摘要：為探明火鳳山隧道加寬段爆破開挖對鄰近建筑和先行洞的影響，本文通過有限差分軟件FLAC3D對火鳳山隧道左線20m加寬段進行爆破模擬計算，研究了爆破振動在工程區(qū)的傳播規(guī)律、爆破對小凈距隧道影響以及爆破對地表建筑的影響。

關(guān)鍵詞：道路工程；爆破振動；數(shù)值模擬；峰值振動速度；隧道

中圖分類號：U455.6""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0222-06

Study on Influence Law of Blasting Vibration of Urban Tunnel Adjacent to Building

YAN Wei FEI Hu YANG Qiaowei

（1. Sichuan Road amp; Bridge（Group）Co.， Ltd.， Highway Third Branch， Chengdu Sichuan 610200， China;2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu Sichuan 610031， China）

Abstract： In order to find out the influence of blasting excavation on the adjacent buildings and the first hole in the widening section of Huofengshan Tunnel， the finite difference software FLAC3D was used to simulate the blasting simulation of the 20m widening section of the left line of Huofengshan Tunnel. The propagation law of blasting vibration in the engineering area， the influence of blasting on the small spacing tunnel and the influence of blasting on the surface building were studied.

Key words： road engineering; blasting vibration; numerical simulation; peak particle velocity; tunnel

0 引言

隨著西部山區(qū)公路交通建設(shè)的推進，隧道鄰近既有建筑物的現(xiàn)象逐漸增多。而公路隧道設(shè)計常用雙洞單線形式，開挖多采用爆破施工的方法，爆破產(chǎn)生的振動可能對建筑和先行隧道的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

針對上述問題，國內(nèi)外學者展開了諸多研究。張玉成[1]等為準確模擬爆炸作用，基于圣維南荷載等效原理將作用在炮孔壁上的爆破荷載等效后，施加在同排炮孔連心線或者面上。陳桂龍[2]等采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，研究在不同爆源距、循環(huán)進尺與單段最大裝藥量情況下隧道爆破開挖，研究了在爆破動荷載作用下地表建筑物的振速響應(yīng)規(guī)律。王利[3]等通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了2種振速最大值隨建筑物樓層的變化關(guān)系，總結(jié)出建筑物爆破振動的規(guī)律及2種振速隨樓層變化的區(qū)別與聯(lián)系。賈磊[4]等采用數(shù)值模擬方法研究了新建鉆爆法隧道采用不同施工關(guān)鍵參數(shù)（開挖進尺、間距、埋深）對既有鄰近隧道的影響，并用襯砌振動速度與安全振動速度標準進行比對，從而對既有襯砌的安全性進行評價。李利平[5]等研究了淺埋大跨段隧道掘進爆破的地表震動效應(yīng)并提出了大斷面開挖減震控制技術(shù)。大多數(shù)學者[6?10]采用地表質(zhì)點振動速度作為爆破振動的安全評價標準。本文依托火鳳山城市隧道，通過數(shù)值計算模擬左線20m加寬段爆破開挖過程，研究爆破振動對鄰近建筑和右線先行洞的影響，說明隧道爆破開挖對地表建筑的安全存在威脅，爆破工作面前方5～25m范圍內(nèi)的小凈距隧道質(zhì)點振速，可為鄰近建筑和小凈距隧道的隧道爆破施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

火鳳山隧道屬于重慶曾家?guī)r北延伸穿越跨內(nèi)環(huán)新增通道的重點控制工程，為雙洞單線城市公路隧道，左右線為3車道，建筑限界寬度為13.25m，左右線線路中心線間距為23m，為小凈距隧道。隧道設(shè)計為分岔隧道，主線隧道在分岔前須多次加寬。隧道斷面依次由標準限界寬度的13.25m加寬至17.45m、20m和25m。根據(jù)現(xiàn)場施工方案，右線隧道為先行隧道，左線隧道為后行隧道，各段的施工工法如表1所示。

火鳳山隧道位于城市核心區(qū)域，鄰近多個城市建筑，包括富抱泉居民小區(qū)和盈田酒店。故在現(xiàn)場監(jiān)測左線隧道17.45m加寬段爆破施工對周邊建筑物的影響，在隧道爆破點上方地表位置安裝速度傳感器。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）針對建筑結(jié)構(gòu)的爆破振動控制標準[11]，一般民用建筑安全允許質(zhì)點振動速度為1.5～2.0cm/s，現(xiàn)場采用更為嚴格的1cm/s作為地表振速控制值。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明右上導坑和左上導坑施工期內(nèi)，地表振速峰值可達1.23cm/s，超出地表振速控制值，說明隧道爆破對地表建筑具有潛在安全威脅。

2 數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值模型建立

使用FLAC3D模擬隧道爆破過程，模型如圖1所示，在Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分時確定最大網(wǎng)格尺寸為略小于輸入振動波的最高頻率所對應(yīng)波長的1/8。在模型的四周施加靜態(tài)邊界條件，通過設(shè)置自由阻尼器實現(xiàn)對模型邊界上法向與切向入射波的吸收，可減少振動波在自由邊界上的反射效應(yīng)。模擬采用常用的瑞利阻尼，臨界阻尼比取0.05，最小中心頻率取20[12]。

2.2 模擬爆破方案

左線隧道20m加寬段的右上導坑與地表建筑、右線隧道距離最近，所以對該處的爆破過程進行模擬。將等效爆破荷載作用于對應(yīng)導坑的開挖掌子面及目標范圍內(nèi)的洞壁四周。右上導坑的掏槽孔數(shù)量為6個，裝藥量為3.6kg，爆破荷載主要考慮掏槽孔炸藥爆破的作用，爆破計算參數(shù)如表2所示。爆破荷載模擬采用指數(shù)型荷載波形，荷載波形函數(shù)調(diào)整為升壓時間10ms，降壓時間90ms，荷載作用總時長100ms，爆破荷載作用時程曲線如圖2所示。

2.3 監(jiān)測方案

峰值振動速度PPV（Peak Particle Velocity）為常用的地下混凝土結(jié)構(gòu)爆破振動安全控制標準。本文將質(zhì)點振動速度作為主要監(jiān)測內(nèi)容，如圖3為監(jiān)測斷面與監(jiān)測點布置方案，主要分為以下三個方面。

（１）爆破振動的工程區(qū)傳播規(guī)律：分為左向、右向和豎向三個方向進行監(jiān)測，以爆破中心為起點向三個方向進行發(fā)散布置測點，直至模型邊界。

（２）爆破對小凈距隧道的影響：以右線隧道鄰近爆破面為起點，分別沿縱向前后每隔5m布置一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面設(shè)置8個測點（拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳和拱底）。

（３）爆破對地表建筑的影響：對兩處地表建筑（富抱泉小區(qū)和盈田酒店）的地表振速進行監(jiān)測，研究振動波的傳播規(guī)律及對地表建筑的影響規(guī)律。富抱泉小區(qū)地表監(jiān)測點與爆源水平和豎向距離分別為28.5m和41.6m，盈田酒店地表監(jiān)測點與爆源水平和豎向距離分別為41.1m和35.9m。

3 計算結(jié)果分析

3.1 爆破振動的工程區(qū)傳播規(guī)律

分別提取爆破前靜力計算和爆破荷載達到峰值時的圍巖主應(yīng)力云圖，如圖4～圖5所示。

在爆破荷載作用下，爆破范圍內(nèi)包括掌子面的圍巖應(yīng)力明顯增大，該范圍內(nèi)最大、最小主應(yīng)力值均為負值，受擠壓沖擊作用影響較大，主應(yīng)力云圖與爆破前出現(xiàn)明顯不同，其中掌子面最大、最小主應(yīng)力最值分別為 3.29MPa和 9.08MPa，可知爆破荷載達到峰值時隧道掌子面應(yīng)力增加了6.58MPa左右，與施加的等效爆破荷載值對應(yīng)。

整理監(jiān)測點設(shè)計中的爆心左向、右向和豎向監(jiān)測點三個方向的質(zhì)點振速PPV值，以與爆破中心的距離為橫坐標，繪制成圖如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可見，爆破產(chǎn)生的振動波在各個方向圍巖中的傳播規(guī)律基本一致，圍巖振速在30m范圍內(nèi)迅速衰減，但爆破處上方圍巖的振動速度遠大于左向和右向。隧道頂部距離爆破源最近的測點振動速度峰值為68.02cm/s，距爆破豎直方向延伸至地表的振速峰值為3.54cm/s，超過了爆破規(guī)范要求規(guī)定，振動波傳播至左側(cè)邊界時質(zhì)點振速峰值為0.72cm/s，右側(cè)邊界為0.19cm/s。

3.2 爆破對小凈距隧道影響

如圖9為 50ms時爆破位置所在截面圍巖內(nèi)部振動速度云圖。

爆破振動波以爆破源為圓心向四周傳遞，受先行洞隧道支護結(jié)構(gòu)及臨空面的影響，阻礙了振動波的傳播，故先行洞隧道左拱腰處振速明顯大于其他部位，提取該處X、Y、Z三個方向的振速，繪制振速時程曲線如圖10所示?？梢?，X和Y方向的振動分量明顯大于Z方向，X方向振動分量在荷載達到最大值的時間段內(nèi)也達到最大值并迅速波動。Y方向振動分量延后荷載達到最大值，三個方向的振動分量均在0.1s后收斂。

提取監(jiān)測斷面每個測點的質(zhì)點峰值振動速度并繪制PPV沿縱向分布圖，如圖11所示。

可見各斷面上測點的振動速度分布規(guī)律基本一致，左拱腰最接近爆破源所以動力響應(yīng)最明顯，拱腳和拱肩次之，原因是左拱腰、左邊墻是位于迎爆面上，直接受到爆破振動波沖擊，處于最危險區(qū)域；但拱頂、右拱腰、右邊墻均未直接承受爆破振動波沖擊，主要受繞射過后的爆破振動波影響，振動響應(yīng)不明顯。

掌子面前方10m斷面為PPV取得最大值的位置，其中左拱腰PPV值為13.94cm/s。與爆破掌子面距離5～25m范圍內(nèi)的質(zhì)點振速均大于與爆破源最近的迎爆面斷面振速，爆破掌子面前方的爆破振動速度大于后方，PPV沿縱向無明顯衰減。左線隧道的掏槽爆破是在較大夾制作用下的強拋擲爆破，導致爆炸波能量大多向巖體深部傳播，引起小凈距隧道前方一定范圍內(nèi)的振動明顯。

分別提取爆破前靜力計算和爆破荷載達到峰值時的先行洞襯砌主應(yīng)力云圖，如圖12～圖13所示。

在靜力計算中，先行洞襯砌最大主應(yīng)力最值為0.948MPa，位于拱頂位置，最小主應(yīng)力最值為 2.624MPa，位于左右拱腰。當爆破荷載達到峰值時，先行洞襯砌最大主應(yīng)力最值為0.866MPa，與爆破前相比減小了8%，襯砌受拉作用略微減小，向遠離爆破源一側(cè)偏移；左拱腰位置最小主應(yīng)力為 2.980MPa，與爆破前相比增加了14%，其余位置應(yīng)力變化較小，說明在現(xiàn)場應(yīng)嚴格控制該位置的初期支護及二襯的施工質(zhì)量，確保各構(gòu)件連接緊密，形成封閉整體，將荷載有效傳遞至其余部位，減小應(yīng)力集中。

3.3 爆破對地表建筑影響

對兩處地表建筑富抱泉小區(qū)和盈田酒店的地表振速進行監(jiān)測，振速矢量和時程曲線如圖14所示。

富抱泉小區(qū)地表監(jiān)測點振速矢量和在147ms時達到最大值，為1.80cm/s，25ms后再次達到峰值，為1.73cm/s，計算過程中有三次超過施工現(xiàn)場振速控制值；盈田酒店由于距離爆破中心較遠，質(zhì)點振速矢量和最大值為1.24cm/s，相比小區(qū)監(jiān)測點減小了約31%。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值計算采用等效荷載的方法對火鳳山隧道左線20m加寬段的爆破過程進行模擬，針對以下三個內(nèi)容進行了深入研究：爆破振動的工程區(qū)傳播規(guī)律；爆破對小凈距隧道的影響；爆破對地表建筑的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

（1）在爆破荷載作用下，爆破掌子面范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力明顯增大，且范圍內(nèi)最大、最小主應(yīng)力值均為負值，受擠壓沖擊作用影響較大。爆破引起的圍巖振動響應(yīng)在30m范圍內(nèi)迅速衰減；

（2）小凈距隧道左拱腰位置最接近爆破源，動力響應(yīng)最明顯，PPV值為13.94cm/s，拱腳和拱肩次之，且X和Y方向的振動分量明顯大于Z方向。由于大部分的爆炸波能量向巖體深部傳播，爆破工作面前方5～25m范圍內(nèi)的小凈距隧道質(zhì)點振速均大于與爆破源最近的迎爆面斷面振速；

（3）富抱泉小區(qū)地表監(jiān)測點與爆源水平和豎向距離分別為28.5m和41.6m，振速矢量達到兩次峰值，分別為1.80cm/s和1.73cm/s，超過施工現(xiàn)場振速控制值，盈田酒店地表監(jiān)測點與爆源水平和豎向距離分別為41.1m和35.9m，由于距離爆破中心較遠，質(zhì)點最大值為1.24cm/s，說明隧道爆破開挖對地表建筑的安全存在威脅。

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