王亦塵

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司電化院，湖北武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著我國鐵路網的不斷完善，不可避免地需要修建大量鐵路隧道。在鐵路隧道施工過程中，爆破開挖是常用手段，但施工過程中會對巖石結構造成破壞，還可能對隧道上的建筑設施造成影響、誘發(fā)安全事故[1-2]?；诖?，開展隧道爆破振動響應研究，對提高鐵路隧道工程的安全性和穩(wěn)定性有重要意義。

國內外學者主要采用爆破試驗、實時監(jiān)測、數值模擬等方法和技術手段研究隧道爆破過程對周圍土體和建筑物的影響[3-5]。張震等[6]采用現場監(jiān)測和有限元數值模擬相結合的方法，對超淺埋通道下臺階爆破開挖進行研究，研究顯示，沿軸線方向掌子面前方5m 處地表質點峰值振速達到最高；王崢崢等[7]利用ANSYS/LS-DYNA 軟件，研究隧道開挖過程中爆破振動對圍巖及初期支護的影響，結果表明，應力和速度均在爆炸發(fā)生的極短時間內達到峰值，而后迅速衰減并在10ms 后達到穩(wěn)定狀態(tài)；孫金山等[8]研究應力波通過圓形隧道的情況，揭示了動應力方向與載荷的關系；Ramulu 等[9]和關笑等[10]對爆破振動對既有隧道的影響進行研究，得到不同爆破方案下的振動速度，其結果滿足安全標準；王海軍等[11]采用數值模擬方法，研究爆炸沖擊波對地表的影響；Wang 等[12]通過現場監(jiān)測和數值模擬相結合的方法，研究近距離巖石隧道的傳播特性并對爆破振動進行預測，提出一種預測爆破中心平面相鄰隧道段顆粒峰值速度的方法；Jiang等[13]分析海底隧道爆破振動沿巖體傳播的衰減規(guī)律，建立了海底隧道爆破引起水中聲壓衰減規(guī)律的數學預測模型；Guan 等[14]研究了爆破沖擊對臨時支撐結構的影響，得到了含有爆破拉應力參數的關系函數；Li等[15]對有預裂紋的隧道穩(wěn)定性進行試驗研究，闡述爆破載荷作用下巖石裂縫演化過程。

在上述相關研究的基礎上，依托改建鐵路北侖支線增建二線工程，基于有限元法對阿育王寺隧道爆破振動及其對電力鐵塔塔基的影響進行數值模擬研究，研究隧道爆破施工過程不同塔基位置的振動速度分布情況，并對電力鐵塔的安全性進行評估，以期為類似隧道工程爆破施工方法的選擇以及地面建筑保護等提供參考。

1 工程概況

根據阿育王寺隧道設計資料，電力鐵塔與隧道存在四種典型的相對位置。因此，針對爆破點與電力鐵塔在4 種典型相對位置下，爆破沖擊對巖層與電力鐵塔的影響進行研究。4 種典型相對位置如下：第一，塔1 隧道埋深82.61m，塔腳與隧道線路最近距離為14.94m；第二，塔2 隧道埋深70.46m，塔腳與隧道線路最近距離為68.66m；第三，塔3 隧道埋深72.35m，塔腳與隧道線路最近距離為46.05m；第四，塔4 隧道埋深74.19m，塔腳與隧道線路最近距離為20.64m。根據電力鐵塔塔基與隧道的相對位置，構建隧道開挖爆破幾何模型（見圖1）。

圖1 爆破點與電力鐵塔四種典型相對位置

2 爆破方法與數值模型

2.1 隧道爆破方法

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件進行建模分析。塔基自地面向下分別為粉質黏土混碎石（厚度1.5m）、強風化凝灰?guī)r（厚度3m）和中風化凝灰?guī)r（厚度大于3m），均屬V 級或Ⅳ級圍巖。巖石和中風化巖層均采用RHT 材料本構模型進行描述，地表粉質黏土采用HJC 材料本構模型進行表征。模擬炸藥為2#巖石乳化炸藥，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型并結合（Jones-Wilkens-Lee，JWL）狀態(tài)方程進行炸藥爆轟過程描述，表達式如公式（1）所示：

式（1）中：

P1為爆炸壓力；

V為相對體積；

E0為初始內能密度；

A,B,R1,R2,ω均為狀態(tài)方程參數，屬于炸藥的特征參數，主要通過物理試驗測得。

空氣通過*MAT_NULL 模型結合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 狀態(tài)方程進行表征，線性多項式表達式如公式（2）所示：

式（2）中：

C0～C6均為多項式系數；

μ=ρ/ρ0-1，ρ為當前氣體密度，ρ0為初始氣體密度；

P2為氣體壓力；

E1為內能密度。

理論上，單響藥量越大，爆破振動災害越突出，故從極不利角度出發(fā)，根據最大危害因素控制理論，以Ⅱ級圍巖爆破方案作為該模擬的基礎方案。參照上述4 種圍巖工況下的隧道爆破設計，Ⅱ級圍巖全斷面爆破鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 Ⅱ級圍巖全斷面法鉆孔布置圖

2.2 網格模型

巖石及地表中風化層、粉質黏土層采用LAGRANGE 單元進行劃分，炸藥采用歐拉單元網格進行劃分，在炸藥周邊劃分ALE 空間。炸藥與ALE 采用通過共節(jié)點的方式進行爆轟能量傳遞，巖石與炸藥之間的爆轟能量傳播通過ALE 空間LAGRANGE-INSOLID 耦合算法進行能量傳遞。隧道、炸藥、ALE 空間這3 種單元網格大小為2cm，在隧道周邊設置漸變網格，單元網格從2cm 漸變至50cm。4種典型電塔爆破開挖網格模型如圖3 所示，塔1～塔4 的網格單元數量分別為783752、856860、881686 和774944 個。

圖3 4種典型電塔爆破開挖網格模型

3 計算結果與分析

3.1 隧道爆破應力波傳播過程

隧道爆破施工時，巖體及地表建筑物的響應特征參量復雜，在實際工程中爆破荷載對巖土體的作用是通過對質點施加爆破應力波使巖體破壞。由于延期時間越長相鄰孔間的相互影響越小，因此采用延期5ms 分段起爆方案。

圖4 為起爆后塔1 隧道爆破過程中以振動速度表征的應力波傳播過程?？梢钥闯?，起爆后應力波以圓弧的形式向周邊介質擴散，在15ms 時應力波傳播至塔基所在地層；20ms 時應力波傳播至地表，高應力區(qū)主要集中在隧道正上方巖層內部，對塔基影響較?。恢?5ms 時，巖層區(qū)域內應力波逐漸衰減；至35ms 時，應力波已趨于平緩，由于此時左側塔基更靠近隧道，因此應力大于右側塔基。

圖4 塔1 隧道爆破振動速度云圖

圖5～圖7 分別給出了塔2～塔4 隧道爆破后應力波演化情況?？梢钥闯?，高應力波區(qū)主要集中在隧道半徑20m 的圓弧區(qū)域內，而后明顯地以隧道為中心呈波浪式擴展，在隧道水平和豎直方向中心線周圍應力波相對較強。由于電塔距隧道距離較遠，爆破施工對塔基影響較小。至35ms 時，應力波已迅速衰減，尤其是塔2 和塔3 距隧道較遠，塔基質點已基本不受爆炸應力波的影響。

圖5 塔2 爆破振動速度云圖

圖6 塔3 爆破振動速度云圖

圖7 塔4 爆破振動速度云圖

3.2 電塔振動與應力特性分析

根據隧道設計和《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）要求，上部電塔參照“工業(yè)和商業(yè)建筑物”標準，最大允許振速應控制在2.5cm/s 以下，在隧道爆破開挖過程中高壓電力鐵塔塔基處爆破振動速度不大于7.0cm/s，以確保鐵塔的安全。因此，進一步建立平面應變數值計算模型，模擬隧道爆破對地表電塔振動特性的影響。

基于3.1 節(jié)分析可知，由于塔4 的塔基相對隧道的直線距離最近，爆破過程中應力波最先到達塔基，且塔基附近振動速度大于塔1、塔2 和塔3，此處重點給出塔4 不同位置的振動特性，監(jiān)測點布置如圖8 所示。其中塔基為主要研究部位，塔基底部、地表、頂部左右兩側各設置1 個監(jiān)測點，編號分別為A、B、C、I、H、G，共6 個監(jiān)測點；上部電塔自下而上布置6 個監(jiān)測點，編號分別為D、E、F、L、K、J。

圖8 模型測點布置圖

電塔4 監(jiān)測點應力峰值變化曲線如圖9 所示。隧道爆破施工后塔基所受水平向應力和豎直向應力差別不大，其中最大水平x 向應力為1.128MPa，位于近隧道側底部A 監(jiān)測點，最大豎直y 向應力為1.366MPa，位于遠隧道側頂部I 監(jiān)測點。塔基A 和G點整體上受力不大，所受平均有效應力在3.65MPa。由于電塔近隧道側靠近爆破點，所受有效應力略大于電塔遠隧道側，表明爆源距離差異導致爆破影響不均勻。電塔與地表交界面所受有效應力最大，約為8.9MPa。根據《110kV～750kV 架空輸電線路設計規(guī)范》（GB 50545—2010）的要求，桿塔結構的抗拉、抗壓和抗彎強度均為205MPa，抗剪強度為120MPa，最大值均在桿件的承載能力范圍之內，因此爆破過程中塔基及電塔應力均滿足安全要求。

圖9 電塔4 監(jiān)測點最大應力值

根據圖10 可知，塔基部分x 向振動速度隨高程增加而增大，在頂部左側C 點為最大值，為0.16cm/s。y 向振速在塔基底部A 點為最大值，為0.23cm/s。因此，y 向振速大于x 向振速，即y 向振速起主導作用。上部電塔監(jiān)測節(jié)點振速隨高度的增加而增大，原因是存在“鞭梢效應”，高程放大效應使得爆破振動速度增大。上部電塔頂部質點振動速度兩側變化趨于一致，塔頂最大振速為0.21cm/s，小于規(guī)范的控制值2.5cm/s，處于安全狀態(tài)。

圖10 電塔4 監(jiān)測點振動速度峰值

電塔4 基座A、B、G、H 點位移變化時程曲線如圖11 所示。隧道爆破施工對各塔基位移影響均很小，起爆后x 向、y 向和合位移迅速達到最大值。塔基整體上存在明顯的水平x 向位移，豎直y 向位移則主要分布在塔基底部的A 點和G 點。從位移大小來看，x 向位移與y 向位移大小相近，且均隨應力波的傳播，呈現波動增加，爆破施工結束后未產生顯著沉降。

圖11 電塔4 基監(jiān)測點位移時程曲線

總的來看，由于電塔距隧道距離較遠，爆破后塔基位移振動很小，合位移最大值在A 點，約為0.411mm，塔基G 點合位移最大值為0.267mm，塔基位移差僅為0.15mm 左右。根據規(guī)范《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94—2008），電塔位移在控制標準范圍內，隧道爆破對電塔的位移影響很小，在正常規(guī)范施工過程中不會因不均勻沉降而出現鐵塔傾斜或倒塌情況，電塔處于安全狀態(tài)。

4 結論

結合阿育王寺隧道工程實例，根據工程實際和設計資料建立有限元模型，基于數值模擬方法研究隧道爆破振動響應及其對電力鐵塔塔基的影響，并對相關安全指標進行評估，主要結論如下：

第一，鐵路隧道爆破點起爆后，應力波以圓弧形式向周邊介質擴散，在極短的時間內傳播到塔基，并迅速衰減，應力波高區(qū)域主要集中在隧道水平和豎直方向中心線周圍。

第二，爆破振動對塔基影響較小，35ms 時各電力鐵塔塔基爆破應力波已趨于平緩，塔基最大振動速度均小于工程允許的最大振動速度7cm/s，電塔應力峰值也小于許用應力，均滿足《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）中的規(guī)范要求，爆破過程不會對電力鐵塔造成破壞。

第三，塔1 和塔4 在水平位置上更靠近隧道，塔基振動速度相較于塔2 和塔3 高，且由于各電力鐵塔塔基左側更靠近隧道，因此應力波比塔基右側大；由于高程放大效應，電力鐵塔振速隨高度增加而增大。

上述研究結果可為有限元數值模擬方法在鐵路隧道爆破工程中的應用提供參考。