黃宏陽　李婷婷　王漢武　李靜希

摘要：為預防及減輕隧道涌突水災害造成的人員傷亡、設備損壞等安全事故影響，以G42滬蓉高速峽口隧道爆破開挖施工過程為背景，采用 ANSYS/LS-DYNA有限元軟件模擬峽口隧道內有漏水點情況下鄰近施工橫洞爆破震動響應規(guī)律，并結合現場實測數據驗證了模型的可靠性。結果表明：① 采用全斷面爆破掘進方案對隧道機械+爆破施工法搶險效率低問題的優(yōu)化具有良好效果；② 炮孔周圍巖石最大破碎范圍在工程允許范圍內，類似規(guī)模的正常爆破施工不會對隧道安全性造成影響；③ 橫洞爆破對既有隧道巖石的水平徑向振動速度占主導地位，可以用水平振速峰值表征結構最大振動特性；④ 優(yōu)化分析提出的全斷面爆破掘進方案具有可行性，爆破施工對漏水點的安全振動速度判斷依據為8.04 cm/s。

關鍵詞：隧道涌突水； ANSYS/LS-DYNA； 爆破； 動力響應

中圖法分類號：U45文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.015

文章編號：1006-0081（2024）04-0094-07

0 引 言

近年來，由于隧道涌突水災害造成的人員傷亡、設備損壞、工期延誤等安全事故眾多［1］。隧道涌突水是一個多尺度多場相互作用的復雜系統，具有“強隱蔽性、強復雜性、強突發(fā)性、強破壞性”四大基本特征，已成為最嚴重的地質災害之一，如何防治隧道涌突水災害是當前面臨的一大難題［2-3］。鄒靜嫻等［4］從防、排、堵、截4個方面，闡述了對隧道施工時誘發(fā)涌水災害的防治措施。虞錦峰［5］分析了隧道中滲水漏水的原因，再通過對隧道內滲水漏水的形式和面積進行一定歸納，以點線面3種不同形式針對性進行治理。隧道漏水主要采用封堵或者疏排的處理方法，小規(guī)模的漏水可以采用封堵法，但大規(guī)模的漏水，封堵無法完成，只能采用在周邊挖掘泄水洞疏排的手段。

爆破開挖是中國隧道施工采用的主要方法之一，但爆破開挖過程會對既有結構產生不利振動，進而可能影響既有結構物的正常運營，甚至對既有結構安全構成威脅。爆破開挖過程中的擾動會導致巖體內形成一定范圍的損傷區(qū)，合理控制損傷區(qū)分布對工程的安全運營具有重要意義［6］。鉆爆法施工引起的爆破振動對既有隧道圍巖和襯砌的損傷或破壞影響較大，應合理控制振動［7］。根據巖體性質和裝藥參數，夏祥等［8］模擬了爆炸對巖體的損傷，并與實際聲波實驗進行對比，結果顯示：隨著藥量增加，損傷范圍擴大，增速逐漸減小。潘亞輝等［9］對淺埋隧洞爆破振動進行數值分析，發(fā)現適當控制單響藥量和鉆深，可將爆破震動控制在被保護物的震動范圍內，避免爆炸震動對被保護物造成不利影響，有助于加快施工進程。陳永建等［10］優(yōu)化了導流隧洞工程爆破設計，采用全斷面開挖，減少了 42.5% 的每米循環(huán)掘進耗時，加快施工進度的同時施工成本得到大幅度降低。

袁冉等［11］在交疊隧道爆破研究中得出，爆破動力響應中既有隧道襯砌的豎向振速最大，可以用豎向振速峰值表征結構最大振動特性。吳忠仕等［12］通過現場測試與三維數值模擬的方法對既有襯砌在爆破荷載作用下的振速峰值和應力進行分析，保證了既有隧道的運營安全。李軍等［13］采用ANSYS/LS-DYNA非線性動力分析軟件研究近距離隧道施工，提出了合理的爆破參數。Xia等［14］綜合研究了隧道爆破開挖對圍巖及相鄰既有隧道襯砌系統的影響，通過現場試驗和數值模擬，分析了不同爆炸荷載作用下圍巖和襯砌系統的破壞情況。Zhou等［15］對爆破開挖穿越既有隧道造成圍巖損傷進行探究，測算出防止爆破對相鄰設施損壞的間隔距離。Shin［15］研究團隊采用數值方法對軟巖隧道進行動力建模，基于對爆炸位置、隧道深度和炸藥量等參數的研究，提出了設立爆炸保護區(qū)的指導方針。

以上研究均涉及爆破施工對鄰近或交叉既有隧道的影響，但針對既有隧道內施工橫洞爆破掘進的動力響應研究較少，尤其是當既有隧道內存在漏水點時，如何更快完成橫洞施工，且盡量減小爆破振動對漏水點的不利影響問題的研究更少。研究此類問題對于保障隧道內既有結構的安全、確定爆破影響范圍具有重要意義。

1 工程概況

G42滬蓉高速公路宜巴段峽口隧道位于興山縣峽口鎮(zhèn)。自2020年4月進入汛期以來，由于持續(xù)暴雨，峽口隧道蓉滬方向涌水，特別是進入7月后水量較大，漏水點附近隧道二次襯砌結構被沖走，形成長13 m的裂隙。水以射流的形式從裂隙中涌出，形成的水柱高約20 m，涌水量12 000 m3/d?，F場漏水情況如圖1所示。

經專題討論后，決定采用排水隧道方案解決涌水問題，具體為在峽口隧道旁挖掘一條長約1 580 m的泄水洞。為了加快施工進度，同時在峽口隧道布置2個施工橫洞，增加泄水洞施工工作面。

根據已有勘察成果及現場回彈試驗結果，2號橫洞掌子面圍巖為灰?guī)r，完整性較好，結構致密，具有單軸抗壓強度100 MPa以上的特點，可為施工提供較好支持，如圖2所示。

泄水洞及施工支洞環(huán)境條件較為簡單，泄水洞與峽口隧道主線斜交，施工支洞與峽口隧道主線垂直，距漏水點28 m，見圖3。

施工橫洞與主線隧道相連，亟需評估橫洞爆破掘進對主線隧道二次襯砌結構及漏水點圍巖可能產生的影響，主要包括2個方面問題：① 2號施工橫洞位于漏水點28 m處，在2號橫洞爆破掘進過程中產生的應力波傳播可能對漏水點處圍巖的整體穩(wěn)定性造成影響；② 合理控制爆破參數，選擇合適的爆破掘進方案，并加強對漏水點周圍圍巖爆破振動的監(jiān)測，對于保障施工安全具有重要意義。

2 方案優(yōu)化

2.1 施工方案

2號橫洞總掘進長度約35 m，根據上述周邊環(huán)境及施工特點，為了確保安全和進度，橫洞掘進總體方案計劃為：① 機械+爆破掘進技術方案；② 全斷面爆破掘進技術方案。

機械+爆破掘進技術方案為支洞進口0～5 m范圍，以確保支洞爆破掘進爆炸應力波傳播不會對隧道二次襯砌及漏水點圍巖產生破壞性影響。周邊眼采用水磨鉆施工，鉆孔孔深 70 cm，孔徑 16 cm，共需鉆孔138孔；中間3排劈裂孔采用管棚機施工，管棚機鉆孔孔深2.1 m，孔徑13 cm，共需鉆孔140孔，最后采用機械方法破碎（圖4）。

在支洞進口0～5 m范圍采用爆破開挖施工。炮孔布置與常規(guī)隧道全斷面掘進類似，與普通爆破差別在于裝藥量和起爆網路上有較大改變，炸藥單耗比松動爆破要小，本次工程初步采用K=0.3 kg/m3，K為單位炸藥耗量；起爆網路上，周邊孔與掏槽孔一次同時起爆，炮孔布置及爆破參數見圖5、表1；爆破完后采用機械破碎，見圖6。

由于機械施工進尺小，掘進效率低，為提高施工效率，盡快解決巖溶突水地質災害，確保洞內行車安全，提出全斷面爆破掘進方案。全斷面爆破掘進方案炮孔布置位置與機械+炮孔掘進方案炮孔布置位置相同，見圖5。

全斷面爆破掘進施工方案在單孔藥量和最大起爆藥量最大值上均大于機械+爆破掘進方案中爆破部分的藥量。主要原因是由于全斷面爆破掘進方案采用了與機械+爆破掘進相同的炮孔布置，但增加每個炮孔的爆破藥量。炮孔參數及起爆網路見表2。

對于掏槽孔、擴槽孔、輔助孔、底板孔采用連續(xù)裝藥形式，將計算好的32 mm藥卷逐節(jié)裝入炮孔內，毫秒雷管引爆。對于周邊孔采用間隔裝藥形式，采用膠帶捆綁藥串至竹片上，用導爆索引爆。

2.2 爆破振動影響校核

根據有關資料，耦合裝藥炮孔在單自由面下，對周邊圍巖最大破裂影響范圍為8～100倍炮孔半徑。中心掏槽孔破裂范圍為0.16～2.00 m，2號橫洞寬度6 m，半幅寬3 m，因此中心掏槽孔爆破其圍巖破裂影響不到橫道外緣。本研究在數值模擬分析中考慮了距離二次襯砌結構較近的擴槽孔和輔助孔振動，較為全面評估其對襯砌結構的潛在影響。結果表明：這些擴槽孔和輔助孔的爆破振動在距離襯砌較近的情況下確實對結構產生一定影響。然而，通過采用掌子面分次中心掏槽孔爆破策略，有效減弱了對周圍二次襯砌結構的破壞性影響。此外，隧道二次襯砌的混凝土結構與圍巖之間的施工縫進一步提高了結構的穩(wěn)定性。由此可認為雖然距離襯砌較近的擴槽孔和輔助孔存在一定的振動影響，但整體上掌子面分次中心掏槽孔爆破對周圍二次襯砌結構的破壞性影響相對較小。本工程爆破屬于高速公路隧道周邊爆破，爆破振動對周圍圍巖的控制標準參照GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中交通隧道結構考慮，按保守取值安全允許振動振速為［V］=12 cm/s。

根據GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》，爆破引起地面振動大小及振動傳播衰減規(guī)律可以用式（1）來計算：

式中：v為安全允許的質點振動速度，cm/s;K為與巖石、爆破方法等因素有關的系數；α為與地質條件有關的地震波衰減系數；Q為爆破起爆藥量，kg；R為測點與爆心的直線距離，m。α值可以通過查表3、工程類比及現場實測來獲取。

本工程圍巖屬于堅硬巖石，K=80，α=1.5，R=31 m，Qmax=4.8 kg，代入式（1）得：v=1.02 cm/s<［V］=12 cm/s，安全。說明中心掏槽孔爆破時，只要控制單響最大藥量在4.8 kg以內，不會對漏水處巖石產生破裂影響。經計算與校核，在做好煙塵控制、飛石防護、交通管制等爆破安全防護措施條件下，為提高施工效率，盡快解決巖溶突水地質災害，確保洞內行車安全，采用全斷面爆破掘進方案較為符合實際工程要求，故優(yōu)先采用全斷面爆破掘進方案。對于距離漏水點距離更近的泄水洞采用機械掘進方案，以減少振動和震動對周圍巖體的影響，維持巖體的穩(wěn)定性。

3 數值模擬方案確定

3.1 計算模型及邊界條件

采用LS-DYNA數值模擬方法進行爆破動力響應計算分析。模型采用 Soild164實體單元，2號橫洞掌子面為灰?guī)r，洞高4.7 m，寬6 m，中心線距離漏水點橫向距離28 m，以2號橫洞中心線為對稱軸

構建半模型，模型整體尺寸為1.4 m×28 m×5 m。炮孔直徑40 mm，炮孔深度1.4 m，炸藥直徑40 mm，裝藥長度1.4 m。炸藥、空氣采用ALE網格劃分，對巖石采用Lagrange網格劃分，避免爆炸引起的網格嚴重畸變，實現流固耦合動態(tài)分析。計算采用cm-g-us單位制，對空氣和巖石施加無反射邊界條件，計算模型如圖7所示。

數值模擬分析模型的構建以爆炸應力波對隧道二次襯砌及漏水點圍巖產生破壞性影響可能性最大的全斷面爆破掘進方案為基礎，將布置參數進行簡化以方便建模和計算。實際工程中，圍巖具有節(jié)理裂隙，各種材料的阻尼值大小不相同，不是理想化的均值材料；掏槽孔、擴槽孔、輔助孔、底板孔采用連續(xù)裝藥形式，周邊孔采用間隔裝藥形式；爆破掘進方案采用微差起爆，兩個微差分段之前間隔25 ms。在數值模擬分析方案中，不考慮圍巖中的節(jié)理裂隙、斷層破碎帶及圍巖損傷的影響，將隧道周邊圍巖視為同種均勻巖質體；所有炮孔均采用連續(xù)裝藥形式；各個種類炮孔同時起爆，起爆點位于炸藥中心，起爆方式為中心瞬時起爆，在距離2號橫洞中心線頂部28 m 漏水點處設置測點，旨在探究在產生影響比實際爆破更大的工況下，2號橫洞能否安全爆破掘進，以及2號橫洞周圍巖石的破碎范圍及漏水點處巖石的振動響應。

3.2 本構模型及計算參數

本次模擬的模型參數主要有炸藥、堅硬灰?guī)r以及空氣。空氣選擇MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來模擬，狀態(tài)方程如下：

式中：P0為計算壓力，Pa；μ為黏度系數，μ=1v-1，v為相對體積;ρ0為氣體的初始密度，kg/m3；E為單位體積初始內

4 爆破過程動力響應分析

4.1 橫洞爆破沖擊波特征

橫洞爆破沖擊波壓力傳播特征如圖8所示。從圖8中可以看出，爆炸后沖擊波陣面呈球狀，以爆心為起點向四周擴散，由于不同炮孔的沖擊波相互影響，爆炸后1 ms之后波陣面形狀由球形變?yōu)椴灰?guī)則形，沖擊波首先到達2號橫洞拱頂，隨后沿著橫洞斷面橫向傳播并逐漸衰減。

4.2 巖石破碎效果分析

由圖9可以看出，全斷面爆破掘進方案數值模擬的爆破效果較好，2號橫洞寬6 m，數值模擬結果中巖石最大破碎距離為6.1 m，爆破產生的裂縫沒有延伸至隧道二次襯砌范圍內，不會對隧道二次襯砌以及圍巖造成破壞性影響。

4.3 爆破動力響應分析

2號橫洞中心線至漏水點直線距離28 m，在漏水點處設置測點，采集爆破開始0.03 s內X，Y，Z方向振速速度，3個方向振速峰值分別為7.80，3.00，2.80 cm/s，合成速度峰值8.04 cm/s。振速時程曲線如圖10所示。

由圖10可知，3個方向振動速度中，X方向的振動速度較大。這是因為柱面應力波在模型邊緣位置受到應力波垂直入射作用，從而水平振動強度最大，水平徑向振動速度占主導位置。

三維有限元模擬結果表明，漏水點的安全振速判據為8.04 cm/s，符合按爆破規(guī)范保守安全取值允許振動振速 ［V］=12 cm/s的要求。為保證2號橫洞爆破掘進作用下既有隧道的安全運營，單孔最大允許裝藥量應該控制在1.935 kg以內。

4.4 可靠性驗證

爆破施工現場用1號橫洞全斷面爆破掘進振動實測數據來預測2號橫洞全斷面爆破對于28 m處振動的影響。將監(jiān)測儀器布置在1號橫洞往2號橫洞方向28 m處進行爆破監(jiān)測，采集水平方向和豎直方向的振動數據，監(jiān)測到水平向震動速度峰值為4.26 cm/s，豎直向震動速度峰值為3.89 cm/s。數值模擬所得結果與實測結果有一定誤差，分析認為本次數值模擬計算未考慮巖體的結構面和斷層對巖體應力波的傳播影響，爆破是一個不斷重復的過程，每次爆破都會造成巖體物理力學性質劣化，此外數值模擬過程中各炮孔是同時起爆，所以得到的爆破震動影響比實際情況大，實際工程結果偏于安全，可以考慮采用更大的裝藥量。

5 結 論

本文以G42滬蓉高速峽口隧道為研究背景，結合現場實測爆破振動數據與數值模擬方案，提出峽口隧道2號橫洞掘進方案并優(yōu)化，對2號橫洞全斷面爆破掘進技術方案爆破振動響應規(guī)律進行分析，得到的主要結論如下。

（1） 針對隧道機械+爆破施工法搶險效率低問題，采用全斷面爆破掘進方案對實現了優(yōu)化，具有良好的效果。

（2） 全斷面爆破掘進數值模擬結果表明：橫洞破碎橫向最大距離約為6 m，不會對隧道二次襯砌以及圍巖造成破壞性影響。通過對塑形變形云圖的分析得出炮孔周圍巖石最大破碎范圍在工程允許范圍內，類似規(guī)模的正常爆破施工不會對隧道安全性造成影響。

（3） 橫洞爆破對既有隧道巖石的水平徑向振動速度占主導位置，可以用水平振速峰值表征結構最大振動特性。既有隧道爆破施工對漏水點的安全振動速度判斷依據為8.04 cm/s，單孔最大允許裝藥量應該控制在1.935 kg以內。

（4） 橫洞爆破掘進數值模擬計算結果具有可靠性，優(yōu)化分析提出的全斷面爆破掘進方案具有可行性，通過工程實踐得到驗證，可為工程施工中同類型隧洞爆破施工提供參考。

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（編輯：張 爽）

Study on effect of blasting vibration on stability of tunnel leakage points in cross-hole blasting

HUANG Hongyang1，LI Tingting2，WANG Hanwu1，LI Jingxi3

（1.Key Laboratory of Ceotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;

2.River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Network and Information Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： Taking G42 Hu-Chengdu high-speed Xiakou Tunnel blasting excavation as the example，ANSYS/LS-DYNA finite element software was used to simulate the blasting vibration response law of adjacent construction transverse tunnel under the condition of water leakage point in Xiakou Tunnel，and the reliability of the model was verified according to the field measured data.The results showed that the full face blasting tunneling scheme had a good effect on the optimization of the low rescue efficiency of tunnel machinery and blasting construction method，the maximum rock crushing range around the gun hole was within the allowable range of the project，and normal blasting construction of similar scale would not affect the safety of the tunnel.The horizontal radial vibration velocity of the existing tunnel rock was dominated by the transverse tunnel blasting，and the maximum vibration characteristics of the structure can be characterized by the peak value of the horizontal vibration velocity.The full-section blasting tunneling scheme proposed by the optimization analysis was feasible，and the judgment basis for the safe vibration velocity of the water leakage point in blasting construction was 8.04cm/s.

Key words： tunnel water burst； ANSYS/LS-DYNA； explosion； dynamic response

收稿日期：2023-11-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51979009）

作者簡介：黃宏陽，男，碩士研究生，研究方向為地基處理和邊坡加固技術。E-mail：273746@whut.edu.cn

通信作者：王漢武，男，碩士，工程師，主要從事巖土原位測試技術研究及設備研發(fā)工作。E-mail：273270976@qq.com