王佳輝，周晗赟，任科亮，符瞻遠(yuǎn)

(1.浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

0 引言

隨著國(guó)家交通運(yùn)輸工程建設(shè)的快速發(fā)展，長(zhǎng)大隧道不斷涌現(xiàn)。新建隧道爆破掘進(jìn)產(chǎn)生的振動(dòng)易對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生危害[1]，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量研究，如石連松等[2]通過(guò)對(duì)地鐵淺埋隧道爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)空洞效應(yīng)現(xiàn)象，并給出了爆破減振措施；張鵬[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，研究了隧道爆破振動(dòng)對(duì)上覆高壓鐵塔塔基的影響；楊俊[4]結(jié)合理論研究、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近樓房的影響，給出了減隔振措施；張浩等[5]基于康坂隧道與下方杭深高鐵溫福段東盛隧道之間的位置關(guān)系，制定了專項(xiàng)爆破施工方案和監(jiān)測(cè)方案，分析了爆破振動(dòng)對(duì)下方東盛隧道穩(wěn)定性的影響；趙凱等[6]以南京市地鐵4號(hào)線鼓樓站工程為依托，研究了隧道爆破對(duì)鄰近文物建筑鼓樓振動(dòng)響應(yīng)的影響；白宇輝[7]以長(zhǎng)春市地鐵3號(hào)線隧道工程為依托，應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；張立人等[8]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進(jìn)行了隧道爆破振動(dòng)測(cè)試分析，得到爆破振動(dòng)規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式；郭偉平[9]基于下?tīng)I(yíng)隧道工程現(xiàn)場(chǎng)爆破情況、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與爆破振動(dòng)速度，研究了新建隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近既有隧道的影響；為避免隧道爆破對(duì)環(huán)境造成影響，吳躍光[10]通過(guò)采取增加雷管段位、延長(zhǎng)爆破時(shí)間、減少掏槽眼數(shù)量和裝藥量、減少同段裝藥量等優(yōu)化措施，降低爆破振動(dòng)速度。

仰天洞隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中，需保證隧道附近引水渠的安全，但目前對(duì)類似工程的研究較少，為此，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)合鄰近引水渠振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)MIDAS GTS NX軟件模擬得到引水渠振動(dòng)速度云圖，并據(jù)此提出減振措施。對(duì)爆破方案合理性進(jìn)行驗(yàn)證，為隧道爆破施工提供依據(jù)。

1 工程概況

仰天洞隧道為分離式隧道，凈高10.75m，洞口形式為削竹式。隧道所處地段屬浙西中山丘陵區(qū)，沿線山峰連綿起伏。左線起訖里程為ZK56+820—ZK58+330，長(zhǎng)1 510m。右線起訖里程為K56+831—K58+350，長(zhǎng)1 519m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料，隧址區(qū)巖性主要為石英砂巖、砂巖，隧道圍巖長(zhǎng)度如表1所示。隧道進(jìn)口位于引水渠上方，與引水渠水平距離約為37m，距隧道左洞200m處為引水隧洞進(jìn)口，如圖1所示。

表1 隧道圍巖長(zhǎng)度 m

圖1 隧道位置

2 爆破方案設(shè)計(jì)

以隧道右線Ⅳ級(jí)圍巖為例，闡述爆破方案設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)洞60m后進(jìn)入Ⅳ級(jí)圍巖，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，由于上臺(tái)階最大單孔裝藥量、總裝藥量均大于下臺(tái)階，且下臺(tái)階爆破時(shí)上方已形成臨空面，因此主要監(jiān)測(cè)上臺(tái)階爆破振動(dòng)。為保證施工安全，并控制鄰近引水渠等建(構(gòu))筑物振動(dòng)響應(yīng)，采取控制裝藥量與爆破時(shí)間間隔等措施。

上臺(tái)階爆破參數(shù)如表2所示，循環(huán)進(jìn)尺約為2m，炮眼布置如圖2所示。為降低爆破振動(dòng)速度，爆破孔內(nèi)采用不同段別毫秒導(dǎo)爆雷管延期爆破，爆破孔外采用同段雷管簇連一次性同時(shí)起爆。按延時(shí)順序設(shè)置爆破孔內(nèi)電子雷管延期時(shí)間，其中1，3，5段雷管延期時(shí)間均為50ms，7～10段雷管延期時(shí)間分別為60，70，80，90ms。

表2 上臺(tái)階爆破參數(shù)

圖2 炮眼布置

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

由于引水渠距仰天洞隧道較近，本文主要監(jiān)測(cè)引水渠振動(dòng)響應(yīng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，監(jiān)測(cè)儀器采用L20型智能爆破測(cè)振儀，為避免環(huán)境因素的干擾，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證后將觸發(fā)電平設(shè)為0.1cm/s，考慮上、下臺(tái)階分別爆破，將記錄時(shí)長(zhǎng)設(shè)為10s，采樣率設(shè)為10 240sps，負(fù)延時(shí)設(shè)為0.25s。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

Ⅳ級(jí)圍巖第1次爆破1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度如表3所示。由表3可知，各方向主振頻率為20～50Hz；各方向最大振動(dòng)速度均較小，其中切向最大，徑向次之，垂向最小，滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[11]的有關(guān)規(guī)定，可知爆破振動(dòng)對(duì)引水渠的影響較小，證明了爆破方案合理可行。

表3 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度

1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖4所示。由圖4可知，各方向振動(dòng)速度時(shí)程曲線具有多個(gè)峰值，且最大振動(dòng)速度出現(xiàn)時(shí)刻不同，掏槽眼爆破時(shí)振動(dòng)速度最大，這是因?yàn)閹r石夾制作用較大，自由面條件差，需通過(guò)控制掏槽眼裝藥量降低振動(dòng)速度；周邊眼、底板眼由于炮眼數(shù)目較多，出現(xiàn)波形疊加現(xiàn)象，但振動(dòng)速度峰值未明顯增大；底板眼單段總裝藥量雖最大，但振動(dòng)速度較小，這是由于掏槽眼爆破后形成臨空面，使底板眼爆破形成的爆破波較小。

圖4 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

3.3 安全允許振動(dòng)速度預(yù)測(cè)

采用最大徑向振動(dòng)速度確定薩道夫斯基公式衰減系數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)其他方向最大振動(dòng)速度。監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大徑向振動(dòng)速度如表4所示。由表4可知，隨著爆心距的增加，最大徑向振動(dòng)速度逐漸減小。為提供爆破安全振動(dòng)速度預(yù)測(cè)依據(jù)，利用表4數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到引水渠所處地質(zhì)條件下的薩道夫斯基公式為：

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大徑向振動(dòng)速度

(1)

式中：V為安全允許振動(dòng)速度；Q為最大單孔裝藥量；R為安全允許距離。

4 有限元分析

為進(jìn)一步分析仰天洞隧道爆破振動(dòng)對(duì)引水渠的影響，利用有限元軟件MIDAS GTS NX開(kāi)展數(shù)值模擬研究。

4.1 計(jì)算模型與參數(shù)

有限元模型寬度、長(zhǎng)度分別取350，500m，結(jié)合隧道所處地形情況，模型高度取50～150m，如圖5所示，圍巖斷面如圖6所示。圍巖采用基于莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬，彈性和黏性邊界通過(guò)地層彈簧直接生成，共劃分約12萬(wàn)個(gè)單元。

圖5 有限元模型

圖6 圍巖斷面

結(jié)合地質(zhì)勘察資料和JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[12]選取隧道物理力學(xué)參數(shù)，如表5所示。

采用三角形加載方式，爆破荷載上升時(shí)間為12ms，總時(shí)間為120ms，火藥密度為0.8g/m3，炸藥直徑為32mm，炮眼直徑為42mm，砂巖橫向波速為3 050m/s，按一級(jí)掏槽眼6孔、單段總裝藥量8.4kg考慮。

4.2 結(jié)果分析

引水渠振動(dòng)速度云圖如圖7所示。由圖7可知，徑向、垂向、切向最大絕對(duì)振動(dòng)速度分別為0.325，0.303，0.394cm/s，引水渠切向振動(dòng)響應(yīng)最顯著，說(shuō)明切向爆破波的影響最大，徑向爆破波的影響次之，但其引起引水渠徑向振動(dòng)速度出現(xiàn)2個(gè)峰值帶，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)注意徑向振動(dòng)速度的變化。

圖7 引水渠振動(dòng)速度云圖(單位：mm·s-1)

5 結(jié)語(yǔ)

1)仰天洞隧道Ⅳ級(jí)圍巖爆破對(duì)鄰近引水渠振動(dòng)響應(yīng)具有一定影響，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果均表明引水渠切向振動(dòng)速度最大，說(shuō)明切向爆破波為主要影響來(lái)源。通過(guò)采取控制裝藥量與爆破時(shí)間間隔等措施后，引水渠各方向最大振動(dòng)速度均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)未受到嚴(yán)重傷害。

2)徑向、垂向、切向最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在掏槽眼爆破段位，可通過(guò)控制掏槽眼裝藥量減小隧道爆破振動(dòng)的影響。同時(shí)，應(yīng)設(shè)置合理的延期時(shí)間，避免一級(jí)掏槽眼與二級(jí)掏槽眼爆破產(chǎn)生的振動(dòng)疊加。

3)爆心距越大，最大徑向振動(dòng)速度越小，利用本文給出的薩道夫斯基公式可預(yù)測(cè)類似工程地質(zhì)條件下的安全允許振動(dòng)速度，以保證結(jié)構(gòu)安全。

4)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較小，可知本文建立的有限元模型合理，可采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行隧道爆破振動(dòng)影響分析。