陳 祥， 劉明學(xué)， 祁小博

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100083)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，地下工程正在被越來越廣泛地應(yīng)用，并且其規(guī)模也越來越大。鉆爆法由于具有工序簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，在地下工程施工中被廣泛應(yīng)用。但是，由于爆炸瞬間會(huì)釋放巨大的能量，鉆爆法在帶來經(jīng)濟(jì)、便捷的同時(shí)，也對(duì)爆炸源一定范圍內(nèi)已開挖地下工程的安全和穩(wěn)定帶來重大影響。

長(zhǎng)期以來，對(duì)于地下洞室圍巖在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，大量學(xué)者從理論分析[1-6]、數(shù)值模擬[7-16]、模型實(shí)驗(yàn)[17-21]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[22-28]等方面進(jìn)行了卓有成效的工作。其中不乏在洞室群相互影響與間距分析方面的研究，如：謝煒等根據(jù)線性疊加原理建立了隧道爆破近區(qū)振速計(jì)算模型，對(duì)近區(qū)爆破振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究；Li等通過理論分析推導(dǎo)了洞室爆破引起的相鄰洞室圍巖峰值振速和應(yīng)力分布，并提出了安全洞室間距的確定方法；孫金山等采用有限元分析方法，研究了爆破振動(dòng)中的縱波傳播對(duì)鄰近隧道的影響，認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大的位置并非動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)最大的位置；蔚立元等以青島膠州灣海底隧道工程為依托，采用數(shù)值分析方法分析了施工洞和先行洞的圍巖振動(dòng)，認(rèn)為施工洞施工過程中施工洞拱部、先行洞迎爆面邊墻是爆破振速峰值最大的部位；王新宇等分析了新建翠華山隧道爆破施工對(duì)其上方既有線小峪隧道圍巖的影響，認(rèn)為既有線隧道迎爆面測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度較大，是爆破震動(dòng)效應(yīng)控制的薄弱部位；Xia等認(rèn)為通過控制隧道圍巖峰值振速能夠較好控制相鄰洞室圍巖及襯砌變形，并以Damaoshan隧道為例，提出了該隧道爆破施工中圍巖峰值振速的容許閾值；郭東明等通過模型實(shí)驗(yàn)，研究了鄰近巷道裂紋缺陷受爆炸荷載作用的擴(kuò)展機(jī)理，認(rèn)為對(duì)于迎爆側(cè)預(yù)制裂紋，巷道存在使其導(dǎo)向作用更顯著，應(yīng)力更集中；Song等通過模型試驗(yàn)研究了水平巖層中大斷面、小間距隧道爆破施工的相互影響，認(rèn)為后洞開挖對(duì)圍巖中夾層巖體具有較大影響；石洪超等采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了并行小凈距隧道后續(xù)洞爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，認(rèn)為先行洞迎爆側(cè)邊墻上的最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在后續(xù)洞爆破掌子面的側(cè)后方；李新平等通過現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，研究了復(fù)雜地下導(dǎo)流洞群爆破地震波傳播規(guī)律，認(rèn)為爆破振動(dòng)作用下相鄰洞室迎爆側(cè)是容易出現(xiàn)破壞的區(qū)域，且隨著沖擊荷載增大，迎爆側(cè)直墻最容易出現(xiàn)拉伸破壞；田運(yùn)生等采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究了下穿引水隧道爆破開挖對(duì)已建鐵路隧道的影響，認(rèn)為迎爆面的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度最大，背爆面相對(duì)較小，距離爆心越遠(yuǎn)，這種差別越?。粚O崔源等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了普通導(dǎo)爆管雷管起爆和數(shù)碼電子雷管起爆條件下，小間距隧道圍巖的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為數(shù)碼電子雷管起爆產(chǎn)生的峰值振速明顯降低。

本文依托某地下水封石油洞庫(kù)1#施工巷道的爆破開挖，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析爆破振動(dòng)在洞室圍巖內(nèi)的衰減規(guī)律，同時(shí)，采用動(dòng)力有限元軟件建立1#施工巷道數(shù)值模型，模擬爆破開挖，分析爆破振動(dòng)作用下洞室圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證模型及其參數(shù)取值的合理性；在此基礎(chǔ)，建立實(shí)際水封油庫(kù)洞室的雙洞數(shù)值模型，賦予經(jīng)過驗(yàn)證合理的參數(shù)，研究在建洞室爆破開挖對(duì)相鄰已開挖洞室的影響；最后，建立不同間距的雙洞數(shù)值模型，分析特征點(diǎn)圍巖峰值振速與洞室間距的關(guān)系，進(jìn)而為大型地下水封石油洞庫(kù)群爆破開挖設(shè)計(jì)和洞室間距優(yōu)化布置提供依據(jù)。

1 研究方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究思路

本文依托某地下水封石油洞庫(kù)1#施工巷道的爆破施工，采用現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，研究爆破振動(dòng)作用下，地下洞室群圍巖的動(dòng)力響應(yīng)及其相互影響，具體的研究思路如下：

(1) 對(duì)1#施工巷道實(shí)際施工過程中的爆破振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，隨著掌子面向前推進(jìn)，分析巷道圍巖不同特征位置處的峰值振速的變化規(guī)律；

(2) 根據(jù)1#施工巷道的實(shí)際情況，采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件建立1#施工巷道數(shù)值模型，模擬實(shí)際相當(dāng)藥量的爆炸，計(jì)算爆破振動(dòng)作用下圍巖特征位置的峰值振速；將計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，據(jù)此調(diào)整模型參數(shù)，直至計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的符合度達(dá)到滿意程度；在此基礎(chǔ)上，分析爆破振動(dòng)在巷道圍巖內(nèi)的傳播規(guī)律；

(3) 運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件繼續(xù)建立符合地下水封油庫(kù)實(shí)際情況的雙洞模型，賦予上述經(jīng)過驗(yàn)證的模型本構(gòu)和參數(shù)，模擬實(shí)際相當(dāng)藥量爆炸作用下，在建洞室施工對(duì)相鄰已建洞室圍巖的影響；分析已建洞室圍巖不同位置處的峰值振速，找出已建洞室圍巖變形的關(guān)鍵位置；

(4) 建立不同間距的雙洞模型，模擬實(shí)際相當(dāng)藥量爆炸作用下，已建洞室圍巖關(guān)鍵位置的峰值振速與洞室間距的關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確定地下洞室群合理的洞室間距。

1.2 依托工程概況

本文依托的地下水封石油洞庫(kù)位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，建設(shè)規(guī)模為500×104m3，整個(gè)洞室群共由10個(gè)洞室，每個(gè)洞室大約可儲(chǔ)油50×104m3。洞室橫截面為直墻圓拱形，洞室高度為30 m，跨度為20 m，長(zhǎng)約880 m，為保證洞室的水封性，在洞庫(kù)上方距洞頂25～30 m處設(shè)水平水幕系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工布置了3條施工巷道，施工巷道截面亦為直墻圓拱形，施工巷道洞室高度為8.5 m，跨度為9 m。

根據(jù)工程場(chǎng)地勘察資料，庫(kù)區(qū)巖性主要為花崗巖。在洞庫(kù)埋深范圍內(nèi)，鉆孔巖芯RQD值總體在80%以上，說明巖體完整性較好；但個(gè)別鉆孔的局部深度范圍內(nèi)鉆孔巖芯RQD值相對(duì)較低，說明洞庫(kù)圍巖局部存在節(jié)理密集帶。

1.3 爆破設(shè)計(jì)

該地下水封石油洞庫(kù)1#施工巷道的斷面為9.0×8.5 m直墻拱形。爆破開挖采用非電毫秒雷管微差爆破技術(shù)，采用全斷面開挖，循環(huán)進(jìn)尺為3 m，一次爆破開挖方量約為210 m3。設(shè)計(jì)的炮孔直徑為45 mm，炸藥采用直徑為32 mm的3#巖石乳化炸藥。炮孔口采用炮泥進(jìn)行密實(shí)堵塞，炮泥由黏土、中粗砂、水三種成分組成，三種成分的質(zhì)量比例為黏土∶砂∶水=8∶1∶2，炮孔堵塞段長(zhǎng)度不小于20 cm。爆破孔位設(shè)計(jì)圖如圖1所示，爆破工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 爆破孔位設(shè)計(jì)圖(cm)

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案

本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)采用爆破測(cè)振儀，如圖2所示，其主要由一個(gè)三分量速度傳感器和一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成，能夠自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向上的振動(dòng)速度。

圖2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在該地下水封石油洞庫(kù)1#施工巷道進(jìn)行圍巖振動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖3所示，在距離掌子面不同距離布置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別在洞室拱頂和左側(cè)邊墻中部布置兩個(gè)三分量傳感器。傳感器底面用石膏與巖面耦合，然后用固定架將其固定在巖面上。安裝傳感器時(shí)，將傳感器X、Z方向設(shè)為水平方向，其中X方向垂直洞室軸線；Z方向平行于洞室軸線；Y方向?yàn)樨Q直方向。

(a) 縱剖面

(b) 橫剖面

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖4為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的典型振速時(shí)程曲線，從圖中可以看出峰值振速發(fā)生在第11段輔助孔爆破時(shí)，其出現(xiàn)時(shí)刻約為0.77 s，峰值振速約為0.36 cm/s，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)主頻為180 Hz。根據(jù)表1可知，第11段輔助孔爆破總藥量為64.8 kg。

圖4 典型振速時(shí)程曲線

本文從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取了兩次爆破開挖引起的圍巖振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中第一次爆破掌子面距第一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面11 m，第二次爆破掌子面距第一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面20 m。各傳感器監(jiān)測(cè)到的峰值振速如表2所示。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振速

爆破振動(dòng)作用下，地下洞室圍巖的振動(dòng)速度受眾多因素的影響，很難推導(dǎo)出這些影響因素與圍巖振動(dòng)速度之間的理論關(guān)系。前蘇聯(lián)科學(xué)家M.A.薩道夫斯基分析大量實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行回歸分析，得出了圍巖振動(dòng)峰值速度與炸藥用量、爆心距之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如式(1)所示，該式亦被《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)建議采用。

(1)

式中：v為峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為單響炸藥量(齊發(fā)時(shí)為總藥量，延發(fā)爆破時(shí)為最大一次藥量)，kg；R為爆心至測(cè)點(diǎn)間的距離，m；K為與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；α為衰減指數(shù)；ρ為比例藥量，kg1/3/m。

將式(1)等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，使之線性化得

lnv=lnK+αlnρ

(2)

然后令y=lnv，x=lnρ，a=α，b=lnK，則式(2)可表示為

y=ax+b

(3)

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)，本次爆破最大一次爆破藥量為64.8 kg，根據(jù)表2中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用線性回歸分析可以求得式(3)中待定參數(shù)a、b值，再根據(jù)上述假定關(guān)系關(guān)系可反算得到系數(shù)K與α。

圖5為根據(jù)M.A.薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式擬合出的洞室邊墻和拱頂處圍巖爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。從圖5可以看出:X方向(垂直于洞室軸線水平方向)振速和Y方向(豎直方向)振速在圍巖不同位置，其振幅和衰減規(guī)律不一樣；同一次爆破作用下，拱頂處Y方向振速則明顯大于邊墻處Y方向振動(dòng)，而邊墻處X方向振速明顯大于拱頂處X方向振速；造成這種振動(dòng)速度分布規(guī)律主要是由于在邊墻處，臨空面法線方向平行于X方向，X方向振速振幅在該處有放大效應(yīng)，同理，在拱頂豎直方向(Y方向)振速振幅有放大效應(yīng)；同一次爆破作用下，Z方向(洞室軸線方向)振速在拱頂和邊墻處大致相當(dāng)，總體上，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Z方向峰值振速大都大于X、Y方向上的峰值振速。

(a) X方向

(b) Y方向

(c) Z方向

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

大型地下水封石油洞庫(kù)由多個(gè)地下洞室構(gòu)成，洞室通常不設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)，在洞庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，洞室之間的間距是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素，一方面其要充分保證洞室圍巖的穩(wěn)定性，另一方面又要盡量的少占用土地。本文在上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬洞室爆破開挖對(duì)相鄰已開挖洞室圍巖的振動(dòng)，分析相鄰已開挖洞室圍巖的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及其與洞室間距的關(guān)系，以期獲得最合理的洞室間距。

在進(jìn)行洞室間距分析之前，先根據(jù)1#施工巷道建立單洞數(shù)值模型，模擬洞室爆破開挖對(duì)本洞室圍巖的振動(dòng)，并與上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性(1#施工巷道施工時(shí)，其附近沒有其他洞室，其距離最近的2#施工巷道亦有120 m，因此單洞模型動(dòng)力分析能夠合理地模擬1#施工巷道爆破施工)；再在此基礎(chǔ)上，建立雙洞模型，分析已開挖洞室圍巖對(duì)相鄰洞室爆破的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

3.1 單洞分析

3.1.1 數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算采用顯式動(dòng)力有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，該軟件能夠直接模擬炸藥的爆炸，較好地模擬巖體的破裂和拋擲，而無需人工輸入假定的爆轟壓力時(shí)程關(guān)系；此外ANSYS/LS-DYNA還可以進(jìn)行無反射邊界條件的設(shè)置，能夠進(jìn)行無限或半無限空間的動(dòng)力計(jì)算，因此在地下工程的爆破分析中被廣泛應(yīng)用。

單洞數(shù)值模型如圖6所示，以炸藥中心位置為原心，X方向?yàn)榇怪倍词逸S線的水平方向、Y方向?yàn)樨Q直方向、Z方向?yàn)槎词逸S線方向。模型整體尺寸為100 m×100 m×250 m，共由巖體、空氣和炸藥三種材料組成。所模擬洞室為深埋洞室，計(jì)算中在模型的6個(gè)外邊界均施加法向位移約束；同時(shí)，將模型的6個(gè)外邊界面均設(shè)為無反射邊界面，以消除人為邊界面的反射波對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

圖6 單洞數(shù)值模型

3.1.2 模型本構(gòu)及參數(shù)

根據(jù)該工程場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，洞室埋深范圍內(nèi)的巖體較完整。數(shù)值分析過程中，巖體的本構(gòu)模型采用LS-DYNA中自帶的塑性隨動(dòng)硬化材料模型，本構(gòu)關(guān)系如式(4)所示

(4)

巖體的物理力學(xué)參數(shù)是在勘察報(bào)告建議值的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合分析，再對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整而最終確定；最終的巖體參數(shù)取值如表3所示。

炸藥材料選用LS-DYNA中的*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型來模擬。其中爆轟壓力P與單位體積內(nèi)能E0、相對(duì)體積V的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程來描述，如式(5)所示

表3 巖體材料參數(shù)

(5)

式中：A、B均為炸藥材料的有關(guān)參數(shù)，Pa；R1、R2、ω為炸藥材料的相關(guān)常數(shù)，無量綱；V為相對(duì)體積，無量綱；E0e為炸藥單位體積內(nèi)能，J/m3。

實(shí)際采用的3#巖石乳化炸藥的材料參數(shù)如表4所示。

表4 炸藥材料參數(shù)

地下洞室已開挖部分充滿空氣，在LS-DYNA中，通常采用*MAT_NULL材料模型來模擬空氣材料，其狀態(tài)方程如式(6)所示

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0a

(6)

式中：μ=ρ/ρ0；ρ為空氣當(dāng)前密度，kg/m3；ρ0為空氣初始密度，kg/m3；E0a為空氣的單位初始體積內(nèi)能，J/m3；C0～C6為狀態(tài)方程參數(shù)，無量綱。

空氣材料參數(shù)如表5所示。

表5 空氣材料參數(shù)

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算模擬了一次炸藥量為64.8 kg的爆破作用下洞室圍巖的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算時(shí)監(jiān)測(cè)了距爆心10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、70 m、100 m、110 m、160 m和170 m處拱頂和邊墻處的振動(dòng)速度時(shí)程。圖7為數(shù)值計(jì)算得到的爆心距為10.0 m處，洞室拱頂位置圍巖的振速時(shí)程曲線，X方向的最大振速為3.48 cm/s，Y方向的最大振速為8.69 cm/s，Z方向的最大振速為26.55 cm/s。

將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果(各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向上的峰值振速)提取出來，與上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)峰值振速進(jìn)行對(duì)比分析；將實(shí)測(cè)值和計(jì)算值分別設(shè)為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，畫出兩者的關(guān)系曲線，如圖8所示。圖中實(shí)線為y=x直線，理論上若所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在直線上，說明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值完全一致；因此，數(shù)據(jù)點(diǎn)越集中在直線附近，說明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值越一致，計(jì)算結(jié)果越合理；從圖中可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)基本都分布在直線附近，說明數(shù)值模擬的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本接近，證明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性和數(shù)值模型及其參數(shù)的合理性。

(a) X方向

(b) Y方向

(c) Z方向

圖8 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析

3.2 雙洞分析

在單洞數(shù)值分析的基礎(chǔ)上建立雙洞數(shù)值模型，如圖9所示，洞室斷面按照實(shí)際地下油庫(kù)儲(chǔ)油洞室設(shè)計(jì)，單個(gè)洞室截面為20 m×30 m的直墻圓拱形；模型整體尺寸為160 m×120 m×120 m，洞室凈間距設(shè)為40 m；左側(cè)洞室為在施工洞室，掌子面位于模型中部(Z=0)，右側(cè)洞室為已開挖洞室；模型本構(gòu)、參數(shù)及邊界條件等情況與單洞模型相同。儲(chǔ)油洞室斷面面積約為557 m2，爆破開挖亦采用非電毫秒雷管微差起爆的光面爆破技術(shù)，采用三臺(tái)階開挖，循環(huán)進(jìn)尺為3 m，其最大一次藥量約為1#施工巷道用量的3倍。

雙洞模型重點(diǎn)分析洞室爆破開挖對(duì)相鄰已開挖洞室圍巖穩(wěn)定性的影響，本節(jié)將重點(diǎn)分析爆破振動(dòng)在X方向(垂直于洞室軸線的水平方向，指向已開挖洞室)的傳播規(guī)律。數(shù)值計(jì)算時(shí)記錄了X方向上距爆破洞室右側(cè)邊墻中部0 m、10 m、20 m、30 m、35 m、40 m、60 m、65 m、70 m和80 m處的振動(dòng)速度時(shí)程；另外，為對(duì)比分析，還進(jìn)行了右側(cè)洞室未開挖工況的數(shù)值模擬。提取兩種工況條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向上的峰值振速，如表6所示。

圖9 雙洞數(shù)值模型

表6 雙洞模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖10反映了左側(cè)洞室爆破開挖引起的振動(dòng)在掌子面處向右側(cè)洞室傳播情況，圖10(a)、(b)、(c)分別是X、Y、Z三個(gè)方向上的峰值振速在左側(cè)(爆破)洞室右側(cè)圍巖內(nèi)的分布曲線(Z=0截面)，其中左側(cè)洞室的右側(cè)邊墻設(shè)為起始距離，右側(cè)洞室的兩側(cè)邊墻分別位于圖中距離為40 m和60 m的位置。圖中繪制了右側(cè)洞室未開挖和已開挖兩種工況下的峰值振速分布曲線，從圖10可以看出，當(dāng)右側(cè)洞室未開挖(即單洞模型)時(shí)，三個(gè)方向的峰值振速均隨遠(yuǎn)離爆破洞室邊墻而呈指數(shù)衰減。對(duì)于右側(cè)洞室已開挖工況，在兩洞室之間的圍巖內(nèi)，峰值振速分布與單洞模型相差不大，但是在右側(cè)洞室的左側(cè)邊墻處(右側(cè)洞室迎爆側(cè))，峰值振速相對(duì)單洞模型有明顯增加，其中X方向峰值振速?gòu)?.21 cm/s增加到2.91 cm/s，Y方向峰值振速?gòu)?.46 cm/s增加到1.03 cm/s，Z方向峰值振速?gòu)?.96 cm/s增加到2.43 cm/s，峰值振速放大2.2倍～2.5倍。在右側(cè)洞室右側(cè)圍巖內(nèi)(D≥60 m)，右側(cè)洞室已開挖工況下的峰值振速較未開挖工況下的峰值振速明顯減小，其中在右側(cè)洞室右側(cè)邊墻處(右側(cè)洞室背爆側(cè))，X方向峰值振速?gòu)?.02 cm/s減小到0.71 cm/s，減小30%；Y方向峰值振速?gòu)?.32 cm/s減小到0.24 cm/s，減小25%；Z方向峰值振速?gòu)?.72 cm/s減小到0.38 cm/s，減小48%。

(b) Y方向

(c) Z方向

根據(jù)地震波傳播理論，當(dāng)?shù)卣鸩◤牟ㄗ杩勾蟮慕橘|(zhì)向波阻抗小的介質(zhì)中傳播時(shí)，在波阻抗發(fā)生變化的界面處，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向保持不變，振動(dòng)幅值會(huì)變大，具體放大程度取決于兩種介質(zhì)波阻抗的差異；差異越大，放大程度越大。對(duì)于右側(cè)洞室已開挖工況，當(dāng)振動(dòng)傳到右側(cè)洞室的左側(cè)邊墻處(右側(cè)洞室迎爆側(cè))時(shí)，地震波從巖石(波阻抗大)進(jìn)入空氣(波阻抗近似為0)，質(zhì)點(diǎn)振速振幅會(huì)放大；而在右側(cè)洞室背爆側(cè)圍巖內(nèi)，已開挖洞室相當(dāng)形成了一個(gè)隔振空腔，地震波需要繞過已開挖的洞室空間進(jìn)行傳播，傳播距離會(huì)增大，會(huì)損耗大量的能量，因此，右側(cè)洞室背爆側(cè)邊墻處，圍巖峰值振速會(huì)明顯減小。因此，地下洞室群爆破施工時(shí)，已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻將是受相鄰爆破洞室施工影響最大的位置，可以將該位置圍巖的峰值振速作為控制指標(biāo)，約束臨近洞室的爆破施工。

3.3 洞室間距分析

從雙洞模型分析可知，洞室爆破振動(dòng)在相鄰已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻處發(fā)生放大效應(yīng)，從而在該位置產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。為分析不同洞室間距條件下，洞室爆破開挖對(duì)鄰近已開挖洞室圍巖的影響，本文還進(jìn)行了相鄰洞室凈間距分別為10 m、20 m、30 m和50 m四種工況的數(shù)值計(jì)算；進(jìn)行相似的分析過程，提取臨近已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻處質(zhì)點(diǎn)的峰值振速，繪制其與洞室凈間距的關(guān)系曲線，如圖11所示。

從圖11可以看出，相鄰洞室爆破引起該位置圍巖峰值振速隨洞室凈間距呈指數(shù)衰減，三個(gè)方向中，X方向的振速最大，對(duì)vxmax與間距(D)關(guān)系進(jìn)行擬合，得到兩者之間的關(guān)系根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)第13.2.2條的規(guī)定：爆破振動(dòng)作用下，已開挖水工隧洞圍巖的允許振速為7～15 cm/s。將上述允許振速代入式(7)中，即可求得在爆破施工條件下，本地下水封石油洞庫(kù)工程相鄰洞室的最小凈間距應(yīng)為16～28 m?？紤]到其他不可控因素的影響，建議相鄰洞室的凈間距不小于30 m。

圖11 最大振速與洞室凈間距的關(guān)系曲線

vxmax=42.151e-0.064D

(7)

4 結(jié) 論

論文依托某地下水封石油洞庫(kù)工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了爆破振動(dòng)作用下，地下洞室群圍巖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及振動(dòng)衰減規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地下洞室掌子面爆破引起的圍巖振速在洞室軸線方向上的衰減符合M.A.薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減規(guī)律，空間三方向振速中，洞室軸線方向上的峰值振速最大，此外，在洞室橫斷面上，法向峰值振速大于切向峰值振速；

(2) 根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，地下洞室掌子面爆破引起的圍巖振速在橫斷面方向隨遠(yuǎn)離爆心呈指數(shù)衰減；當(dāng)在爆破洞室臨近存在已開挖洞室時(shí)，已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)存在放大效應(yīng)，最大振速會(huì)放大2.2倍～2.5倍；而在背爆側(cè)，由于已開挖洞室的存在，峰值振速明顯減小，減小幅度為25%～50%；

(3) 考慮相鄰洞室安全間距時(shí)，以已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻處峰值振速為判斷指標(biāo)，認(rèn)為：在地下洞室爆破施工影響下，其相鄰已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻處峰值振速隨洞室凈間距呈指數(shù)衰減；根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，建議論文依托地下洞庫(kù)工程的相鄰洞室凈間距不宜小于30 m。