張春鋒，秦天戈，張 旭，曹 正，李麗平，吳 立

(1.浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，杭州 310030；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074)

為了實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，我國對(duì)于水利水電工程的建設(shè)正在高速發(fā)展。為滿足工程需要，水利工程主廠房多采用地下洞室群的布置形式。地下廠房多布置在堅(jiān)硬完整的巖體當(dāng)中，地下洞室間距往往很小，鉆爆法由于其工藝簡(jiǎn)單、適用范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用，但爆破施工難免對(duì)地下洞室群的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

盧文波等介紹了國內(nèi)主要爆破振動(dòng)安全判據(jù)[1,2]，指出了現(xiàn)有安全判據(jù)的不足，并認(rèn)為峰值振動(dòng)速度可以作為爆破振動(dòng)安全判據(jù)。楊建華等采用數(shù)值模擬方法研究了不同地應(yīng)力水平下爆破開挖誘發(fā)圍巖損傷機(jī)理及爆破損傷 PPV閾值變化規(guī)律[3]。李小貝采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了小凈距隧道爆破振動(dòng)分布規(guī)律與出現(xiàn)的破壞形式[4]，并指出了隧道迎爆側(cè)襯砌峰值振速與圍巖級(jí)別呈正相關(guān)。李興華等采用波函數(shù)展開法[5]，分析得出了地震波主頻和圍巖彈性模量對(duì)動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的影響較大，泊松比影響較小。陳祥等分析了爆破振動(dòng)影響下地下洞室群圍巖的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律[6]，確定了相鄰已開挖洞室迎爆側(cè)邊墻的安全凈間距。劉殿柱和于建新等對(duì)上下交叉隧道爆破振動(dòng)控制進(jìn)行研究[7-10]，提出了振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。陳俊樺等以溪洛渡水電站地下廠房為研究背景[11]，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)地下洞室群進(jìn)行分析，提出了考慮和初始損傷相關(guān)的巖石爆破損傷模型，確定了考慮初始損傷影響的爆破破壞影響范圍的判據(jù)。李新平等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地下洞室邊墻爆源近區(qū)和邊墻中心區(qū)域存在放大效應(yīng)[12]，并推導(dǎo)了爆破邊墻PPV預(yù)測(cè)公式。羅馳等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)出了隧道初期支護(hù)爆破振動(dòng)動(dòng)應(yīng)變與分布規(guī)律[13]，提出了一種在建隧道結(jié)構(gòu)允許振速標(biāo)準(zhǔn)確定方法。

爆破振動(dòng)的危害一直是國內(nèi)外在隧道開挖領(lǐng)域中研究的重點(diǎn)，針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)小凈距、小跨度隧道的影響，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于大斷面地下洞室邊墻新建隧道爆破對(duì)地下洞室群的影響研究相對(duì)較少。大斷面地下洞室邊墻放大效應(yīng)較強(qiáng)，各洞室間距較小，爆破振動(dòng)強(qiáng)度較大。本文以寧波至杭州灣新區(qū)引水工程溪下隧道爆破開挖為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)近距離爆破振動(dòng)影響下大斷面地下洞室群的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，計(jì)算得出保證地下洞室群安全爆破開挖的臨界振動(dòng)速度。

1 工程概況

寧波至杭州灣新區(qū)引水工程(頭部工程至興五路段)Ⅰ標(biāo)，工程建設(shè)內(nèi)容主要包括地下閥室、交通洞、輸水隧洞、施工支洞及通風(fēng)豎井。其中地下閥室位于寧波市海曙區(qū)橫街鎮(zhèn)大頭巖崗山頭下面。地下閥室高度為17.6 m，跨度為13.6 m，長約57 m，埋深110～125 m左右，分別與輸水主洞(開挖斷面3.35 m×3.2 m)、溪下水庫應(yīng)急銜接段(開挖斷面5.45 m×4.2 m)、交通洞(開挖斷面5.65 m×5.8 m)、亭下應(yīng)急銜接段(開挖斷面5.45 m×4.2 m)和閥-②支洞(開挖斷面5 m×4.5 m)相連，洞室圍巖為未風(fēng)化粉砂巖，巖體較完整，巖質(zhì)為堅(jiān)硬巖，BQ值為529，圍巖分類為Ⅱ～Ⅲ類。交通洞、閥-①、閥-②、閥-③、輸水主洞以及地下閥室均已開挖完成，地下閥室洞室群平面布置圖如圖1所示。溪下水庫應(yīng)急銜接段爆破開挖，采用全斷面光面爆破，炸藥種類為2#巖石乳化炸藥，雷管選用數(shù)碼電子雷管。

圖 1 地下閥室洞室群布置圖(單位：m)Fig. 1 Layout of underground caverns(unit：m)

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)儀器選用成都中科測(cè)繪有限公司生產(chǎn)的TC-4850測(cè)振儀?，F(xiàn)對(duì)亭下水庫應(yīng)急銜接段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。以輸1+92.849里程斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，1號(hào)機(jī)固定在斷面迎爆側(cè)邊墻距底板約1.5 m處，2號(hào)機(jī)固定在靠近背爆側(cè)底板，3號(hào)機(jī)固定在背爆側(cè)邊墻距底板約1.5 m處。

圖 2 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m)Fig. 2 Layout of measuring points(unit：m)

固定傳感器時(shí)，在較為平整堅(jiān)硬的洞壁上使用電鉆打孔，使用石膏粉加水?dāng)嚢鑼鞲衅髋c巖體表面連接起來，使用鋼筋和鐵絲將傳感器固定，使其可與洞壁一同振動(dòng)。安裝傳感器時(shí)將傳感器X、Y方向設(shè)為水平方向，其中X方向平行于洞室軸線，Y方向垂直于洞室軸線，Z方向?yàn)樨Q直方向。底板的傳感器布置時(shí)應(yīng)選在較為水平的裸露巖石上，使用石膏使其與底板固定，X方向指向爆源，Y方向與X方向保持垂直，Z方向?yàn)樨Q直方向?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖 3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 3 In-situ layout of monitoring points

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，爆破工作面里程樁號(hào)為輸1+126，該斷面距離地下閥室水平距離約9.0 m。獲取了亭下應(yīng)急銜接段隧道各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括徑向(X方向)、縱向(Y方向)、垂向(Z方向)三矢量方向及合成矢量振動(dòng)速度。典型振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖4所示。爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

圖 4 典型實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線Fig. 4 Typical measured velocity-time curves

表 1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振速

如圖所示，振動(dòng)速度最大值為掏槽段，單段藥量為9.6 kg。在洞室圍巖不同位置的振速有所不同，位于迎爆側(cè)洞壁Y向振動(dòng)速度最大，Z向次之，X向最小；背爆側(cè)洞壁振動(dòng)速度則Z向最大，X向次之，Y向最小。因此要將爆破振動(dòng)控制的重點(diǎn)主要放在掏槽爆破段。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 計(jì)算模型

為研究地下洞室爆破開挖鄰近主洞室的動(dòng)力響應(yīng)特征，根據(jù)地下閥室與各隧道的空間位置關(guān)系，建立地下閥室、溪下水庫應(yīng)急銜接段、亭下水庫應(yīng)急銜接段和閥②支洞的三維數(shù)值模型，模型區(qū)域見圖1紅框。將掌子面設(shè)置在溪下隧道輸1+126斷面，該斷面距離地下閥室水平距離約9.0 m，爆破開挖段(一個(gè)爆破進(jìn)尺)3 m，僅考慮最大單段藥量為9.6 kg段別炸藥起爆。

數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示，模型三維尺寸為73.6 m×79 m×69 m，X方向與地下閥室軸線水平方向垂直，Y方向?yàn)樨Q直方向，Z方向平行于地下閥室軸線方向。

圖 5 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)Fig. 5 Numerical calculation model(unit:m)

為了避免邊界效應(yīng)，考慮在地下閥室側(cè)向巖體取三倍洞跨，上部巖體取三倍洞高。地下閥室設(shè)計(jì)埋深約為110～125 m，為簡(jiǎn)化模型對(duì)上覆巖體考慮深度為120 m。數(shù)值模型采用cm-g-μs單位制。

3.2 材料參數(shù)

圍巖和炸藥采用Solid-164單元，圍巖采用Lagrange算法，炸藥使用ALE算法，通過多物質(zhì)流固耦合方式(*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID)來處理圍巖和炸藥之間的相互作用，用這種算法可以解決大變形引起的炸藥單元嚴(yán)重畸變的問題。巖體的本構(gòu)模型采用雙線性隨動(dòng)硬化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC來定義，本構(gòu)關(guān)系如式(1)所示

(1)

巖體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告設(shè)計(jì)參數(shù)建議值結(jié)合多組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整確定，巖體主要材料參數(shù)如表2所示。

炸藥的材料模型選用LS-DYNA中的*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來定義，爆轟壓力P用JWL狀態(tài)方程來描述，如式(2)所示

(2)

式中：A、B為炸藥材料的相關(guān)參數(shù)；R1、R2、ω為炸藥材料的相關(guān)常數(shù)；V為初始相對(duì)體積；E為初始內(nèi)能。

2#巖石乳化炸藥的主要材料參數(shù)如表3所示。

表 2 巖體參數(shù)

表 3 炸藥參數(shù)

3.3 亭下隧道振動(dòng)響應(yīng)分析

模型中與監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(爆心距24.67 m)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3(爆心距26.66 m)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)46926、46723合成振動(dòng)速度曲線如圖6所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)迎爆側(cè)最大振動(dòng)速度為5.1948 cm/s，背爆測(cè)最大振動(dòng)速度為0.8329 cm/s。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果迎爆側(cè)最大振動(dòng)速度為5.5919 cm/s，比實(shí)測(cè)結(jié)果高7.6%；背爆側(cè)最大振動(dòng)速度為0.8799 cm/s，比實(shí)測(cè)結(jié)果高5.6%?？傮w而言數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，模擬值普遍略大于實(shí)測(cè)值，計(jì)算模型可靠。

為研究亭下隧道受爆破振動(dòng)作用的影響規(guī)律，選取亭下隧道合成振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力最大的橫截面記作截面A，截面樁號(hào)為輸1+102.818。在截面A取若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，表示相應(yīng)部位的振速、最大主應(yīng)力。亭下隧道橫截面A合成振動(dòng)速度和最大主應(yīng)力分布圖如圖7所示，其中右側(cè)為迎爆側(cè)。

圖 6 測(cè)點(diǎn)合成振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig. 6 Simulated velocity-time curves

圖 7 亭下隧道圍巖振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力分布圖Fig. 7 Distribution of peak vibration velocity and peak maximum principal stress of surrounding rock of Tingxia Tunnel

對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知，振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力最大的位置均位于迎爆側(cè)墻腰附近，距離底板約1.5 m；迎爆側(cè)峰值振動(dòng)速度約為背爆側(cè)峰值振動(dòng)速度的3.3～9.0倍，迎爆側(cè)峰值最大主應(yīng)力約為背爆側(cè)峰值最大主應(yīng)力的1.4～2.8倍；最大主應(yīng)力的正負(fù)值代表圍巖的不同應(yīng)力狀態(tài)，此處正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力峰值均為正值，說明洞室圍巖在爆破作用下受到的拉應(yīng)力更大。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此爆破振動(dòng)對(duì)于地下洞室群圍巖的影響主要以拉破壞為主。

3.4 地下閥室振動(dòng)響應(yīng)分析

溪下隧道自地下閥室邊墻爆破開挖，由計(jì)算結(jié)果可知，峰值振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力最大的區(qū)域位于溪下隧道與地下閥室相接的洞壁，取該洞壁(閥室樁號(hào)FSZ0+052)為截面B，對(duì)該截面按間距3.0 m取若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖 8 地下閥室測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m)Fig. 8 Layout of monitoring points of underground chamber(unit:m)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，地下閥室洞壁最大峰值振動(dòng)速度為27.1 cm/s，最大拉應(yīng)力為1.6 MPa；在洞壁與溪下隧道交界面附近的峰值振動(dòng)速度和拉應(yīng)力顯著大于其他區(qū)域，容易出現(xiàn)張拉破壞；峰值振動(dòng)速度與最大拉應(yīng)力隨著爆心距的增加衰減規(guī)律相近。該截面是地下閥室受爆破振動(dòng)作用影響最大的截面，需重點(diǎn)關(guān)注。

表 4 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力

為探究地下閥室軸線方向受爆破振動(dòng)影響規(guī)律，取閥室樁號(hào)FSZ0+051為橫截面C，截面C峰值振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力分布圖如圖9所示。

圖 9 地下閥室圍巖振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力分布圖Fig. 9 Distribution of peak vibration velocity and peak maximum principal stress of surrounding rock of underground chamber

由于溪下隧道位于截面C的左下方，所以振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力的最大值區(qū)域出現(xiàn)爆源近區(qū)，墻腰的振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力略小于底板，處于相同水平。位于截面右側(cè)圍巖墻腰處振速明顯增大，但最大主應(yīng)力卻有所減小，可能是由于該區(qū)域正好處于亭下隧道與地下閥室交接的墻角，受到圍巖的夾制作用較小，對(duì)振動(dòng)速度有放大效應(yīng)。

沿地下閥室軸線方向每隔10 m取一橫截面，提取墻腰與底板處的峰值振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力來分析地下閥室軸向規(guī)律，結(jié)果如表5所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，地下閥室墻腰與底板位置的峰值振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力沿軸線方向衰減規(guī)律相近；在60.06 m處墻腰位置的振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力顯著降低，幅度明顯大于底板位置，這是由于該點(diǎn)位于輸水主洞的背爆側(cè)，已開挖洞室具有較為明顯的減振效應(yīng)。

表 5 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度與最大主應(yīng)力軸向分布

4 相鄰洞室安全判據(jù)

綜合前面對(duì)爆破作用下鄰近洞室振動(dòng)速度、應(yīng)力分布規(guī)律的討論，地下閥室的迎爆側(cè)洞壁是最容易出現(xiàn)破壞的危險(xiǎn)部位。在對(duì)鄰近洞室安全穩(wěn)定性分析時(shí)，可以以已開挖洞室迎爆側(cè)洞壁峰值振動(dòng)速度為判斷指標(biāo)。對(duì)表5中的峰值振動(dòng)速度與峰值拉應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立函數(shù)模型，如圖10所示。

圖 10 地下閥室洞壁最大拉應(yīng)力與峰值振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig. 10 Statistical relationship between maximum tensile stress and maximum vibration velocity of underground chamber

由圖10可知，在爆破振動(dòng)的作用下，鄰近地下閥室最大拉應(yīng)力與峰值振動(dòng)速度間統(tǒng)計(jì)關(guān)系擬合曲線方程為

σt=0.0582Vmax+0.03315

(3)

根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)圍巖所受最大拉應(yīng)力大于極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起材料脆性斷裂破壞。極限抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值振動(dòng)速度可以作為爆破振動(dòng)安全判據(jù)。已知地下閥室圍巖較完整，靜抗拉強(qiáng)度為2.70 MPa，由于巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度稍大于靜抗拉強(qiáng)度，此處用靜抗拉強(qiáng)度代替動(dòng)抗拉強(qiáng)度，帶入式(3)計(jì)算可得，鄰近地下閥室Vmax=45.82 cm/s；當(dāng)以峰值振動(dòng)速度作為判斷指標(biāo)時(shí)，鄰近地下閥室圍巖發(fā)生破壞的臨近振動(dòng)速度為45.82 cm/s。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)溪下應(yīng)急銜接段隧道爆破施工過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，建立地下洞室群模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，討論了爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道、大斷面地下閥室的影響。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，該模型較為可靠，對(duì)類似的工程具有一定的指導(dǎo)意義。主要研究結(jié)論如下：

(1)鄰近洞室迎爆側(cè)峰值振動(dòng)速度與最大拉應(yīng)力均大于背爆側(cè)，是影響圍巖穩(wěn)定性的主要部位，洞室圍巖在爆破振動(dòng)作用下受到的拉應(yīng)力更大。

(2)在大斷面地下閥室邊墻新建小斷面隧道時(shí)，綜合峰值振動(dòng)速度、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則考慮，爆破開挖的地下洞室邊墻最容易發(fā)生拉伸破壞，爆源近區(qū)的地下洞室邊墻和底板也需要注意。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確立了極限拉應(yīng)力判據(jù)，得出了最危險(xiǎn)部位地下閥室與溪下隧道相接洞壁圍巖發(fā)生破壞的臨界振動(dòng)速度為45.82 cm/s。