錢安康，陳志敏,2，朱 煊，文 勇

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；3.大秦鐵路股份有限公司，太原 030000；4.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

近距離爆破產(chǎn)生的爆破振動可能會引起鄰近隧道襯砌結構開裂，對其安全性產(chǎn)生很大的影響[1]，從而影響既有鐵路線的安全運營。

為評估新建隧道爆破施工對既有隧道的影響，一些學者利用各種方法對其進行了分析。方智淳等[2]為評估采石場爆破對隧道結構安全性的影響，采用數(shù)值分析方法對既有鐵路隧道襯砌混凝土迎爆側面的應力及位移進行了分析。鄭明新等[3]運用現(xiàn)場測試技術與數(shù)值分析方法探討了爆破振動對臨近高鐵隧道襯砌結構的影響。鄭儒彬[4]通過采用改進后的爆破振動速度預測模型來預測、分析爆破振動傳播與衰減規(guī)律，進而降低爆破產(chǎn)生的危害。李秀地等[5]利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了新建隧道爆破效應在鄰近運營隧道傳播的數(shù)值計算模型，并分析了新建隧道爆破施工對鄰近運營隧道的影響規(guī)律與藥量控制。

盡管現(xiàn)有研究在爆破振動及安全準則等方面取得了一系列成果[6]，但對于短天窗點間隔等特殊條件的爆破振動影響還需要具體問題具體分析，從而在原有的爆破方案基礎上進行優(yōu)化，并通過對既有鄰近隧道襯砌結構的爆破振速影響進行分析，比選出更加安全、經(jīng)濟、合理的爆破方案。

1 工程概況

福州至平潭鐵路新苔井山隧道左、右線均為單洞單線隧道，位于福廈線既有苔井山隧道兩側，隧道形狀為馬蹄形，最大埋深78.7 m，內(nèi)軌頂面高于既有隧道1.0～4.0 m，開挖斷面B×H=818 cm×1 025 cm。左線隧道距離既有隧道最近處結構凈距為11.48 m，其相對應的右線隧道與既有隧道凈距為29.955 m。為研究左線隧道爆破施工過程對既有隧道的最不利影響，故選取此斷面來進行數(shù)值模擬分析。新建隧道與既有隧道斷面關系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面關系Fig.1 The section relationship between the new tunnel and the existing tunnel

2 爆破方案

全斷面爆破是同時對整個隧道斷面進行爆破，炮孔布置如圖2a所示。而分天窗爆破則是在天窗期之前完成炮孔布設和鉆孔作業(yè)，再分別利用2個天窗點，對待挖隧道進行填藥和爆破。第1個天窗點先對A部分進行爆破，目的主要是掏槽，為后續(xù)爆破產(chǎn)生良好的臨空面；第2個天窗點再采用小藥量控制爆破方法對B部分進行爆破施工[7](見圖2b)。

注：A為第1起爆區(qū)；B為第2起爆區(qū)，MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS15為雷管段數(shù)圖2 不同爆破方案炮孔布置Fig.2 Layout of blastholes in different blasting schemes

全斷面爆破方案與分天窗爆破方案各段裝藥量如表1所示。

表1 不同爆破方案各段裝藥量

3 有限元模擬

3.1 模型的建立

為了弱化邊界對數(shù)值模擬的影響，模型左右及上下邊界分別取3～5倍隧道洞徑，最終整個模型尺寸長138 m，高84 m，左線隧道內(nèi)軌頂面高于既有隧道內(nèi)軌頂面1 m。為避免爆破地震波在邊界處反射，在建立模型過程中對邊界施加黏彈性邊界條件。

結合分天窗隧道爆破施工方式，爆破時間分為2個天窗點，第1個天窗點(00∶00～00∶30)的爆破區(qū)稱為第1起爆區(qū)，第2個天窗點(04∶00～04∶30)的爆破區(qū)稱為第2起爆區(qū)。遵循網(wǎng)格劃分原理，第1起爆區(qū)模型最終將網(wǎng)格劃分為15 712個節(jié)點，15 359個單元；第2起爆區(qū)模型最終將網(wǎng)格劃分為15 846個節(jié)點，15 493個單元。全斷面模型和第2起爆區(qū)模型相同。

模擬選取等級為Ⅲ級的圍巖作為分析對象，主要地層有3層，從上到下依次為人工填土層、卵石土、風化花崗巖，巖體較為破碎。圍巖及支護的物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖、支護的物理力學參數(shù)

3.2 爆破荷載的計算及加載

在目前的研究中，爆破荷載波形的選擇和加、卸載時間的計算主要有3種類型：三角形波性加載；指數(shù)型；諧波函數(shù)或平滑曲線型[8]。對于爆破荷載的計算，以往采用的計算方法多適用于單孔或者集中裝藥的情況，而沒有將整個爆破面的所有炮孔荷載考慮在內(nèi)。為了使計算結果更加符合現(xiàn)場實際情況，本次計算將整個爆破面考慮在內(nèi)，并將掏槽孔與非掏槽孔的荷載計算分開進行。

依據(jù)爆破荷載簡化理論，全斷面爆破荷載根據(jù)段位不同簡化為8個三角形荷載；分天窗爆破的第1、2起爆區(qū)爆破荷載可以簡化為6個三角形荷載，每個段位炸藥產(chǎn)生的荷載都具有加載段與卸載段[9]。為了最大程度降低不同段位爆破振動的疊加效應，段位之間時間間隔設置為50～100 ms[10]。荷載施加方式是將其視為均布荷載垂直作用在隧道開挖輪廓線上。全斷面爆破荷載時程如圖3所示，分天窗爆破荷載時程如圖4所示。

圖3 全斷面爆破荷載時程Fig.3 Time history of the full section blasting

圖4 分天窗爆破荷載時程Fig.4 Time history of the blasting of different reserved maintenance times

3.3 監(jiān)測位置的設定

對既有隧道拱頂、拱腰、拱腳及底部等部位進行振速監(jiān)測，計算時間積分步長為0.02 s，整個爆破過程計算總時間為1.2 s。各監(jiān)測點位置如圖5所示。

注：1～8為監(jiān)測點編號圖5 監(jiān)測點位置Fig.5 Location of monitoring points

3.4 模擬結果分析

1)全斷面爆破方案。各監(jiān)測點位置爆破振動速度時程如圖6所示。

圖6 各監(jiān)測位置爆破振速時程Fig.6 Time history of vibration velocity at each monitored position

對比分析各監(jiān)測位置的爆破振速時程可以看出，襯砌結構水平方向的振動速度都要大于豎直方向的振動速度，且距離爆源水平方向越遠，水平振動速度越?。徽駝铀俣茸畲笾党霈F(xiàn)在拱腰位置，為6.04 cm/s，超過最大振速允許值3 cm/s，而豎直方向最大振動速度則出現(xiàn)在拱頂位置，為1.73 cm/s。

2)分天窗爆破方案。由于全斷面爆破在有隧道襯砌結構拱腰位置的爆破振速將遠超過最大振速允許值，影響既有隧道的安全運營。而且現(xiàn)場實際安排2次全斷面爆破，間隔時間最少需要5 h，與2次天窗點間隔時間不足4 h相比，采用全斷面爆破還將會失去一次爆破開挖的機會，影響工程進度。為不影響既有隧道正常運營，爆破需要在間隔時間較短的2個短天窗期進行，因此必須對全斷面爆破方案進行改進優(yōu)化，進行分區(qū)、分天窗爆破。

既有隧道襯砌爆破振動速度最大的位置為迎爆側面拱腰處，故此次分析主要對既有隧道迎爆側面拱腰位置的水平振速進行分析，右側先行隧道及其他位置影響相對較弱暫不做考慮。第1起爆區(qū)和第2起爆區(qū)既有隧道迎爆側面拱腰處水平振動速度時程如圖7所示。

圖7 分天窗爆破迎爆側面拱腰處水平振速Fig.7 Horizontal vibration velocity of the blasting of different reserved maintenance times at the arch waist of the blasting side

由圖7分析可知，第1天窗期爆破最大振動速度為2.75 cm/s，第2天窗期爆破最大振動速度為2.44 cm/s，都未超過最大振速允許值3 cm/s，處于安全范圍內(nèi)；第1起爆區(qū)最大振速比第2起爆區(qū)最大振速高12.7%，整個爆破過程中，第1天窗期掏槽孔爆破時振速最大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

4.1 數(shù)據(jù)對比與爆破振動衰減規(guī)律

將振速測試儀安裝在離爆破點最近的既有隧道襯砌拱腰部位，在爆破區(qū)范圍內(nèi)每隔15 m安裝1臺，共布置10臺，并根據(jù)爆破施工進度進行前移。每次爆破施工完成后記錄最大一段的振動速度峰值，并進行整理分析。既有隧道爆破振動監(jiān)測點布置如圖8所示。

注：1～10為監(jiān)測點編號圖8 振動監(jiān)測點布置Fig.8 Layout of vibration monitoring points

目前，我國大多采用薩道夫斯基公式作為爆破振動衰減公式來預測爆破振速或計算裝藥量，以更好地指導現(xiàn)場施工。其計算公式為

(1)

對式(1)兩邊取對數(shù)可得式(2)

lnv=lnK+lnρ

(2)

設y=lnK，x=lnρ，a=α，b=lnK，則式(2)可表示為

y=ax+b

(3)

通過對現(xiàn)場各監(jiān)測點提供的爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合回歸分析，可得到參數(shù)a和b，進而得到不同爆破方案的振動衰減系數(shù)，其中K=eb，α=a。

各爆破方案裝藥量最大的一段分別為MS11、MS3、MS7，上述各段炮孔中心至各橫斷面迎爆側面拱腰監(jiān)測點(編號為5～8)的距離都分別為15.57、21.62、33.80、47.62 m，同時取不同爆破方案5～8號監(jiān)測點的現(xiàn)場實測峰值振速，進而進行線性擬合，并與數(shù)值模擬峰值振速進行對比。各監(jiān)測點爆破振速及衰減系數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比

通過對現(xiàn)場監(jiān)測最大振速與數(shù)值模擬最大振速的對比可知，兩者之間的相對誤差較小，數(shù)值計算的精度整體符合要求。同時，由表3分析也不難發(fā)現(xiàn)系數(shù)K在采用分天窗爆破時要比全斷面爆破小，且分天窗第2次爆破比第1次爆破要小，這是因為第1次爆破在掏槽時受到的夾制作用較大，而在第2次爆破時由于臨空面的增加，夾制作用變小，且由于地質條件大致相同，各爆破方案的振動衰減系數(shù)α則相差不大。

4.2 方案比選

通過對比分析兩種爆破方案下的既有臨近隧道襯砌結構的爆破振速可以看出，全斷面爆破方案下的爆破振動速度最大值為6.04 cm/s，已經(jīng)超過最大爆破振動安全允許值3 cm/s，且與短天窗間隔條件下的爆破方案相比，將會失去一次爆破開挖的機會，影響工程進度。相比之下，分天窗爆破方案下的最大振動速度僅為2.75 cm/s，不僅滿足施工最大振動速度的要求，還可以充分利用2個天窗期進行爆破施工，加快施工進度，安全經(jīng)濟高效，故分天窗爆破方案較全斷面爆破方案更優(yōu)。

5 結論

1)全斷面爆破方案爆破振動速度最大值為6.04 cm/s，超過了最大振速允許值3 cm/s，而分天窗爆破方案爆破振動速度最大值為2.75 cm/s，處于安全范圍內(nèi)，且可以充分利用2個天窗期進行施工，經(jīng)濟高效，故采用分天窗爆破方案更優(yōu)。

2)兩種爆破方案下的水平方向最大爆破振動速度都要遠大于豎直方向最大爆破振動速度，且距離爆源水平方向越遠，水平振動速度越小。