郭云龍 時(shí)步炯 孟海利 孫崔源 薛里

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部， 杭州 310000

新建鐵路隧道采用鉆爆法施工時(shí)，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)影響既有鐵路隧道的運(yùn)營(yíng)安全。為了控制爆破振動(dòng)對(duì)既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，確定襯砌結(jié)構(gòu)最大安全爆破振動(dòng)速度至關(guān)重要。

許多專家學(xué)者對(duì)爆破擾動(dòng)下既有隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。賈虎［1］對(duì)爆破擾動(dòng)下鄰近硐室圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行研究，推導(dǎo)出計(jì)入爆破動(dòng)載作用時(shí)中遠(yuǎn)區(qū)圍巖松動(dòng)圈厚度計(jì)算公式。陳俊樺［2］對(duì)水電站導(dǎo)流洞爆破時(shí)相鄰隧洞動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬研究，得到相鄰隧洞迎爆側(cè)直墻最容易受拉破壞。蔣楠等［3］利用LS-DYNA 有限元軟件對(duì)爆破擾動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)襯砌測(cè)點(diǎn)和圍巖測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律存在差異。王宏祥［4］利用有限元軟件對(duì)山體爆破下既有鐵路隧道的振動(dòng)響應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出爆破振動(dòng)效應(yīng)會(huì)對(duì)列車安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。賈磊等［5］利用有限元軟件對(duì)并行隧道爆破過程進(jìn)行模擬分析得出，開挖進(jìn)尺越大既有隧道迎爆側(cè)襯砌振動(dòng)速度越大，并行隧道間距小于3倍開挖洞徑時(shí)間距變化對(duì)襯砌振動(dòng)速度影響較大，埋深對(duì)襯砌振動(dòng)速度影響較小。鄭明新等［6］通過有限元分析得出，既有與新建隧道間距小于3 倍開挖寬度時(shí)間距對(duì)既有高速鐵路隧道襯砌爆破振動(dòng)影響較大，圍巖質(zhì)量越差襯砌爆破振動(dòng)速度越大。陳壯［7］利用等效三角形荷載模擬新建隧道下穿既有鐵路隧道時(shí)爆破過程，得出中心交匯處、已開挖處和未開挖處三個(gè)斷面分別爆破時(shí)，既有鐵路隧道振動(dòng)速度均未超過安全限值。林立宏等［8］對(duì)原隧道擴(kuò)挖爆破時(shí)近鄰既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到爆破地震波能量損耗大是導(dǎo)致既有隧道背爆側(cè)振動(dòng)小的原因。劉閩龍等［9］建立巖體各向異性動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)損傷測(cè)試，驗(yàn)證該本構(gòu)模型可用于爆破損傷模擬。唐先習(xí)等［10］對(duì)隧道初期支護(hù)混凝土爆破損傷進(jìn)行研究，通過爆破振動(dòng)測(cè)試和混凝土試塊超聲波損傷測(cè)試，建立損傷值與爆破振速的關(guān)系，依據(jù)縱波波速變化率不超過0.19 的規(guī)范要求，得到不同齡期混凝土試塊的安全振速閾值。既有研究成果為鄰近既有鐵路隧道爆破施工提供了指導(dǎo)，但是針對(duì)鄰近既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大爆破振動(dòng)速度的研究較少。本文依托并行隧道爆破工程建立爆破三維模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型的正確性。通過逐級(jí)提高爆破荷載，計(jì)算得到既有海南西環(huán)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度。

1 工程概況

鄰近既有海南西環(huán)鐵路隧道的新增復(fù)線全長(zhǎng)約103 km，其中新建隧道爆破段長(zhǎng)385 m，與既有隧道平行。兩隧道中線間距在21.1 ～ 28.6 m，見圖1。

圖1 新建隧道與既有隧道平面位置關(guān)系

隧址區(qū)未見基巖出露，受保家山斷裂構(gòu)造和不同時(shí)期花崗巖蝕變影響，巖體差異風(fēng)化明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。新建隧道為單線鐵路隧道，高10 m，寬8 m。采用三臺(tái)階法施工，隧道掌子面炮孔直徑42 mm，炮孔深度2.5 ～ 4.0 m，裝填巖石乳化炸藥，光面爆破，數(shù)碼電子雷管逐孔起爆。由于距離較近，新建隧道爆破產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成影響。

2 爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為避免炮孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)疊加效應(yīng)影響分析結(jié)果，同時(shí)不妨礙正常施工，盡量選取炮孔起爆數(shù)量較少的工況進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。新建隧道下臺(tái)階左側(cè)采用5個(gè)炮孔爆破開挖。爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 下臺(tái)階左側(cè)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

既有鐵路屬于運(yùn)營(yíng)線，列車通過頻繁，故將爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選在新建隧道已開挖區(qū)，距爆破掌子面42 m墻腳處，見圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

3 隧道爆破數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

參照新建隧道設(shè)計(jì)尺寸、新建與既有隧道的位置關(guān)系，建立爆破三維模型，見圖3。新建隧道與既有隧道平行，兩隧中線間距21 m。模型尺寸為100 m（x軸） × 70 m（y軸） × 60 m（z軸），由六面體實(shí)體單元組成。既有隧道襯砌斷面測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

圖3 隧道爆破三維模型

圖4 斷面測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

3.2 參數(shù)的確定

圍巖采用摩爾庫(kù)倫材料模型彈塑性單元模擬。既有隧道襯砌混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間推移有所降低，襯砌局部出現(xiàn)滲水、裂紋等現(xiàn)象?？紤]最不利情況，襯砌采用C25 混凝土強(qiáng)度參數(shù)、彈性單元模擬。參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定Ⅴ級(jí)圍巖和襯砌物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 圍巖和襯砌物理力學(xué)參數(shù)

3.3 爆破荷載的選取

新建隧道爆破開挖時(shí)，在炮孔壁周圍巖體激起爆破應(yīng)力波，應(yīng)力波強(qiáng)度驟增，達(dá)到峰值后又急劇下降，整個(gè)作用過程耗時(shí)極短，非常劇烈，故選擇三角形等效爆破荷載模擬爆破過程。三角形等效爆破荷載的峰值Pmax通過半理論半經(jīng)驗(yàn)公式［式（1）］計(jì)算得到。

式中：Z為比例距離，為炮孔中心到荷載作用面的距離，Q為單段裝藥量。

假定爆破荷載作用升壓、降壓時(shí)間分別為10、50 ms［11-13］，R= 1.0 m。由式（1）計(jì)算得到，單孔藥量為1.2 、1.5 kg 時(shí)作用在開挖輪廓面上的Pmax分別為3.69、4.50 MPa?？组g延時(shí)為15 ms。將三角形等效爆破荷載施加在新建隧道下臺(tái)階左側(cè)開挖輪廓面上，得到三角形等效爆破荷載時(shí)程曲線，見圖5。

圖5 三角形等效爆破荷載時(shí)程曲線

3.4 模型驗(yàn)證

在數(shù)值模型中選擇與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)的實(shí)測(cè)和模擬波形見圖6。可知：兩者波形相似程度很高，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)速度最大值0.34 cm/s，出現(xiàn)在100 ms；模擬爆破振動(dòng)速度最大值0.37 cm/s，出現(xiàn)在81 ms。兩者振動(dòng)速度最大值相差8.8%，在可接受范圍內(nèi)。

圖6 測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)和模擬波形對(duì)比

對(duì)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)曲線進(jìn)行頻譜分析，得到實(shí)測(cè)和模擬爆破振動(dòng)波形的頻譜曲線，見圖7。

圖7 實(shí)測(cè)和模擬波形的頻譜曲線對(duì)比

由圖7可知，實(shí)測(cè)、模擬爆破振動(dòng)波形的頻譜曲線主振頻率分別為42.97、29.68 Hz，主振頻率差值為13.29 Hz，在GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的主振頻率差范圍（10 ～ 40 Hz）內(nèi)，滿足爆破振動(dòng)分析的要求。

綜上，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)和模擬爆破振動(dòng)的波形、振動(dòng)速度最大值、主振頻率接近，說明計(jì)算模型正確，可用于爆破振動(dòng)分析。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度最大值見表3?？芍陆ㄋ淼辣茣r(shí)，鄰近既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)z向爆破振動(dòng)速度最大。拱肩處爆破振動(dòng)合速度最大，其值為1.84 cm/s；其次是邊墻處，其值為1.78 cm/s。

表3 測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度最大值

拱肩、邊墻處z向爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線見圖8。拱肩、邊墻處三個(gè)方向的爆破振動(dòng)合速度時(shí)程曲線見圖9。

圖8 拱肩、邊墻處z向爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖9 拱肩、邊墻處爆破振動(dòng)合速度時(shí)程曲線

由圖8 和圖9 可知，新建隧道爆破產(chǎn)生的地震波引起既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)。爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線分別在25 ～ 50 ms和100 ～ 125 ms出現(xiàn)明顯的波峰波谷，在200 ～ 250 ms 出現(xiàn)的波峰波谷不明顯。這是爆破地震波疊加效應(yīng)所致。

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力見表4。其中：負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。可知：拱頂、拱肩、邊墻和墻腳處均處于受壓狀態(tài)，只有仰拱處于受拉狀態(tài)。

表4 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力MPa

仰拱處拉應(yīng)力時(shí)程曲線見圖10?？芍罕茢_動(dòng)前，在0 ～ 12.5 ms 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)仰拱處初始拉應(yīng)力為141.7 kPa ；隨著爆破地震波不斷傳入，在102 ms拉應(yīng)力達(dá)到最大峰值149.3 kPa；爆破擾動(dòng)結(jié)束后拉應(yīng)力維持在146.0 kPa，與爆破擾動(dòng)前相比仰拱處拉應(yīng)力提高了4.3 kPa，說明爆破擾動(dòng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)仰拱處作用力增大。

圖10 仰拱處拉應(yīng)力時(shí)程曲線

4 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大爆破振動(dòng)速度的確定

4.1 確定最大爆破振動(dòng)速度的判據(jù)

以圍巖塑性區(qū)是否貫通或襯砌混凝土所受拉應(yīng)力是否超過其極限抗拉強(qiáng)度為判據(jù)，確定既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度。

新建隧道爆破時(shí)，爆破應(yīng)力波在圍巖中傳播，并逐漸衰減為爆破地震波。當(dāng)巖體所受爆破荷載強(qiáng)度大于其最大抗拉或抗剪強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)塑性區(qū)。新建隧道與既有隧道之間圍巖塑性區(qū)貫通時(shí)，圍巖發(fā)生塑性流動(dòng)，從而失去承載能力，失穩(wěn)破壞。

一般情況下混凝土容易受拉破壞，所受拉應(yīng)力超過了其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)將會(huì)產(chǎn)生裂紋。爆破地震波傳播到既有隧道襯砌處，引起襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)所受最大拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，襯砌產(chǎn)生裂紋，發(fā)生破壞。此時(shí)對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度即為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度。

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)的最大爆破振動(dòng)速度

保持其他參數(shù)不變，在3.3 節(jié)得到的三角形等效爆破荷載作用的基礎(chǔ)上，逐級(jí)提高爆破荷載。分別對(duì)5、10、15、20、25倍五種爆破荷載工況進(jìn)行計(jì)算。

4.2.1 圍巖塑性區(qū)

對(duì)新建隧道爆破掌子面進(jìn)行切片，得到不同工況下隧道圍巖塑性區(qū)分布，見圖11。其中：none 為彈性區(qū)；tension-n為當(dāng)前拉伸破壞單元；shear-n為當(dāng)前剪切破壞單元；tension-p為之前拉伸破壞單元；shear-p為之前剪切破壞單元。

圖11 隧道圍巖塑性區(qū)分布

由圖11 可知，隨著爆破荷載不斷提高，圍巖塑性區(qū)范圍不斷增大。20 倍爆破荷載作用下新建隧道與既有隧道之間圍巖塑性區(qū)貫通，圍巖失穩(wěn)破壞。此時(shí)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度即為最大爆破振動(dòng)速度。

4.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)最大爆破振動(dòng)速度

各工況既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同部位最大爆破振動(dòng)速度（三個(gè)方向的合速度）見表5?？芍S爆破荷載不斷提高，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同部位最大爆破振動(dòng)速度均不斷增大，其中邊墻處最大爆破振動(dòng)速度增長(zhǎng)最快，拱頂處最慢。除1倍爆破荷載工況，其他工況下均是邊墻處最大爆破振動(dòng)速度最大，拱頂處最小。

表5 襯砌結(jié)構(gòu)不同部位最大爆破振動(dòng)速度

4.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

各工況既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同部位最大應(yīng)力見表6。其中：受拉為正，受壓為負(fù)。

表6 既有隧道襯砌不同部位最大應(yīng)力

由表6可知：隨爆破荷載不斷提高，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同部位最大壓應(yīng)力均不斷減小，最大拉應(yīng)力均不斷增大。爆破過程中襯砌拱頂、拱肩、邊墻和墻腳處分別逐漸由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，仰拱處始終受拉。邊墻處最大應(yīng)力增長(zhǎng)最快，在25倍爆破荷載作用下邊墻處最大拉應(yīng)力達(dá)到1.170 MPa。這說明在相同爆破荷載作用下，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)邊墻處拉應(yīng)力最容易超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度。因此，邊墻處最大爆破振動(dòng)速度即為最大爆破振動(dòng)速度，需要重點(diǎn)關(guān)注該速度是否在安全范圍內(nèi)。

結(jié)合表5 和表6 可知，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大爆破振動(dòng)速度與所受最大拉應(yīng)力正相關(guān)，擬合得到既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)邊墻處最大爆破振動(dòng)速度（v）與最大拉應(yīng)力（σmax）關(guān)系式，即

式（2）的擬合相關(guān)系數(shù)為0.974 4。C25 混凝土的極限抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa（即σmax），通過式（2）反算得出極限抗拉強(qiáng)度下最大爆破振動(dòng)速度為45.58 cm/s。

綜上，20 倍爆破荷載作用下既有隧道與新建隧道之間圍巖塑性區(qū)貫通，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度達(dá)到最大值。襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)邊墻處最危險(xiǎn)，最大拉應(yīng)力為0.844 MPa，最大爆破振動(dòng)速度為29.90 cm/s。還未達(dá)到45.58 cm/s，既有隧道已破壞，故既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)邊墻最大爆破振動(dòng)速度取29.90 cm/s。

5 結(jié)論

本文對(duì)既有海南西環(huán)鐵路新建隧道爆破過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建隧道模型可用于爆破振動(dòng)分析。通過逐級(jí)提高爆破荷載，分析了5、10、15、20、25倍五種爆破荷載工況下隧道圍巖塑性區(qū)分布、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度和拉應(yīng)力的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）新建隧道爆破開挖時(shí)，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)拱肩處爆破振動(dòng)合速度最大，仰拱始終處于受拉狀態(tài)。

2）隨著爆破荷載不斷提高，新建隧道與既有隧道之間圍巖塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，20倍爆破荷載作用下兩隧間圍巖塑性區(qū)貫通。

3）既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大爆破振動(dòng)速度和最大拉應(yīng)力正相關(guān)。與其他部位相比，襯砌結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)邊墻處最大爆破振動(dòng)速度和最大應(yīng)力均增長(zhǎng)最快。

4）根據(jù)隧道圍巖塑性區(qū)是否貫通或襯砌混凝土所受拉應(yīng)力是否超過其極限抗拉強(qiáng)度兩個(gè)判據(jù)，綜合分析得出20 倍爆破荷載作用下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在迎爆側(cè)邊墻處，其值為29.90 cm/s。