連衛(wèi)東, 葉 娟， 謝劍鳴， 劉鋒濤*， 戴北冰， 湯連生

(1. 中國路橋工程有限責任公司， 北京 100011； 2.中山大學(xué)地球科學(xué)與學(xué)院， 廣州 510275; 3.中山大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510275)

隨著城市地鐵快速發(fā)展，隧道工程建設(shè)日益增多，新建工程無法避免與既有隧道發(fā)生近距離交叉、重疊和并行的現(xiàn)象[1-3]。特別是采用鉆爆法等爆破施工過程中極易對鄰近既有隧道產(chǎn)生不利的影響[4]，如果爆破施工不當，爆炸振動效應(yīng)必然會對隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不同程度的損傷破壞，因此鄰近隧道對爆破振動的動力學(xué)響應(yīng)研究已經(jīng)成了隧道爆破施工的關(guān)鍵問題之一[5]。由于爆破現(xiàn)場試驗研究中存在著花費大，實驗條件復(fù)雜等局限，所以基于有限元等數(shù)值模擬方法成了研究隧道的爆炸動力學(xué)響應(yīng)的必不可少的手段之一。由于ANSYS/LS-DYNA軟件中顯式動力分析有限元程序特別適用于分析爆炸與高速沖擊等大變形動力響應(yīng)問題，因此該方法在中外眾多與隧道的爆炸動力學(xué)響應(yīng)相關(guān)研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用。利用該方法，姚勇等[6]研究了小凈距隧道爆破振動特性受圍巖、凈距、埋深條件的影響；林從謀等[7]分析了爆破時既有隧道結(jié)構(gòu)不同位置點振動速度的特點；王新宇等[8]對相鄰隧道不同凈距時爆破施工裝藥量等因素影響下的爆破振動響應(yīng)進行研究；吳進科等[9]模擬了鉆爆施工的不同爆破施工工序?qū)扔兴淼澜Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動影響；Feldgun等[10]研究了爆破時沖擊波在周圍介質(zhì)中的傳播及其與附近隧道的相互作用；Mobaraki等[11]對地下不同深度隧道的爆炸動力響應(yīng)進行分析；Mussa等[12]模擬了地表不同裝藥量對地下箱形隧道的影響；公偉增等[13]研究了地下砌體結(jié)構(gòu)對爆破振動的響應(yīng)特征；程平等[14]模擬了隱伏巖溶區(qū)小凈距隧道的爆破振動響應(yīng)。在這些研究中，對凈距小的鄰近隧道爆破振動危害的研究成為焦點問題。通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對于立體交叉等下穿隧道的情況，鄰近線鄰近隧道的迎爆面測點的豎向振動速度較大，故頂部和底部中央是爆破震動效應(yīng)控制的薄弱部位。其次，同等裝藥量的前提下，爆源距離是影響爆破震動強度的主要因素。有學(xué)者提出采用優(yōu)化施工方案[15]或改良震源來控制振速[16-17]等方法來削弱鄰近隧道爆破對既有隧道的影響，但這在小凈距且裝藥量無法降低的情形下效果并不理想甚至難以實現(xiàn)。因此有必要考慮在相鄰隧道間布設(shè)防護結(jié)構(gòu)。張嵩等[18]提出一種復(fù)合泡沫鋁保護層防護結(jié)構(gòu)，抗爆性能較好，但考慮經(jīng)濟性，其實用性并不太高。因此如何實現(xiàn)經(jīng)濟有效地對鄰近既有隧道的爆破防護成為亟待解決的問題。

根據(jù)爆炸防護結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，具有“硬-軟-硬”特征的復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)，如夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)[19-21]，通過結(jié)構(gòu)中不同材料的力學(xué)差異性，將爆炸產(chǎn)生的能量消耗在相對“軟”的結(jié)構(gòu)中，在一定程度上削弱了爆炸、沖擊等荷載的影響作用?；诖?，可以將這樣的“硬-軟-硬”復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)設(shè)置在立體交叉小凈距的鄰近隧道之間的區(qū)域，勢必可以減弱爆破施工對先行隧道的破壞作用。但如果直接將上述的復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)用作地下工程破壞施工的防護存在施工難度大、成本較高的不足。為此，借鑒“硬-軟-硬”復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)的本質(zhì)思想，現(xiàn)提出一種適用于隧道爆破施工的防護結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS/LS-DYNA分析此防護結(jié)構(gòu)施加前后，在同等裝藥量的前提下，先行隧道的損失情況，說明所提出的新型防護結(jié)構(gòu)具有施工方便、經(jīng)濟可靠的特點，以期為今后小凈距立體交叉隧道的爆破施工提供新方法。

1 鄰近隧道爆炸動力學(xué)的響應(yīng)分析

鄰近既有隧道的爆破施工是隧道工程中的難點之一，爆破振動勢必導(dǎo)致先行隧道的安全受到威脅。例如，深圳市東部過境高速公路連接線工程中的谷對嶺南主線與東轉(zhuǎn)南道分岔處出現(xiàn)了上下兩條隧道間小凈距空間交叉的現(xiàn)象，上跨隧道底部與下穿隧道拱頂間凈距最小處僅4 m。首先基于ANSYS/LS-DYNA軟件建立了立體交叉的雙隧道耦合體系A(chǔ)LE有限元模型，經(jīng)過爆破過程的數(shù)值模擬分析在未加防護結(jié)構(gòu)時爆破振動對先行隧道的影響作用。

1.1 立體交叉隧道ALE數(shù)值模型

該模型主要由圍巖、炸藥、空氣及鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)4部分組成，其中采用ANSYS/LS-DYNA軟件中MAT005材料模型模擬巖體圍巖，其屈服函數(shù)為

f=J2-(A0+A1p+A2p2)

(1)

(2)

式(2)中：V為相對比容;A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；E0為初始內(nèi)能密度。選用ANSYS/LS-DYNA軟件中的三硝基甲苯炸藥(Tri-Nitro-Toluene, TNT)模型，所需輸入?yún)?shù)分別為：裝藥質(zhì)量密度5 384 kg/m3，炸藥爆速3 600 m/s、炸藥爆壓5.9×104，初始能量密度為8 000 MPa。鋼筋混凝土襯砌采用Cowper-Symonds塑性隨動硬化材料模型，其本構(gòu)關(guān)系為

(3)

(4)

式(4)中：E為修正后考慮鋼筋影響的鋼筋混凝土彈性模量；Et為切線模量。相關(guān)研究[22-25]表明：混凝土的強度越高，其抗爆能力越強，相應(yīng)的鋼筋混凝土的抗爆能力越強。根據(jù)等效剛度原則，鋼筋和混凝土在建模過程中視為一個整體，這里按C50混凝土取E= 30 GPa，Et= 4 000 MPa。ANSYS/LS-DYNA軟件中鋼筋混凝土模型所需輸入?yún)?shù)包括：密度2 500 kg/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.2，屈服強度20.1 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.38%。

最后，采用ANSYS/LS-DYNA軟件中9號材料進行空氣材料的模擬，空氣材料模型在單元處理中可繞過梁單元和殼單元進行計算。此類空氣材料的狀態(tài)方程[26]為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E0

(5)

將式(5)材料本構(gòu)模型及參數(shù)賦給圖1(a)中隧道的爆炸動力學(xué)模型，其中上跨開挖隧道設(shè)置了一個隧道鉆爆施工臨空面，將臨空面上各炮眼的炸藥簡化為一個1 346 kg的炸藥包，炸藥包尺寸為1 m×1 m×0.25 m，下穿鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為1 m，忽略鉆爆開挖時各炮眼間相互作用的影響，只考慮藥包爆炸時沖擊波對下方隧道的影響。其中上跨隧道的施工臨空面往內(nèi)凹入0.25 m，炸藥包設(shè)置于臨空面距上跨隧道底3 m處的土體中，臨空面前方空洞及鄰近隧道的襯砌結(jié)構(gòu)處空洞建立相應(yīng)的空氣層。此外，實驗還設(shè)置了4個不同上下隧道間距工況的模型進行對比，分別是4、6、8、10 m的隧道間距，同理為了更好地觀察鄰近隧道收到爆炸的響應(yīng)過程，選取襯砌結(jié)構(gòu)拱頂位置的節(jié)點位移進行數(shù)值分析。圖1(b)所示為模型的網(wǎng)格劃分，其中圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)、空氣及炸藥在進行網(wǎng)格單元劃分時均使用實體單元類型SOLID164進行模擬分析，空氣、圍巖和炸藥材料采用Euler網(wǎng)格建模，下穿隧道的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用Lagrange網(wǎng)格建模。由于模型為類2D平面模型，且模型結(jié)構(gòu)較規(guī)整，所以通過映射網(wǎng)格劃分法對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格。值得說明的是，在此模型中左右、上下及前后的邊界條件均采用無反射邊界條件，這樣的處理方式與實際情況存在一定差距，但由于炸藥模型尺寸相對較小，這一差距對數(shù)值模擬結(jié)果的影響較小。

1.2 數(shù)值結(jié)果與分析

在圖1所示的立體交叉有限元模型及網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，進行了ALE的數(shù)值計算。當后開挖隧道臨空面上發(fā)生1 346 kg裝藥量炸藥爆炸時，不同間距的上下空間交叉隧道工況中下穿鄰近隧道的襯砌結(jié)構(gòu)拱頂位移隨時間變化情況如圖2所示。從圖2中可見，在相同炸藥裝藥量爆炸情況下，隨著上下交叉的隧道間的距離增大，下穿隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂位移峰值相應(yīng)減小。其中隧道間距為4 m時襯砌結(jié)構(gòu)位移最大，達到96.67 mm，比最小的10 m間距時的結(jié)構(gòu)發(fā)生的9.67 mm位移高出899.6%，發(fā)生該現(xiàn)象的原因主要是爆炸發(fā)生時生成的爆炸沖擊波向外傳播擴散過程中巖土體不停地吸收爆炸沖擊波能量，隨著傳播距離增加，爆炸能量將逐步衰減降低。因此可知在小凈距交叉隧道中，隧道間距越大時巖土體對爆炸沖擊能量的削弱越大，最后傳遞至下穿隧道襯砌結(jié)構(gòu)的能量越小，從而引起的結(jié)構(gòu)位移變形也越小。因此在未加防護結(jié)構(gòu)時，降低爆破施工對先行隧道產(chǎn)生不良影響的最有效的手段是增加隧道間的距離。

圖2 不同隧道間距鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂位移曲線Fig.2 The displacement of the existing tunnel lining arch in different tunnel spacing conditions

2 硬-軟-硬“三明治”防護結(jié)構(gòu)對鉆爆開挖的影響及分析

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，若要降低隧道爆破施工對相鄰先行隧道的影響，直接的做法是增加兩條相鄰隧道的空間距離。然而，在大多數(shù)情況下，特別是城市隧道施工建設(shè)過程中，空間上受到限制而無法避免近距離隧道的施工。因此，在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，借鑒軟硬軟“三明治”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了相距較近的隧道爆破施工的防護設(shè)計，即在上下交叉隧道間距為4 m的上跨隧道臨空面底部插入此類防護結(jié)構(gòu)，防護結(jié)構(gòu)模型首層及底層的硬層均采用鋼筋混凝土材料進行建模，中夾軟層材料則采用原模型中的巖土體，即實為在上跨隧道的臨空面底部插入兩層具一定間隔的混凝土板。具體的數(shù)值模型尺寸如圖3所示。

圖3 硬-軟-硬“三明治”防護結(jié)構(gòu)數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of hard-soft-hard sandwich structure

2.1 不同厚度等厚“三明治”防護結(jié)構(gòu)

采用ANSYS/LS-DNYA軟件的ALE方法對圖3中的“三明治”防護結(jié)構(gòu)的防爆效果進行了數(shù)值模擬與分析。首先考慮等厚的“三明治”防護結(jié)構(gòu)，模型中設(shè)置了5種厚度的模擬工況，圖4中對比了該5種法案及沒有加設(shè)防護結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，可以明顯地看到防護結(jié)構(gòu)對先行隧道拱頂位移具有明顯的減弱作用，且防護結(jié)構(gòu)的厚度越大，先行隧道拱頂?shù)呢Q向位移越小。

圖4 不同厚度的硬-軟-硬“三明治”防護結(jié)構(gòu)位移峰值時間歷程Fig.4 Time history of peak displacement of hard-soft-hard sandwich with different thickness

表1中還對比了不同厚度防護結(jié)構(gòu)對先行下穿隧道的受損程度的情況。隨著防護結(jié)構(gòu)厚度的增加，相同裝藥量造成的結(jié)構(gòu)位移峰值也出現(xiàn)明顯的減少趨勢，防護結(jié)構(gòu)為最厚的1.5 m的工況⑤中襯砌結(jié)構(gòu)位移相比無防護結(jié)構(gòu)保護工況中襯砌結(jié)構(gòu)位移減少了82.9%，比防護結(jié)構(gòu)最薄的0.3 m工況①減少了80.7%，襯砌結(jié)構(gòu)的位移峰值出現(xiàn)了極大的降低。由損傷評估結(jié)果可看出，工況①的防護結(jié)構(gòu)0.3 m厚度帶來的結(jié)構(gòu)保護仍不足夠，此時下穿鄰近隧道結(jié)構(gòu)依然會發(fā)生坍塌，隨著防護結(jié)構(gòu)的厚度增加，抵抗爆炸的效果也隨之增加，受影響的襯砌結(jié)構(gòu)豎直位移變形減小，當防護結(jié)構(gòu)硬-軟-硬層為0.4 m-0.4 m-0.4 m的厚度時，隧道破損評估降低至可修復(fù)的中級損傷。

表1 不同厚度的防護結(jié)構(gòu)工況中鄰近隧道損傷評估Table 1 Damage assessment of tunnels in protection schemes with different thicknesses

2.2 中夾軟層厚度因素對“三明治”防護結(jié)構(gòu)影響及分析

為了研究中間軟弱層厚度對“三明治”防護結(jié)構(gòu)的防爆作用的影響，選取該模擬中抵抗爆炸效果較明顯的0.4 m-0.4 m-0.4 m硬-軟-硬防護結(jié)構(gòu)，在保留上下硬層的厚度不變下，只調(diào)整中夾軟層的厚度進行定量分析，設(shè)置了6個對照組，對比了各工況中下穿隧道的襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移峰值(圖5)及損傷結(jié)果(表2)。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，在相同炸藥量爆炸的影響下，防護結(jié)構(gòu)的中夾軟層逐漸增大時，下穿鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形位移先是減小，當中夾軟層厚度達到了工況④的0.3 m時，結(jié)構(gòu)變形位移最小，防護效果最佳，結(jié)構(gòu)損傷評價也只有中級程度的損傷。但隨著夾層厚度進一步加厚，結(jié)構(gòu)變形位移反而開始增大，但此時工況⑤ 0.4 m夾層厚度的結(jié)構(gòu)位移還是比工況③ 0.2 m夾層厚度的結(jié)構(gòu)位移要小，即工況⑤ 0.4 m夾層厚度下硬-軟-硬防護結(jié)構(gòu)保護效果比工況③ 0.2 m夾層厚度的防護結(jié)構(gòu)保護效果要好。但當夾層厚度增加至工況⑥ 0.5 m時，隧道結(jié)構(gòu)變形位移突增，比結(jié)構(gòu)位移最小的0.3 m夾層厚度工況④高出43.6%，比無中夾軟層的工況①中結(jié)構(gòu)位移則高出5.4%，可得工況⑥防護結(jié)構(gòu)中的軟弱夾層0.5 m厚度下已使硬-軟-硬交替的多層介質(zhì)體系抵抗爆炸作用降低，隧道結(jié)構(gòu)損傷評估從工況⑤的中級損傷上升至嚴重損傷。

圖5 不同厚度中夾軟層硬-軟-硬防護結(jié)構(gòu)中隧道位移峰值對照圖Fig.5 Comparison diagram of the peak displacement of the tunnel in the middle and soft layer structure with different thickness

表2 不同厚度中夾軟層的硬-軟-硬防護結(jié)構(gòu)中隧道損傷評估Table 2 Damage assessment of tunnels in protection schemes with different thicknesses

對比表1和表2、圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，中間軟層厚度的改變可顯著影響到防護結(jié)構(gòu)的抵抗爆炸沖擊作用的能力，隨著中夾軟層的厚度增大，下穿鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形位移先是減小至一定程度后再增大，硬-軟-硬“三明治”式的防護結(jié)構(gòu)中的中夾軟層為消耗層，其巖土體可大變形的特性可起到消耗吸收爆炸沖擊能量的作用，但隨著其厚度增加，消耗層軟度也增加至一定限度時，巖土層的波阻抗也隨之降低至無法充分阻擋爆炸沖擊波傳遞的程度，此時軟弱夾層失去其消耗層的作用，導(dǎo)致無法有效防護爆炸對結(jié)構(gòu)損害。

2.3 “三明治”防護結(jié)構(gòu)對不同間距隧道鉆爆開挖影響及分析

基于上述數(shù)值模擬分析，分別在4、6、8、10 m的模型中的上跨新建隧道臨空面中插入結(jié)構(gòu)尺寸為0.4 m-0.3 m-0.4 m的防護結(jié)構(gòu)。加入防護結(jié)構(gòu)前后各工況中襯砌結(jié)構(gòu)拱頂位置的豎直位移峰值對比(圖6)，損傷情況對比如表3所示。由位移峰值對照結(jié)果可得，6 m隧道間距的工況②模型中，襯砌結(jié)構(gòu)位移峰值下降了71.7%，結(jié)構(gòu)損傷評估從嚴重損傷變?yōu)榈图墦p傷，損傷破壞程度降低了兩個等級。而8 m隧道間距的工況③和10 m隧道間距的工況④模型中，插入防護結(jié)構(gòu)后的襯砌結(jié)構(gòu)位移峰值降低至2.48 mm及0.064 mm，此時其變形位移基本可以忽略。隨著硬-軟-硬防護結(jié)構(gòu)的加入，爆炸對不同凈間距的空間交叉隧道中的襯砌結(jié)構(gòu)的影響大幅降低，隧道結(jié)構(gòu)受破壞程度得到有效的控制。

圖6 插入防護結(jié)構(gòu)前后的不同間距交叉隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移峰值對照圖Fig.6 Comparison of displacement peak of tunnel lining before and after insertion of protection

表3 插入防護結(jié)構(gòu)前后的不同間距交叉隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷評估Table 3 Damage assessment of tunnel lining before and after insertion of protective structures

3 結(jié)論

針對小凈距立體交叉隧道爆炸施工受到空間限制的難題，提出了一種硬-軟-硬“三明治”新型爆破防護結(jié)構(gòu)的方法與思路，并采用ALE數(shù)值方法進行了模擬計算與關(guān)鍵影響因素分析。經(jīng)過數(shù)值模擬結(jié)果對比研究發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論。

(1)兩個相鄰隧道之間在沒有防護結(jié)構(gòu)的工況下，增加兩相鄰隧道的間距可以有效地降低爆破施工對先行下穿隧道的不良影響。

(2)硬-軟-硬“三明治”防護結(jié)構(gòu)可顯著減弱爆破施工產(chǎn)生的沖擊作用。若采用等厚度的“三明治”防護結(jié)構(gòu)，防護效果與防護結(jié)構(gòu)的總厚度存在正相關(guān)性。若在上下硬層厚度不變的情況下，中間軟層存在最優(yōu)厚度。具有最優(yōu)軟層厚度的“三明治”防護結(jié)構(gòu)可以最大限度地降低爆破沖擊對即有隧道的不良影響。

(3)此類特殊的防護結(jié)構(gòu)通過中夾軟層的力學(xué)差異性，將爆炸產(chǎn)生的能量消耗在相對“軟”的結(jié)構(gòu)中，在一定程度上削弱了爆炸、沖擊等荷載的影響作用，并且這樣的防護結(jié)構(gòu)在施工中比較容易實現(xiàn)，即在小凈距立體交叉的隧道之間間隔一定距離澆筑混凝土板作為硬層，中間巖土體可作為軟層。

綜上所述，所提出的硬-軟-硬“三明治”式的混凝土防護結(jié)構(gòu)可以顯著地削弱爆炸沖擊作用，為小凈距立體交叉隧道的爆破施工提供一種行之有效的可靠工法。