張新尚， 張中哲， 郭鴻雁

(1.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司， 昆明 650501； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067；3.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

鉆爆法因成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于隧道施工中，但爆破法施工不可避免要產(chǎn)生爆破地震效應(yīng)，當(dāng)?shù)乇碚駝?dòng)效應(yīng)較大時(shí)，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成巨大影響。因此，分析、預(yù)測(cè)隧道爆破開(kāi)挖作用下的地表振動(dòng)特征是隧道進(jìn)行安全爆破施工的前提，已有研究對(duì)人工爆破法施工條件下的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律研究較多。目前，國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)規(guī)模龐大、隧道現(xiàn)場(chǎng)施工人力資源日益緊張且人工成本逐年增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的施工組織模式已不能適應(yīng)隧道工程建設(shè)的需要，機(jī)械化爆破法施工已成為隧道施工發(fā)展的趨勢(shì)[1]，但目前對(duì)機(jī)械化施工條件下的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律研究較少。因此，為保證隧道建設(shè)工程安全、高質(zhì)量、高效率的完成，亟需開(kāi)展相關(guān)研究，為隧道機(jī)械化爆破法施工提供指導(dǎo)。

目前，爆破振動(dòng)的分析主要采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬2種手段。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)各研究單位和高等院校結(jié)合有關(guān)爆破的科技計(jì)劃項(xiàng)目，對(duì)爆破地震波的傳播規(guī)律和作用機(jī)理進(jìn)行了理論分析、試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)歸納[2-7]，在參照國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀下制定了國(guó)內(nèi)建筑物爆破破壞標(biāo)準(zhǔn)。李勝林等[8]結(jié)合地表振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)以及理論回歸分析結(jié)果，預(yù)測(cè)了淺埋地表隧道爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律。Singh[9]建立有限元模型對(duì)不同巖石材料、裝藥量、炸藥起爆順序等不同影響因素下進(jìn)行了爆破振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)。姚勇等[10]結(jié)合紫坪鋪隧道小凈距段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)二維和三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析了小凈距隧道爆破施工中后行隧道爆破對(duì)先行隧道的影響因素，得出先行隧道迎爆側(cè)及開(kāi)挖掌子面前后1倍洞徑范圍是影響較大部位。

總結(jié)分析目前隧道爆破振動(dòng)規(guī)律現(xiàn)狀及相關(guān)研究成果，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：1) 研究多基于人工鉆爆法施工的淺埋隧道，對(duì)機(jī)械化鉆爆法施工隧道的爆破振動(dòng)規(guī)律研究報(bào)道較少；2) 機(jī)械化全斷面爆破法施工與傳統(tǒng)分步爆破相比，爆破規(guī)模大，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響大，需深入研究機(jī)械化全斷面施工條件下的爆破振動(dòng)規(guī)律研究；3) 爆破振動(dòng)的研究多數(shù)是對(duì)臨近建構(gòu)筑物的影響而展開(kāi)，對(duì)爆破振動(dòng)特點(diǎn)在空間上的分布情況研究較少。為此，本文在已有研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合依托工程，通過(guò)三維數(shù)值仿真模擬，分析爆破振動(dòng)特征及空間分布規(guī)律，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，以便為機(jī)械化大斷面施工條件下隧道爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)與安全控制提供依據(jù)。

1 理論研究

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移峰值、速度峰值或加速度峰值等是衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，但以哪種物理量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)最合適，國(guó)內(nèi)外有不同的觀點(diǎn)。在爆破工程中，爆破地震作用作為一種動(dòng)力作用，為區(qū)別于靜力作用，廣泛采用速度峰值和加速度峰值作為衡量指標(biāo)。后來(lái)人們通過(guò)大量觀測(cè)，結(jié)果表明爆破地震破壞程度與振動(dòng)速度的大小的相關(guān)性較好；且當(dāng)炸藥量、爆心距和最小抵抗線相同，而傳播地震波的巖土介質(zhì)有變化時(shí)，較加速度而言，振動(dòng)速度與巖土性質(zhì)有更穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，規(guī)律性更好。因此，目前多采用速度來(lái)表征爆破震動(dòng)強(qiáng)度。

由于影響爆破震動(dòng)強(qiáng)度的因素諸多，難以找出表述爆破震動(dòng)強(qiáng)度的具體數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。世界各國(guó)學(xué)者從試驗(yàn)入手，運(yùn)用量綱分析，得出了較多的經(jīng)驗(yàn)公式。中國(guó)目前多采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化、爆破設(shè)計(jì)及振速預(yù)測(cè)[11]。薩氏公式只要在前期確定好K、α值，在施工過(guò)程中，通過(guò)測(cè)出爆破區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離便可較準(zhǔn)確地控制爆破最大振速，最大限度地減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和參考性，因此本研究采用如下薩氏公式：

(1)

式中：Q為裝藥量(齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，延期爆破時(shí)為單段最大裝藥量)，kg；R為測(cè)點(diǎn)至爆源的距離，m；K、α是與爆破條件、介質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)。

2 工程概況

蔓耗至金平高速公路起始于個(gè)舊市蔓耗鎮(zhèn)西北側(cè)附近，連接在建的元江至蔓耗高速公路，終點(diǎn)止于金平縣城附近，連接規(guī)劃的金平至金水河高速公路，主線全長(zhǎng)50.58 km，全線共設(shè)隧道16座，其中草果山隧道為本項(xiàng)目建設(shè)的控制性工程。隧道起訖樁號(hào)：左線ZK33+947.04～ZK40+952，右線YK33+955～YK40+960，長(zhǎng)7 005 m，為特長(zhǎng)公路隧道，最大埋深902.5 m。隧道區(qū)海拔高程介于1 125.1 m～2 126.0 m之間，相對(duì)高差1 001.0 m，屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜。

3 三維數(shù)值仿真分析

3.1 模型建立

采用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，考慮到邊界效應(yīng)，為簡(jiǎn)化模型，建立模型尺寸為100 m×100 m×100 m的模擬區(qū)域。為了減少模型邊界上波反射的影響，通過(guò)阻尼器與自由場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行耦合建立自由場(chǎng)邊界，包括4個(gè)平面網(wǎng)格和4個(gè)柱體網(wǎng)格。其中，阻尼器采用瑞利阻尼；平面自由場(chǎng)網(wǎng)格是二維計(jì)算，假設(shè)在面的法向無(wú)限延伸；柱體自由場(chǎng)網(wǎng)格是一維計(jì)算，假設(shè)在柱體兩端無(wú)限延伸。模型如圖1所示。為更好地進(jìn)行研究，對(duì)隧道周圍及掌子面處進(jìn)行分塊及網(wǎng)格加密處理，并結(jié)合FLAC3D內(nèi)置編程語(yǔ)句，考慮所有爆破孔位的荷載作用，除靜力計(jì)算假定外，孔位作用考慮主要通過(guò)如下幾步實(shí)現(xiàn)：

1) 根據(jù)爆破孔位的性質(zhì)不同，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件提取所有孔位的坐標(biāo)信息與爆破設(shè)計(jì)信息。

2) 通過(guò)FLAC3D內(nèi)置fish語(yǔ)句自動(dòng)查找指定里程隧道開(kāi)挖周圍荷載作用面。

3) 對(duì)于某一臺(tái)階開(kāi)挖，通過(guò)FLAC3D內(nèi)置fish語(yǔ)句計(jì)算單個(gè)爆破孔位爆破后，作用于周圍單個(gè)受載面的動(dòng)力作用。

4) 通過(guò)FLAC3D內(nèi)置fish語(yǔ)句，羅列此開(kāi)挖臺(tái)階所有孔位在此受載面的動(dòng)力作用，并求取合力。

5) 通過(guò)FLAC3D內(nèi)置fish語(yǔ)句羅列此開(kāi)挖臺(tái)階所有孔位在所有受載面的動(dòng)力作用。

6) 通過(guò)FLAC3D內(nèi)置動(dòng)力計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)爆破動(dòng)力作用。

3.2 計(jì)算參數(shù)及工況

考慮依托工程地質(zhì)條件，圍巖主要為Ⅳ級(jí)圍巖，擬定分析工況如表1所示。采用公式(2)[12]計(jì)算圍巖和混凝土襯砌的彈性模量和泊松比，并查閱常見(jiàn)巖石完整巖塊動(dòng)力變形參數(shù)表，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

(2)

表1 計(jì)算參數(shù)及工況

表2 圍巖及仰拱彈性模量和泊松比計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1) 縱向傳播規(guī)律

不同監(jiān)測(cè)部位與掌子面的距離不同，導(dǎo)致在不同位置上監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的峰值振速不同。為研究不同測(cè)點(diǎn)距爆源不同距離的振速分布規(guī)律，本次模擬設(shè)置4個(gè)研究斷面，分別距離掌子面20 m、40 m、60 m、80 m。通過(guò)對(duì)每個(gè)斷面的拱頂、拱腰、邊墻、墻角和仰拱進(jìn)行爆破振動(dòng)速度分析，研究隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)的縱向分布規(guī)律。爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律如圖2～圖6所示。通過(guò)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行擬合，得到爆破峰值速度空間分布規(guī)律，如圖7所示。

圖2 拱頂爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖3 拱腰爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖4 邊墻爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖5 墻腳爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖6 仰拱爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律

圖7 爆破峰值速度空間分布規(guī)律

由圖2～圖6可知：1) 隨著與掌子面距離的增加，不同監(jiān)測(cè)斷面上同一監(jiān)測(cè)部位在爆破荷載作用下的振動(dòng)速度的絕對(duì)值明顯減小，振動(dòng)速度峰值的出現(xiàn)時(shí)間也隨距離的增加而推遲；2) 同一監(jiān)測(cè)斷面上不同監(jiān)測(cè)部位的振動(dòng)速度值隨時(shí)間的變化規(guī)律較為一致。由圖7可知，爆破振動(dòng)峰值速度隨距掌子面距離的增加而減??；爆破振動(dòng)峰值振速在空間上的分布符合薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，由此可得到不同監(jiān)測(cè)部位場(chǎng)地系數(shù)K與衰減系數(shù)α，如表3所示。

表3 場(chǎng)地系數(shù)K和衰減系數(shù)α取值匯總

2) 徑向傳播規(guī)律

在同一研究斷面，不同監(jiān)測(cè)位置的爆破振動(dòng)速度沿隧道徑向深度的增加也有不同變化。為研究相同斷面下不同測(cè)點(diǎn)在徑向深度不同時(shí)的振速分布規(guī)律，本次仿真模擬以距開(kāi)挖掌子面40 m的斷面為研究斷面，分別在拱頂、拱腰、邊墻、墻角以及仰拱等位置布置振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)測(cè)線，分析圍巖深部振動(dòng)特性傳播規(guī)律。測(cè)線長(zhǎng)度均為8 m，每條測(cè)線上布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距為1 m，如圖8所示。圍巖峰值速度衰減曲線如圖9所示。

由圖9可知：1) 爆破振動(dòng)峰值速度與開(kāi)挖輪廓線距離呈線性遞減關(guān)系，在距開(kāi)挖輪廓線0 m～4 m時(shí)，峰值速度變化明顯；距開(kāi)挖輪廓線4 m～8 m時(shí)，曲線斜率降低，峰值速度變化較?。?) 不同測(cè)線爆破振動(dòng)峰值速度的衰減趨勢(shì)大致相同；3) 不同測(cè)線圍巖峰值速度大都在距開(kāi)挖輪廓線6 m～8 m時(shí)開(kāi)始收斂，因此，可得出隧道爆破荷載對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖徑向的影響范圍為6 m。

圖8 圍巖速度測(cè)線示意

圖9 圍巖峰值速度衰減曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試方案

1) 測(cè)試段落選取

方案以爆破振動(dòng)速度為主要測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試段落選取隧道機(jī)械化施工試驗(yàn)段，實(shí)際測(cè)試的段落為草果山隧道進(jìn)口右洞YK35+750～YK36+150，累計(jì)測(cè)試段落長(zhǎng)度為400 m。該段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，具有一定的代表性，圍巖以基性巖和二長(zhǎng)巖為主，多呈強(qiáng)-中風(fēng)化，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈碎塊狀碎裂結(jié)構(gòu)；物探結(jié)果表明，多為低阻區(qū)；巖體富水性較強(qiáng)，開(kāi)挖時(shí)可能存在較大量的滴水、滲水等現(xiàn)象。

2) 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

為獲取爆破振動(dòng)速度縱向分布規(guī)律，并考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的便利性與安全性，在隧道掌子面附近邊墻位置預(yù)留洞室設(shè)置爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，并安裝TC-4850爆破測(cè)振儀進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)跟隨施工進(jìn)度，采集每一個(gè)爆破作業(yè)循環(huán)的爆破振動(dòng)規(guī)律，直至二襯施工完為止。測(cè)點(diǎn)布置示意如圖10所示。

(a) 橫斷面測(cè)點(diǎn)

(b) 縱斷面測(cè)點(diǎn)

(c) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)處預(yù)留洞室

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試設(shè)置爆破震動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)2個(gè)，跟隨施工進(jìn)度循環(huán)，測(cè)試爆破震動(dòng)61次，提取隧道施工過(guò)程中不同爆破能量作用下，距掌子面不同距離的拱頂爆破振動(dòng)參數(shù)(爆破振動(dòng)速度與振動(dòng)頻率等)，分析爆破振動(dòng)參數(shù)在時(shí)間與空間上的發(fā)展變化規(guī)律。爆破振動(dòng)速度隨掌子面的距離增大的變化規(guī)律如圖11所示，爆破振動(dòng)半坡主頻隨掌子面的距離增大的變化規(guī)律如圖12所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式對(duì)隧道中爆破振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行測(cè)試與分析，結(jié)果表明：隧道施工過(guò)程中爆破振動(dòng)速度與半波主頻隨距掌子面距離的增大而逐漸減小，爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響也逐漸較小。根據(jù)爆破安全規(guī)程，如果按2 cm/s進(jìn)行安全控制，爆破振動(dòng)的影響范圍約為67 m。

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)測(cè)結(jié)果與式(1)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中，邊墻的場(chǎng)地系數(shù)K、衰減系數(shù)α見(jiàn)表3，V基于爆破安全規(guī)程取為2 cm/s，Q為146 kg，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)至爆源距離R為62.95 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近。

圖11 爆破振動(dòng)速度隨掌子面距離變化規(guī)律

圖12 爆破振動(dòng)半坡主頻隨掌子面距離變化規(guī)律

5 結(jié)論

機(jī)械化鉆爆法施工是隧道施工發(fā)展的趨勢(shì)。本文依托草果山隧道進(jìn)行研究分析，得到了機(jī)械化大斷面施工條件下爆破振動(dòng)特征及傳播規(guī)律，為機(jī)械化大斷面施工隧道爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)與安全控制提供依據(jù)，為指導(dǎo)機(jī)械化鉆爆法施工提供理論基礎(chǔ)。

1) 沿隧道縱向方向，通過(guò)研究不同測(cè)點(diǎn)在距開(kāi)挖面不同距離條件下的爆破振動(dòng)速度分布規(guī)律，采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到不同測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)地系數(shù)K和衰減系數(shù)α值?；诒瓢踩?guī)程，按2 cm/s峰值速度進(jìn)行安全控制，以邊墻為例，當(dāng)場(chǎng)地系數(shù)K為252.49、衰減系數(shù)α為1.95時(shí)，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)到開(kāi)挖面距離R為62.95 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果67 m相近，故相似工程可參考本文得出的場(chǎng)地系數(shù)和衰減系數(shù)。

2) 沿隧道徑向方向，隨著距隧道開(kāi)挖輪廓線深度的不斷增加，不同測(cè)線都呈現(xiàn)衰減的規(guī)律，且不同測(cè)線上圍巖峰值速度衰減規(guī)律基本一致。由于隧道開(kāi)挖導(dǎo)致其輪廓線周圍一定范圍內(nèi)的巖體出現(xiàn)松散等情況，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)距離大于6 m時(shí)圍巖峰值速度開(kāi)始收斂，故建議取爆破振動(dòng)對(duì)圍巖徑向影響范圍為0 m～6 m。

3) 結(jié)合三維仿真分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)等手段，得到了依托工程Ⅳ級(jí)圍巖條件下爆破振動(dòng)速度在空間上的分布規(guī)律，但對(duì)其他地質(zhì)條件下的隧道可能不具有普遍的適用性，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步研究。