖7可知，襯砌距掌子面距離越大，民房的最大不均勻沉降也越大，襯砌距掌子面間距5，10，20 m和無(wú)襯砌時(shí)，其最大不均勻沉降值分別為3.44，3.87，4.29 mm和4.70 mm。

6 爆破振動(dòng)及地面沉降影響評(píng)價(jià)

6.1 爆破振動(dòng)影響評(píng)價(jià)

隧洞開(kāi)挖至下穿各主要保護(hù)對(duì)象時(shí)，爆心距較小，且保護(hù)對(duì)象主要為公路、民房、廠房等重要建（構(gòu)）筑物，為避免爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生破壞，考慮隧洞開(kāi)挖在1 m孔深、單孔單響藥量0.6 kg的條件下進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的爆破振動(dòng)衰減參數(shù)，由公式推算得到優(yōu)良隧洞爆破施工各保護(hù)對(duì)象在最小爆心距條件下的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，見(jiàn)表7。

在單響藥量及保護(hù)對(duì)象相同的條件下，對(duì)于掏槽孔、崩落孔及光爆孔爆破，不同方向的爆破振動(dòng)大小不同，其中保護(hù)對(duì)象豎直向的振動(dòng)大于其水平切向和水平徑向的振動(dòng)。

由表8可知，掏槽孔5層居民樓在單響藥量為0.6 kg的條件下振動(dòng)峰值速度為1.98 cm/s，在單響藥量為0.7 kg的條件下振動(dòng)峰值速度為2.13 cm/s，可見(jiàn)隧洞開(kāi)挖至下穿5層居民樓正下方時(shí)鉆爆參數(shù)宜采用1 m孔深、單孔單響藥量0.6 kg。

由表9可知，崩落孔5層居民樓在單響藥量為0.6 kg的條件下，振動(dòng)峰值速度為1.80 cm/s;在單響藥量為1.2 kg的條件下振動(dòng)峰值速度為2.57 cm/s，可見(jiàn)隧洞開(kāi)挖至下穿5層居民樓正下方時(shí)鉆爆參數(shù)宜采用1m進(jìn)尺、單孔單響為0.6 kg。

由表10可知，5層居民樓在單響藥量為4.8 kg及以下時(shí)，振動(dòng)峰值速度均小于各自的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn);在單響藥量6.0 kg的條件下振動(dòng)峰值速度為2.04 cm/s，可見(jiàn)隧洞開(kāi)挖至下穿5層居民樓下方時(shí)光面爆破孔可采用1 m孔深、10孔一響4.8 kg。

6.2 爆破施工導(dǎo)致地面沉降的影響評(píng)價(jià)

隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)地表民房建筑物的不均勻沉降將產(chǎn)生一定的影響，影響范圍主要集中在隧洞軸線(xiàn)所經(jīng)過(guò)的區(qū)域。掌子面開(kāi)始進(jìn)入民房建筑物的影響區(qū)域時(shí)，建筑物的豎向位移普遍較小。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，建筑物的豎向位移不斷增加且相鄰開(kāi)挖步的豎向位移差在掌子面到達(dá)建筑物的正下方時(shí)達(dá)到最大;當(dāng)掌子面經(jīng)過(guò)建筑物的影響范圍后，建筑物的豎向位移變化較小，沉降量趨于穩(wěn)定。民房建筑物在1m開(kāi)挖進(jìn)尺下最終路面沉降量為3.80 mm，不均勻沉降的最大值為4.29 mm，滿(mǎn)足地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證民房建筑物的安全。

7 結(jié) 語(yǔ)

基于優(yōu)良隧洞的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了爆破振動(dòng)傳播及衰減規(guī)律。結(jié)合公路及民房的爆破振動(dòng)響應(yīng)分析，以及隧洞開(kāi)挖誘發(fā)的地面沉降分析，根據(jù)相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并參考類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鄂北工程下穿重要建（構(gòu)）筑物的隧洞爆破施工影響進(jìn)行深入研究和綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)資料，合理控制爆破單響藥量及鉆孔深度，可使爆破振動(dòng)控制在保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，從而防止爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生有害影響，有利于提升施工進(jìn)度。

基于G316國(guó)道以及民房的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地面沉降計(jì)算結(jié)果分析，認(rèn)定G316國(guó)道及民房建筑物的最大沉降均滿(mǎn)足地面沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求，隧洞開(kāi)挖誘發(fā)的地面沉降不會(huì)影響保護(hù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李曉濛）