李新翰 LI Xin-han

（江門市安恒爆破工程有限公司，江門 529000）

0 引言

隨著人們生活水平普遍提高，車輛保有量也在逐年提高，原有的公路、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施很難滿足日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸量需要，更多的改建、擴(kuò)建、新建工程在全國(guó)各地鋪展開來(lái)。由于地形和環(huán)境條件的限制，在實(shí)際中，經(jīng)常出現(xiàn)新建工程與原有隧道臨近和上下穿插交錯(cuò)的情況。由于新建工程臨近既有隧道，將引發(fā)一系列的安全問(wèn)題，總地來(lái)說(shuō)可歸納為以下兩方面[1-3]：①新建隧道的開挖引起巖體應(yīng)力重分布；②鉆爆法相對(duì)于其他方法，在開挖成本和施工進(jìn)度方面依然具有一定的優(yōu)勢(shì)，是目前隧道施工的主流方法，其產(chǎn)生的振動(dòng)等危害效應(yīng)對(duì)既有隧道造成的影響。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也對(duì)爆破施工對(duì)緊鄰的既有隧道影響展開了研究：劉唐利等在研究地鐵隧道爆破施工時(shí)對(duì)緊鄰既有隧道的影響時(shí)，用ANSYS/LS-DYNA 建立簡(jiǎn)化后的炮孔模型，計(jì)算結(jié)果顯示，與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)吻合度較高[4]；康海波等運(yùn)用LS-DYNA 對(duì)隧道內(nèi)爆轟產(chǎn)物的傳播距離、傳播規(guī)律、超壓衰減做了一系列的研究[5]；蔡路軍等研究上穿公路隧道爆破對(duì)下方供水隧道的影響時(shí)，分析了爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和振動(dòng)情況[6]。

1 工程概況

新建隧道分別位于既有隧道左右側(cè)，凈距為18.15～25.48m 不等，為單洞四車道隧道，隧道左線長(zhǎng)472m，其中進(jìn)口明洞長(zhǎng)10m；出口明洞長(zhǎng)10m；隧道右線長(zhǎng)346m，其中進(jìn)口明洞長(zhǎng)20m，出口明洞長(zhǎng)20m。新建隧道進(jìn)、出口均為已廢棄采石場(chǎng)，坡形陡峭，山體坡角約75°-90°，燕山期花崗巖出露，巖性以Ⅲ級(jí)圍巖為主，進(jìn)、出口位置經(jīng)開采后形成陡坎。新建隧道與既有隧道位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 新建隧道環(huán)境圖

在爆破施工中，根據(jù)所處巖層的圍巖性質(zhì)不同所采用施工方法分別有：二臺(tái)階法（上下臺(tái)階法）、三臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD 法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法?？紤]到在施工條件固定的情況下，影響爆破振動(dòng)主要取決于最大單段起爆藥量。由于新建隧道與既有隧道的距離過(guò)近，工程靠近既有隧道一側(cè)采用機(jī)械開挖，僅遠(yuǎn)離既有隧道一側(cè)采用爆破開挖，采用電子雷管起爆，每段雷管之間的延時(shí)在20-30ms 之間，其中最大單段藥量為單側(cè)壁導(dǎo)坑法中左上部隧道的輔助孔起爆，其炮孔布置圖如圖2 所示，起爆參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破參數(shù)匯總表

圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法炮孔布置圖（部分）

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為確保既有隧道在爆破施工下的安全，在新建隧道左線爆破施工時(shí)，進(jìn)行了數(shù)次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。在既有隧道左線布置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)共布置5 個(gè)，測(cè)點(diǎn)1 位于與新建隧道掘進(jìn)掌子面平齊的既有隧道左側(cè)，其余測(cè)點(diǎn)在既有隧道中沿掘進(jìn)掌子面前進(jìn)方向每隔5m 布置一個(gè)。其中x 方向?yàn)榇怪庇谒淼雷呦虻乃椒较?，y 方向?yàn)槠叫杏谒淼雷呦蚍较颍瑉 方向?yàn)榇怪庇谒淼雷呦虻呢Q直方向。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3 所示。

圖3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由于新建隧道和既有隧道之間的距離是變化的，取新建隧道掘進(jìn)至與既有隧道最近處，爆破施工時(shí)所測(cè)爆破振動(dòng)如表2 所示。兩隧道凈距最近處為18.15m，隧道施工僅遠(yuǎn)離既有隧道側(cè)采用爆破開挖，爆源中心與檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際距離約為35m，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆心距根據(jù)幾何關(guān)系分別如表2 所示。

表2 爆破測(cè)振結(jié)果數(shù)據(jù)表

從表中所測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，振速總體隨著爆心距的增加呈減少趨勢(shì)，從各個(gè)方向的分速度來(lái)看，垂直于隧道走向的水平方向振速最大（x 分量），垂直于隧道走向豎直方向振速次之（z 分量），沿隧道走向方向的水平方向振速最?。▂ 分量）。其中，測(cè)點(diǎn)1 實(shí)測(cè)合速度波形曲線如圖4 所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)1 合速度波形

3 數(shù)值模型建立和計(jì)算

以新建隧道現(xiàn)狀為依據(jù)，建立1∶1 比例模型，考慮到和右線相比，新建隧道左線與既有隧道的距離更近，因此在研究時(shí)，以左線隧道的爆破施工為研究對(duì)象。由于隧道爆破斷面布孔較多，為減少建模工作量，可將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：將同段起爆的炮孔用一個(gè)等效炮孔替代，替換后的炮孔直徑和炮孔位置采用以下方法確定：

將同一段起爆的藥包簡(jiǎn)化為一個(gè)起爆藥包，替換后的等效藥包直徑由式（1）計(jì)算[4]。

式中：D 為等效炮孔直徑；n 為每一段的炮孔個(gè)數(shù)；d為實(shí)際炮孔直徑；c 為常數(shù)，取0.621。

等效藥包的位置采用理論力學(xué)合力矩確定[7]，即根據(jù)隧道斷面上各個(gè)炮孔的中心坐標(biāo)，由式（2）求出所有炮孔的重心坐標(biāo)，再用重心坐標(biāo)建立等效幾何模型。

根據(jù)以上理論可將爆破模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)際施工中最大單段藥量炮孔布置和簡(jiǎn)化后的模型示意圖分別如圖5所示。

圖5 炮孔簡(jiǎn)化示意圖

根據(jù)簡(jiǎn)化后的模型，采用ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行建模，單位制為kg-m-s。目前，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行爆破模擬，存在4 種主流的爆破荷載施加方法[8]，其中采用荷載曲線模擬爆破荷載建模簡(jiǎn)單，求解速度快。荷載曲線采用國(guó)際主流的爆破荷載數(shù)值模型，其曲線表達(dá)式如式（3）[9]：

其中，P0為峰值應(yīng)力，根據(jù)式（1）計(jì)算的等效炮孔直徑取100mm，峰值應(yīng)力參考文獻(xiàn)[10]，取P0=4500MPa；t 為自變量；t0為加載時(shí)間，取，α、β為常數(shù)，且β/α=1.5。加載曲線如圖6 所示。

圖6 爆破荷載加載時(shí)程曲線

既有隧道與新建隧道之間的巖體用關(guān)鍵字*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 進(jìn)行描述。為模擬炸藥在無(wú)限介質(zhì)中的爆炸，對(duì)除炮孔自由面以外的其他模型表面施加無(wú)反射邊界條件，建模效果如圖7 所示。

圖7 建模效果圖

4 模擬結(jié)果

分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，在既有隧道左洞迎爆源一側(cè)墻腳處與掘進(jìn)掌子面齊平位置，沿掘進(jìn)方向每隔5m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置5 個(gè)，以監(jiān)測(cè)相應(yīng)位置在爆破作用下的振動(dòng)速度。

在ls-prepost 中提取計(jì)算后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x、y、z 方向的振動(dòng)速度（矢量）以及合速度（標(biāo)量）情況，振動(dòng)波形圖如圖8 所示。

圖8 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形圖

從模擬結(jié)果來(lái)看，各個(gè)方向的振動(dòng)速度隨著爆心距的增加呈減小趨勢(shì)。其中x 方向（垂直于隧道走向水平方向）振動(dòng)速度最大，y 方向（垂直于隧道走向豎直方向）次之，z方向（平行于隧道走向水平方向）最??；各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)合速度的測(cè)振結(jié)果和模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 實(shí)測(cè)和模擬振速對(duì)比表

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高，除測(cè)點(diǎn)5 外，其余測(cè)點(diǎn)的偏差均不超過(guò)15%，模擬的可信度較高。

5 安全性分析

對(duì)于既有隧道爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，不同文件給出的標(biāo)準(zhǔn)值有著較大的差異?！侗瓢踩?guī)程》中對(duì)既有交通隧洞的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)最低為10cm/s；《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》對(duì)隧道爆破振動(dòng)安全允許值最低為5cm/s；袁良遠(yuǎn)等在研究中給出國(guó)內(nèi)凈距小于30m 的類似隧道爆破振動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)值[11]，其控制標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)隧道凈距和建成年份的不同分別為5-10cm/s 不等，其中建成年份較久的隧道（建成于20 世紀(jì)70 年代），凈距為20m 時(shí)，振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為6.0cm/s?？紤]到既有隧道的現(xiàn)狀，該爆破工程中既有隧道的爆破振動(dòng)安全允許值確定為6cm/s。

由于評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)有害效應(yīng)時(shí)以相互垂直的三個(gè)振動(dòng)分量中的最大值和其對(duì)應(yīng)的頻率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，爆破振動(dòng)速度最大的分量為垂直隧道走向的水平方向（x 軸方向），最大值為2.38cm/s，爆破振動(dòng)波的頻率一般集中在10~50Hz 區(qū)間。從模擬結(jié)果來(lái)看，在爆破最大單段藥量為24kg 時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響在安全允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

①?gòu)母鱾€(gè)方向的振動(dòng)速度來(lái)看，垂直于隧道走向的水平方向振速最大，豎直方向次之，沿隧道走向的水平方向振動(dòng)速度最小。②與既有隧道凈距為18.15～25.48m時(shí)，在緊鄰隧道一側(cè)采用機(jī)械開挖，遠(yuǎn)離一側(cè)采用爆破開挖，最大單響藥量24kg的情況下，爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響在允許的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，爆破作業(yè)安全。③用合力矩理論將多炮孔簡(jiǎn)化為一個(gè)等效炮孔，使用等效炮孔在ANSYS/LSDYNA 中建模研究爆破振動(dòng)，該方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，總體吻合度較高，較為可靠。