費(fèi)鴻祿，張國(guó)輝

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.山西冀中能源集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

各種高等級(jí)公路建設(shè)迅猛發(fā)展，而環(huán)境保護(hù)也日漸深入人心，山區(qū)或沿河高速公路選線時(shí)，上、下行隧道往往受地形的限制，使兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由于連拱隧道的工程造價(jià)高、施工難度大、施工周期長(zhǎng)，大大超過普通雙線雙洞隧道，這樣迫使人們?cè)O(shè)計(jì)一種符合實(shí)際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］。小凈距隧道雙洞的中夾巖柱寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間，一般小于隧道開挖斷面寬度的1.5倍。

目前，針對(duì)地下工程開挖中爆破荷載作用下的巖體硐室穩(wěn)定性分析較少，大多是分析地震荷載作用下的巖體硐室安全。例如，于翔［5］、李小軍［6］、黃勝等［7］和李海波等［8］根據(jù)地震后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析了地下巖體工程的變形破壞模式、程度與覆蓋層厚度、巖石類型、支護(hù)類型和地震參數(shù)之間的關(guān)系。張麗華等［9］、黃潤(rùn)秋等［10］、金峰等［11］和趙寶友等［12］采用有限元、離散元等方法，分析了地下巖體硐室 （隧道）在地震動(dòng)荷載作用下的速度、加速度、位移等響應(yīng)特征和規(guī)律。在爆破開挖地下硐室時(shí)，施工中關(guān)心的是每次爆破發(fā)生時(shí)對(duì)已開挖成型硐室的影響，即爆破發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的地下硐室失穩(wěn)情況。本文中，以大荒溝隧道掘進(jìn)過程中小凈距標(biāo)段為研究對(duì)象，采用FLAC－3D軟件模擬多次（6次）爆破荷載作用下的小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)特性，并和疲勞損傷聲波監(jiān)測(cè)結(jié)果比較，確定多次爆破下隧道圍巖巖體穩(wěn)定性，擬為工程設(shè)計(jì)提供一種理論計(jì)算及數(shù)據(jù)分析模擬的參考方法。

1 模型建立及參數(shù)選取

1.1 模型建立

丹東－通化高速公路大荒溝隧道左線長(zhǎng)1 120m，右線長(zhǎng)1 080m，通化端為分離式隧道，丹東端左、右線隧道毛洞間距范圍為9.812～24.095m，屬于小凈距隧道。模型的建模區(qū)域及尺寸，以大荒溝隧道施工中小凈距隧道標(biāo)段的設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，合理選擇模型大小，模擬以25m×78m×25m的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，其中小凈距間柱寬度為10m。圖1為小凈距隧道計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)應(yīng)力波沿隧道洞壁走向加載，質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)應(yīng)力波沿隧道洞壁法向加載，A、B為測(cè)振儀布置點(diǎn)，a、b為模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 小凈距隧道計(jì)算模型Fig.1 Asimulation model for small clearance tunnel

1.2 隧道圍巖主要力學(xué)參數(shù)及屈服準(zhǔn)則

根據(jù)隧道深淺埋分界的規(guī)定［13］，大荒溝隧道小凈距隧道標(biāo)段平均埋深為40m，屬于深埋隧道。隧道圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)似層狀較簡(jiǎn)單，無軟弱結(jié)構(gòu)面入侵及裂隙水等不良地質(zhì)現(xiàn)象。線路通過區(qū)地層主要為片巖、二云片麻巖、石英片巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角內(nèi)巖、混合巖，其中上覆巖層以片巖為主，巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)力學(xué)參數(shù)差異不大。巖石的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)分別為：彈性模量E＝37GPa，泊松比ν＝0.33，密度ρ＝2.15t／m3，內(nèi)聚力c＝450kPa，體積模量 K＝3.6GPa，剪切模量G＝1.4GPa，抗拉強(qiáng)度σ＝1MPa，內(nèi)摩擦角φ＝33°。

體積模量K和剪切模量G與彈性模量E及泊松比ν之間的關(guān)系分別為：

數(shù)值模擬中，采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，屈服函數(shù)為［14－15］：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，Nφ＝（1＋sinφ）／（1－sinφ）。

當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足fs＜0時(shí)，發(fā)生剪切破壞；當(dāng)滿足ft＞0時(shí)，發(fā)生拉伸破壞。

1.3 爆破荷載處理及邊界條件

圖2（a）為測(cè)振儀B采集左洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度原始波形，包含兩部分：豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形（黃色），橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形（綠色）。同樣，圖2（b）為測(cè)振儀A在左洞爆破結(jié)束后右洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度波形，右洞爆破開挖滯后于左洞。記錄了左、右洞交叉爆破共計(jì)6次，只列出前2次爆破時(shí)測(cè)振儀采集的數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)測(cè)波形Fig.2 The original waveforms

由于爆破振動(dòng)信號(hào)頻率較高，為有效模擬爆破振動(dòng)下隧道圍巖穩(wěn)定性，采用SeismoSignal軟件進(jìn)行濾波及基線校正處理，濾波頻率為20Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為1.2s。將圖2中前2次爆破振動(dòng)波形進(jìn)行處理，圖3（a）為左洞第1次爆破作用時(shí)豎向、橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，最大豎向、橫向振動(dòng)速度分別為vn，m＝27mm／s，vp，m＝25mm／s。同樣，圖3（b）為右洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，vn，m＝33mm／s，vp，m＝31mm／s。

圖3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度Fig.3 Particle vibration velocities

左洞和右洞各采集質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)3次，共計(jì)6次，其中后4次爆破波形處理同上。根據(jù)實(shí)際爆破振動(dòng)情況，隧道在各次爆破1.2s后振動(dòng)基本消除。為使計(jì)算結(jié)果快速收斂，采用連續(xù)加載方式，左洞加載1、3、5時(shí)間分別為0≤t＜1.2s、2.4s≤t＜3.6s、4.8s≤t＜6.0s，右洞加載2、4、6時(shí)間分別為1.2s≤t＜2.4s、3.6s≤t＜4.8s、6.0s≤t≤7.2s。表1為6次爆破加載波形參數(shù)，Q 為總藥量，L為爆心距，q為單段最大藥量，vn，m、vp，m為最大豎向、橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 The experimental data

采用應(yīng)力時(shí)程方式加載，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化成應(yīng)力時(shí)程曲線［16－18］

式中：σn為正應(yīng)力，σs為剪應(yīng)力，ρ為密度，cP為介質(zhì)的P波波速為介質(zhì)的S波波速為豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，vp為橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

由于測(cè)振儀所采集數(shù)據(jù)為隧道內(nèi)某個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特性，不能簡(jiǎn)單作為面荷載進(jìn)行外部加載，同時(shí)為更好反映測(cè)振儀所在位置的圍巖位移響應(yīng)特性，就所在隧道內(nèi)爆破作業(yè)，將對(duì)應(yīng)測(cè)振儀采集并經(jīng)濾波處理的豎向和橫向波形加載在所在隧道內(nèi)壁圍巖上，構(gòu)成3維動(dòng)力加載模型。其中，將豎向振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線沿隧道走向內(nèi)壁法向入射，橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線沿隧道內(nèi)壁走向入射，采用爆破所在隧道全長(zhǎng)動(dòng)力加載方式模擬測(cè)振儀所在位置位移響應(yīng)特性。模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b可選取模型任意斷面，因?yàn)楸扑谒淼纼?nèi)各斷面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加載波形相同，內(nèi)部動(dòng)力加載模型外邊界采用動(dòng)力分析下的靜態(tài)邊界即可滿足模擬要求；動(dòng)力分析采用局部阻尼，局部阻尼因數(shù)取0.157 1。

2 模擬結(jié)果分析

模擬過程分2步進(jìn)行：第1步，隧道初期支護(hù)完成下的靜力分析；第2步，模擬6次小凈距隧道交叉爆破應(yīng)力作用下圍巖位移穩(wěn)定性分析。

2.1 靜力分析

爆破開挖后噴射混凝土C30進(jìn)行初期支護(hù)，厚度為6cm，初始地應(yīng)力下小凈距隧道靜力平衡見圖4。由圖可知，隧道周邊圍巖測(cè)點(diǎn)所受最大、最小主應(yīng)力，根據(jù)式（1）可知，隧道靜力平衡下未發(fā)生剪切及拉伸破壞，隧道處于靜力穩(wěn)定狀態(tài)；靜力作用下，隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向最大位移發(fā)生在隧道頂點(diǎn)處，最大值為1.2cm。

圖4 靜力主應(yīng)力云圖Fig.4 Principal stresses under static condition

2.2 多次爆破作用下的隧道動(dòng)力分析

監(jiān)測(cè)儀A、B采集的數(shù)據(jù)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，將經(jīng)濾波及校正后的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線加載到隧道洞壁上，并對(duì)應(yīng)爆破開挖所在隧道進(jìn)行加載，即沿隧道洞壁法向入射豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形，沿隧道壁走向入射橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形。著重探討在左、右洞爆破循環(huán)加載下的小凈距隧道間柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖5為多次爆破荷載作用下間柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b豎向和橫向位移圖。

圖5 間柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.5 Displacements of monitoring points

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.6 The displacement－time curves of monitoring points

由圖5，得到間柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b多次爆破結(jié)束后的位移時(shí)程曲線，見圖6。由圖6可知，小凈距隧道間柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b在左、右洞各3次交叉爆破結(jié)束后的豎向終止位移基本一致，dn≈0.7mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)b豎向位移曲線波動(dòng)較大，差異在于左、右洞交叉爆破先后順序，即當(dāng)左洞爆破掘進(jìn)時(shí)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移較大，對(duì)另側(cè)隧道影響較??；間柱測(cè)點(diǎn)a、b的橫向位移大于豎向位移，同時(shí)波動(dòng)幅度較大，可知隨著爆破掘進(jìn)開挖的持續(xù)進(jìn)行，間柱最有可能發(fā)生剪切破壞而非擠壓破壞，在施工中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)間柱進(jìn)行必要支護(hù)，在隧道開挖圍巖穩(wěn)定情況下，可通過在間柱上部打錨桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固。總體變化趨勢(shì)是，隨著測(cè)點(diǎn)距爆源距離加大，作用于測(cè)點(diǎn)處巖體的應(yīng)力波強(qiáng)度減小，小凈距隧道間柱位移最終趨于穩(wěn)定。

圖7 聲波測(cè)試孔Fig.7 Acoustic wave measurers

3 多次爆破作用下巖體聲波傳播現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為了更好分析爆破對(duì)小凈距隧道間柱的振動(dòng)影響，進(jìn)行巖體聲波現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，左洞開挖在右洞前，以右洞間柱一側(cè)為基礎(chǔ)，兩側(cè)對(duì)稱布置測(cè)試孔，孔深3m，孔距2m，聲波測(cè)孔布置見圖7。實(shí)際各洞爆破前進(jìn)約2.5m，每次爆破前后進(jìn)行聲波測(cè)試。左、右洞交叉爆破下巖石聲速隨聲波測(cè)孔位置的變化曲線見圖8。

圖8 巖石聲速隨位置變化曲線Fig.8 Acoustic wave velocities of rock in different positions

由圖8可知，左、右洞交叉爆破后的巖石聲速比爆前低；爆破地震波對(duì)爆破區(qū)域的巖體產(chǎn)生了擾動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)、整體性及裂隙方向和裂隙長(zhǎng)度、寬度發(fā)生了變化，導(dǎo)致了巖石聲速的降低，總體趨勢(shì)是巖石聲速隨著測(cè)點(diǎn)的深度減小而降低。隨著爆破掘進(jìn)的進(jìn)行，爆區(qū)離聲波探測(cè)孔距離逐漸變大，巖石損傷度逐漸減小，第4次爆破后減小幅度明顯降低，表明爆破對(duì)間柱影響長(zhǎng)度為8～10m；同時(shí)，各次爆破對(duì)所在隧道間柱一側(cè)的影響大于間柱另一側(cè)，這與計(jì)算機(jī)爆破模擬結(jié)果大致相同。

4 結(jié) 論

在排除交叉爆破順序作用的影響下，小凈距隧道各主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線以間柱為對(duì)稱面呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性，即左洞爆破時(shí)，間柱右洞一側(cè)產(chǎn)生位移變動(dòng)較小，在隨后的右洞爆破時(shí)，發(fā)生一定回彈，同時(shí)左洞已產(chǎn)生的位移變化也有所回彈；在間柱范圍內(nèi)，橫向位移大于豎向位移且波動(dòng)較大，因此爆破施工中應(yīng)注意觀測(cè)；將計(jì)算機(jī)模擬爆破振動(dòng)影響下小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)規(guī)律同實(shí)測(cè)爆破巖體超聲波監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，通過對(duì)比較好地驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬的可靠性，并較好地分析了爆破荷載下小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)規(guī)律及巖體疲勞損傷等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性，并且為爆破開挖地下硐室工程提供一種符合工程實(shí)際需要的模擬手段。

［1］張向東，林增華，萬明富.基于 ANSYS確定小凈距隧道合理凈距的數(shù)值模擬［J］.北方交通，2008（9）：81－83.Zhang Xiang－dong，Lin Zeng－h(huán)ua，Wan Ming－fu.Numerical simulation of determine rational clearance of tunnel with minor clearance based on ANSYS［J］.Northern Communications，2008（9）：81－83.

［2］李斯海.廈門市仙岳山隧道圍巖穩(wěn)定性三維有限元計(jì)算分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（2）：211－214.Li Si－h(huán)ai.3－D EFM analyses on stability of Xianyueshan Tunnel of Xiamen City［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（2）：211－214.

［3］吳夢(mèng)軍，陳彰貴，許錫賓，等.公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀與展望［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（2）：24－28.Wu Meng－jun，Chen Zhang－gui，Xu Xi－bin，et al.The present and prospect of highway tunnel surrounding rock stability［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2003，22（2）：24－28.

［4］饒?jiān)?隧道鉆爆施工對(duì)初期支護(hù)的影響及控制標(biāo)準(zhǔn)的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［5］于翔.地下建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)充分考慮抗震問題：1995年阪神地震破壞的啟示［J］.工程抗震，2002（4）：17－20.Yu Xiang.Underground structures are always considered possessing well anti－seismic capability：Revelation of 1995 Hyogoken－Nambu earthquake［J］.Earthquake Resistant Engineering，2002（4）：17－20.

［6］李小軍.地下隧道式結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法研究［M］.北京：科學(xué)出版社，1997：94－104.

［7］黃勝，陳衛(wèi)忠，楊建平，等.地下工程地震動(dòng)力響應(yīng)及抗震研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（3）：483－490.Huang Sheng，Chen Wei－zhong，Yang Jian－ping，et al.Research on earthquake－induced dynamic responses and a seismic measure for underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（3）：483－490.

［8］李海波，朱蒞，呂濤，等.考慮地震動(dòng)空間非一致性的巖體地下洞室群地震反應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（9）：1757－1766.Li Hai－bo，Zhu Li，LüTao，et al.Analysis of an underground cavern groups in rock subjected to spatially non－uniform seismic ground motion［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（9）：1757－1766.

［9］張麗華，陶連金.節(jié)理巖體地下洞室群的地震動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.世界地震工程，2002，18（2）：158－162.Zhang Li－h(huán)ua，Tao Lian－jin.Dynamic response analysis of large underground excavations in jointed rock［J］.World Earthquake Engineering，2002，18（2）：158－162.

［10］黃潤(rùn)秋，王賢能，唐勝傳.深埋隧道地震動(dòng)力響應(yīng)的復(fù)反應(yīng)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1997，5（1）：1－7.Huang Yun－qiu，Wang Xian－neng，Tang Sheng－chuan.Complex analysis of seismic response of a mountain tunnel［J］.Journal of Engineering Geology，1997，5（1）：1－7.

［11］金峰，王光綸，賈偉偉.離散元一邊界元?jiǎng)恿Φ満夏Ｐ驮诘叵陆Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2001（2）：24－28.Jin Feng，Wang Guang－lun，Jia Wei－wei.Application of distinct element－boundary element coupling model in underground structure dynamic analysis［J］.Journal of Hydrulic Engineering，2001（2）：24－28.

［12］趙寶友，馬震岳，梁冰，等.基于損傷塑性模型的地下洞室結(jié)構(gòu)地震作用分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30（5）：1153－1159.Zhao Bao－you，Ma Zhen－yue，Liang Bing，et al.Seismic analysis of underground structures based on damaged plasticity model［J］.Chinese Journals of Rock and Soil Mechanics，2009，30（5）：1153－1159.

［13］JTG D70－2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［14］夏祥，李俊如，李海波，等.爆破荷載作用下巖體振動(dòng)特征的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2005，26（1）：50－56.Xia Xiang，Li Jun－ru，Li Hai－bo，et al.Udec modeling of vibration characteristics of jointed rock mass under explosion［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（l）：50－56.

［15］Zhao Bao－you，Ma Zhen－yue.Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2009，46（3）：506－513.

［16］Sharma J.Blasting induced vibration monitoring［J］.The Indian Mining and Engineering Journal，1998，37（11）：36－41.

［17］邱流潮，金峰.地震分析中人工邊界處理與地震動(dòng)輸入方法研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（9）：1502－1504.Qiu Liu－chao，Jin Feng.Study of method of earthquake input and artificial boundary conditions for seismic soilstructure interaction analysis［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（9）：1502－1504.

［18］陳育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.