李 錚,何 川,汪 波,楊賽舟,郭新新

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

城市隧道穿越復合地層的合理微差時間間隔

李 錚,何 川,汪 波,楊賽舟,郭新新

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

以莞惠城際項目的“上軟下硬”復合地層條件為依托，結合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，采用理論與數(shù)值分析相結合的手段，開展城市隧道穿越復合地層中合理微差時間間隔的研究。研究結果表明：復合地層中微差爆破效果較好，第1、2炮適宜的微差時間間隔為50～70 ms；圍巖條件相同，振動波形和主震相的持續(xù)時間均隨著爆心距的增加而變長；而圍巖條件變差時，振動波形更易出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象；隨著微差時間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，在0～35ms間降震率波動明顯且整體上小于穩(wěn)定降震率；在復合地層中，兩測點爆心距相同時，成洞區(qū)上方測點受空洞效應影響顯著，振速明顯偏大。

爆炸力學；微差時間間隔；振動波形；復合地層；降震效果；城市隧道

在下穿各種構筑物的市政地下工程中，鉆爆法由于成本低、專用設備少、不影響地面交通等特點被廣泛采用[1-2]。爆破施工對地表既有建(構)筑物產(chǎn)生的振動影響，受到普遍重視，將振速作為控制爆破的重要指標。目前，能夠有效控制振速大小的抗減震措施主要有掏槽(位置與結構形式)設置、微差爆破、預裂爆破及水壓爆破等，其中微差是一種可控的“主觀條件”，對爆破過程中振速的影響至關重要[3-4]。然而，由于隧道爆破開挖過程中炸藥性能、裝藥結構、地質(zhì)情況等因素影響,對微差爆破在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的物理力學現(xiàn)象還沒有準確的認識和嚴密的理論。確定微差時間間隔常用新自由面假說、殘余應力假說、最小抵抗線假說等，其依據(jù)均存在局限性[5-7]?？紤]降震效果選取合理微差時間間隔，用以下兩種觀點可以解釋：(1)不同微差時間起爆的炮孔產(chǎn)生的地震波相互干擾以降低振動影響；(2)不同微差時間起爆的炮孔產(chǎn)生的地震波主震相錯開，從而達到理想減震效果。前者由于各段炮孔位置不同，即使對相同測點，各段地震波也存在不同的傳播距離和時間，加上地質(zhì)條件影響，相鄰段位地震波相互干擾情況復雜，若盲目采用此觀點選取合理微差間隔，可能導致振速出現(xiàn)隨機增大；采用相鄰炮孔產(chǎn)生的振速波形主震相在時間軸上無相互影響的方式，進行微差爆破降震較理想[8]。

在復雜地質(zhì)條件下，微差產(chǎn)生的地震波主震相及波形變化規(guī)律、不同微差時間間隔的降震效果等均會對合理微差時間取值范圍產(chǎn)生重大影響。但目前尚未見對上述問題的深入探討?；诖?，本文中，以在建的莞惠城際穿越復合地層段作為工程背景，結合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，采用理論與數(shù)值分析相結合的手段，開展城市隧道穿越復合地層中合理微差時間間隔的研究，擬為類似工程爆破設計和施工提供參考。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通項目線路全長約97 km，區(qū)間結構形式復雜，隧道總長超過80%，以中隔墻法微差爆破施工為主。覆土表層為第四系沖洪積的軟塑至硬塑狀黏性土，其下為稍密至中密的飽和砂類土，下伏基巖為強至弱風化混合片麻巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。洞身上部主要穿越透水性強、無自穩(wěn)能力、易坍塌的富水飽和砂土地層，下部多為整體性較差的全風化混合片麻巖，隧道區(qū)間圍巖總體呈現(xiàn)出復雜、特殊的“上軟下硬”復合地層特征。

圍巖分布包含Ⅲ～Ⅵ級，隧道最小埋深不足9 m，多數(shù)區(qū)間屬于淺埋，施工將不可避免的對上部既有構筑物產(chǎn)生影響。地表交通繁忙，建筑物聳立，隧道下穿地段房屋基礎多為天然基礎及人工挖孔樁基礎，房屋多為中～低層框架結構及磚混結構，且部分房屋修建年代久遠，已出現(xiàn)開裂、傾斜等病害，盡管采取了注漿加固措施，但爆破施工時仍需降低對地表的振動影響，嚴格控制房屋沉降，避免既有病害繼續(xù)擴展或造成新的破壞。

2 巖體彈性波傳播規(guī)律

巖體中傳播的波分為體波和面波兩類，面波在傳播方向上衰減比體波慢，傳播距離更大，在巖體表面(地表、節(jié)理裂隙等)波形中占主導地位，主震相往往由面波產(chǎn)生[9]。在莞惠城際項目中設計合理微差間隔時，主要考慮：(1)相鄰炮孔爆破產(chǎn)生的主震相不疊加，此時得到微差最小時間間隔，為τmin；(2)對于振動控制，最理想情況是相鄰爆破間完全無振速疊加，但由于所需微差時間間隔長，導致各炮間不存在相互作用，與微差爆破理念不符，由此得到微差最大時間間隔，為τmax；(3)相鄰炮孔爆破后，后爆孔產(chǎn)生的初震相不與先爆孔產(chǎn)生的主震相疊加，此時微差時間間隔較合理，為τ。由此可知，微差合理時間間隔的研究涉及的主要參數(shù)有爆心距(監(jiān)測點到爆源的距離R)和彈性波波速(縱波波速vP、橫波波速vS、面波波速vR)。

根據(jù)莞惠城際區(qū)間復合地層條件，結合實際隧道圍巖分級情況，利用巖石超聲波參數(shù)測定儀及縱橫波換能器測定，各級圍巖波速判定見表1。

表1 不同圍巖等級的波速Table 1 Wave velocities of different levels surrounding rock

3 合理微差時間間隔研究

3.1 不同圍巖段現(xiàn)場測試結果

為探明在不同圍巖等級的復合地層中進行微差爆破時彈性波的特點及傳播規(guī)律，并確定合理微差間隔，選取莞惠城際典型Ⅲ級和Ⅵ級圍巖段微差爆破監(jiān)測結果進行分析。依據(jù)爆破設計參數(shù)，雷管段位1、3、5、7、9的名義延時分別為0、50、110、200、310 ms。典型Ⅲ級圍巖段(見圖1(a))隧道埋深40 m，主頻62～111.1 Hz，最大段藥量均為12.0 kg；典型Ⅵ級圍巖段(見圖1(b))隧道埋深18 m，主頻65.0～81.6 Hz，最大段藥量為7.2 kg。

圖1 現(xiàn)場測點布置示意圖Fig.1 Diagrammatic arrangement of measuring point on site

各監(jiān)測點微差爆破前300 ms的振動波形,如圖2所示。限于篇幅，僅列出測點A、B、E、F的波形，R表示爆心距。由圖2可見：(1)在圍巖等級和微差爆破間隔時間相同時，隨著測點爆心距增加，振動波形更易疊加，且爆心距增加幅度越大，波形主震相持續(xù)時間越長。(2)測點F出現(xiàn)了較明顯波形疊加效應，而測點A各段位波形基本分離，結合前述爆心距的影響，當圍巖條件變差時，振動波形更易出現(xiàn)疊加。(3)Ⅲ級圍巖測點爆心距R=45～60 m，波形持續(xù)時間tw≈100 ms(7區(qū)基本能夠反應一個完整的波形振動過程)，主震相持續(xù)時間ts=30～50 ms；Ⅵ級圍巖測點爆心距R=25～33 m，波形持續(xù)時間tw≥100 ms，主震相持續(xù)時間ts=25～40 ms。

圖2 現(xiàn)場測點振動波形Fig.2 Vibration waveforms of measuring point on site

表2 彈性波在不同圍巖等級傳播屬性Table 2 Transport properties of elastic waves of different levels of surrounding rock

由莞惠城際圍巖波速和微差取值方案，不同圍巖等級中彈性波的波形屬性如表2，微差時間間隔取值如表3，其結果均符合波的傳播及衰減規(guī)律。表中，τmin=ts，τ=ts+tR-tP，τmax=tw。參照微差爆破施工過程中振速不出現(xiàn)明顯疊加(主震相在時間軸上分離)的原則，表3中的適宜時間差τ=50 ms，即初步判定微差設計方案(雷管段位設計)較合理，能夠使爆心距R≈25 m的監(jiān)測點(據(jù)現(xiàn)場測試最大振速出現(xiàn)在此爆心距范圍內(nèi))的主震相不出現(xiàn)明顯的疊加效應。

表3 微差時間間隔取值Table 3 Values of microsecond time interval

3.2 計算模型

為驗證現(xiàn)場分析所得微差時間間隔的合理性，研究穿越復合地層條件下的微差降震效果，選擇工程中振速重點控制的Ⅵ級圍巖段進行模擬分析，該區(qū)域地表房屋密集、埋深較淺、開挖影響大。為了詳細描述不同微差時間間隔下爆破的疊加效應，選取掌子面上方地表側向20 m范圍為重點研究對象[10]，并考慮振速最大值的位置(位于已開挖區(qū)距掌子面5～10 m處地表，爆心距約24 m)布置控制點(見圖3(a))。模型(見圖3(b))中，通過設置無反射條件(除地表為自由面外)，避免邊界處波的反射對求解域的影響，并以此模擬無限大空間。模擬掏槽爆破及相鄰段位掘進孔爆破，即實際爆破涉及的段位1、3，設置兩次微差時間間隔差為0、2、5、8、10、15、20、30、40、50、70、100、150、200 ms，共14種工況。計算參數(shù)參考莞惠城際地勘資料、現(xiàn)場材料實驗、規(guī)范，并結合巖體的動力學性質(zhì)進行選取，見表4。表中，E為動彈性模量，ν為泊松比，ρ為密度。

計算中，采用Lagrange法模擬炸藥與巖體共用節(jié)點，通過JWL狀態(tài)方程描述炸藥[11]；不同段位藥量按現(xiàn)場實際取值；考慮圍巖失效情況，本構模型采用塑性動力學模型；為實現(xiàn)炸藥作用時間及計算完整性，單孔爆破作用時間(三角荷載)為112 ms[12]；模擬時對應耦合裝藥結構，但實際爆破設計為不耦合裝藥[13]。因此，依據(jù)兩種裝藥結構在炮孔壁上產(chǎn)生的荷載值相等的原則，對炸藥爆速進行折減，計算可知爆速為1 200 m/s。

表4 模型力學參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of the model

圖4 測點1現(xiàn)場實測振速波形Fig.4 Velocity waveforms of measuring point 1 on site

3.3 結果分析

根據(jù)現(xiàn)場對測點F的持續(xù)監(jiān)測，該測點位于左線隧道開挖面后5 m左右時(對應圖3中測點1)出現(xiàn)最大振速，為14.6 mm/s，如圖4所示。

圖5 不同微差間隔下測點1的振速波形Fig.5 Velocity waveforms of measuring point 1 of different microsecond time interval

圖6 各測點振速波形(τ=200 ms)Fig.6 Velocity waveforms of measuring points

提取測點1在不同典型微差時間間隔下的垂向振速波形圖，如圖5所示。

對比圖4與圖5(c)可知，現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬獲取的波形規(guī)律相似，最大振速、波峰波谷個數(shù)等均具有較好的耦合性。由圖5可知：隨著微差時間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，波形疊加效應減弱；超過20 ms時，主震相已基本分離，此后時間對最大振速不會產(chǎn)生較大影響；20m s時，第2炮產(chǎn)生的最大振速明顯過大，表明主震相雖已分離，但與第1炮產(chǎn)生的余震相仍存在疊加；100 ms時，波形已不存在明顯疊加，兩炮之間基本獨立。

選取不發(fā)生振動波形疊加時(微差時間間隔200 ms)的計算結果進行分析，各測點垂向振速波形見圖6，圖中，ts1為主震相時間，ts2為余震相時間。第1、2炮各測點最大垂向振速見表5。

由圖6和表5可知：在相同測點，第1炮產(chǎn)生的振速量值明顯大于第2炮，即掏槽孔爆破對各質(zhì)點振速影響最大，且各測點波形均未出現(xiàn)疊加，各炮產(chǎn)生的振動波形獨立；穿越復合地層時，爆心距增大將導致主震相、余震相及波的持續(xù)時間增加，波形更易發(fā)生疊加，與現(xiàn)場實測波形分析結果相同；測點1和3爆心距相同，但其振速波形和量值均不同，已開挖土體上方的測點受空洞效應影響顯著，振速明顯大于測點3，量值分別為14.3和10.6 mm/s。

表5 各測點垂向最大振速(τ=200 ms)Table 5 Maximum vibration velocities of measuring points

由圖7可知，在復合地層中采用微差爆破效果明顯好于普通爆破。當微差時間選擇不當時，地表振速將超過工程安全控制標準15 mm/s；合理間隔能使振速降低，但各測點適宜的微差時間間隔不同，如測點5在40 ms時振速變大，而測點6則降低；質(zhì)點爆心距變大時(測點5和6)，需更長微差時間間隔才能使振速“穩(wěn)定”，主要原因是爆心距增大導致主震相持續(xù)時間變長，各炮之間更易疊加。

上述分析表明，每個測點均存在最適宜的爆破微差時間間隔。但實際工程中，在不同爆心距、地質(zhì)條件、炮孔布置等因素影響下，相鄰炮孔產(chǎn)生的振動波形不同，此時，理論的最適宜微差時間間隔無法應用。因此，針對隧道爆破開挖認為合理微差時間間隔的確定，以振速控制區(qū)內(nèi)各炮振速穩(wěn)定且波形不出現(xiàn)疊加效應為原則。為更好地描述微差時間間隔和降震之間的聯(lián)系，引入“降震率”概念[14]：

(6)

式中：v0為齊發(fā)(微差時間間隔為零)爆破振動速度峰值；v為不同微差時間間隔的速度峰值。

由圖8可知：降震率在微差時間間隔0～35 ms間變化明顯，但整體上小于穩(wěn)定降震率；在振速較大且控制要求嚴格的測點1～4，50 ms時降震基本保持不變，超過70 ms時，各測點降震率均保持不變。因此，在本復合地層區(qū)間，微差時間間隔取50～70 ms較適宜，與現(xiàn)場測試結論基本吻合。

圖7 微差時間間隔與質(zhì)點振動峰值速度關系曲線Fig.7 Curves of relation between microsecond time interval and peak particle velocity

圖8 微差時間間隔與降震率關系曲線Fig.8 Curves of relation between microsecond time interval and reducing-vibration rate

4 結 論

(1)現(xiàn)場實測振動波形分析及數(shù)值模擬結論均表明，在莞惠城際項目“上軟下硬”復合地層中微差爆破效果較好，第1、2炮適宜的微差時間間隔為50～70 ms。

(2)圍巖條件相同，振動波形和主震相的持續(xù)時間均隨著爆心距的增加而變長；而圍巖條件變差時，振動波形更易出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象。

(3)隨著微差時間間隔增加，第1、2炮產(chǎn)生的主震相逐漸分離，20 ms時波形仍與前炮余震相存在疊加，100 ms時波形已基本獨立。降震率在0～35 ms間變化明顯，且整體上小于穩(wěn)定降震率，70 ms后各測點降震率均保持不變。

(4)在復合地層中，兩側點爆心距相同時，已開挖土體上方的測點受空洞效應影響顯著，其振速明顯偏大。

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(責任編輯 丁 峰)

Optimal microsecond time interval of urban tunnel passing through complex strata

Li Zheng, He Chuan, Wang Bo, Yang Saizhou, Guo Xinxin

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

In view of seismic-wave detection, laws of waveform change, and the vibration-reducing effect that different millisecond time intervals have on millisecond blasting in underground engineering, we conducted research on optimal microsecond time interval in the underground blasting for the construction of an urban tunnel passing through complex strata through theoretical and numerical analysis based on the so-called “a soft layer on top of a hard layer” soil condition found with the Guan-Hui inter-city expressway project and the related field test data. Our results show that the effect of millisecond blasting in the complex strata is preferable, the optimal microsecond time interval of the first and second guns is 50-70 ms; under the same surrounding rock conditions, the duration of the vibration waveforms and the main shock phases increase with the distance from the center of the explosion; meanwhile under the unfavorable surrounding rock conditions, the vibration waveforms are more likely to appear superimposed; with the increase of the microsecond time interval, the main shock phases of the first and second guns gradually separate, the vibration-reducing rate fluctuates significantly between 0 and 35 ms and is less than stable; in the complex strata, with the same distances from the center of the explosion at the two measuring points, the points above the hole area have significant influences with relatively greater vibration velocity.

mechanics of explosion; microsecond time interval; vibration waveform; complex strata; reducing-vibration effect; urban tunnel

10.11883/1001-1455(2016)01-0093-08

2014-06-10； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-07-25

2014-07-25

國家自然科學基金高鐵聯(lián)合基金項目(U1134208);國家自然科學基金項目(51378434，51578456); 國家科技支撐計劃項目(2012BAG05B03);廣東省交通運輸廳科技項目(2012-02-032)

李 錚(1987— )，男，博士研究生;

汪 波,ahbowang@163.com。

O383.1;U455國標學科代碼：1303520;56045 < class="emphasis_bold">文獻標志碼：A

A