铁路隧道爆破施工对临近高压电塔安全性影响研究

王亦尘

（中铁第四勘察设计院集团有限公司电化院，湖北武汉 430063）

0 引言

近年来，随着我国铁路网的不断完善，不可避免地需要修建大量铁路隧道。在铁路隧道施工过程中，爆破开挖是常用手段，但施工过程中会对岩石结构造成破坏，还可能对隧道上的建筑设施造成影响、诱发安全事故[1-2]。基于此，开展隧道爆破振动响应研究，对提高铁路隧道工程的安全性和稳定性有重要意义。

国内外学者主要采用爆破试验、实时监测、数值模拟等方法和技术手段研究隧道爆破过程对周围土体和建筑物的影响[3-5]。张震等[6]采用现场监测和有限元数值模拟相结合的方法，对超浅埋通道下台阶爆破开挖进行研究，研究显示，沿轴线方向掌子面前方5m 处地表质点峰值振速达到最高；王峥峥等[7]利用ANSYS/LS-DYNA 软件，研究隧道开挖过程中爆破振动对围岩及初期支护的影响，结果表明，应力和速度均在爆炸发生的极短时间内达到峰值，而后迅速衰减并在10ms 后达到稳定状态；孙金山等[8]研究应力波通过圆形隧道的情况，揭示了动应力方向与载荷的关系；Ramulu 等[9]和关笑等[10]对爆破振动对既有隧道的影响进行研究，得到不同爆破方案下的振动速度，其结果满足安全标准；王海军等[11]采用数值模拟方法，研究爆炸冲击波对地表的影响；Wang 等[12]通过现场监测和数值模拟相结合的方法，研究近距离岩石隧道的传播特性并对爆破振动进行预测，提出一种预测爆破中心平面相邻隧道段颗粒峰值速度的方法；Jiang等[13]分析海底隧道爆破振动沿岩体传播的衰减规律，建立了海底隧道爆破引起水中声压衰减规律的数学预测模型；Guan 等[14]研究了爆破冲击对临时支撑结构的影响，得到了含有爆破拉应力参数的关系函数；Li等[15]对有预裂纹的隧道稳定性进行试验研究，阐述爆破载荷作用下岩石裂缝演化过程。

在上述相关研究的基础上，依托改建铁路北仑支线增建二线工程，基于有限元法对阿育王寺隧道爆破振动及其对电力铁塔塔基的影响进行数值模拟研究，研究隧道爆破施工过程不同塔基位置的振动速度分布情况，并对电力铁塔的安全性进行评估，以期为类似隧道工程爆破施工方法的选择以及地面建筑保护等提供参考。

1 工程概况

根据阿育王寺隧道设计资料，电力铁塔与隧道存在四种典型的相对位置。因此，针对爆破点与电力铁塔在4 种典型相对位置下，爆破冲击对岩层与电力铁塔的影响进行研究。4 种典型相对位置如下：第一，塔1 隧道埋深82.61m，塔脚与隧道线路最近距离为14.94m；第二，塔2 隧道埋深70.46m，塔脚与隧道线路最近距离为68.66m；第三，塔3 隧道埋深72.35m，塔脚与隧道线路最近距离为46.05m；第四，塔4 隧道埋深74.19m，塔脚与隧道线路最近距离为20.64m。根据电力铁塔塔基与隧道的相对位置，构建隧道开挖爆破几何模型（见图1）。

图1 爆破点与电力铁塔四种典型相对位置

2 爆破方法与数值模型

2.1 隧道爆破方法

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件进行建模分析。塔基自地面向下分别为粉质黏土混碎石（厚度1.5m）、强风化凝灰岩（厚度3m）和中风化凝灰岩（厚度大于3m），均属V 级或Ⅳ级围岩。岩石和中风化岩层均采用RHT 材料本构模型进行描述，地表粉质黏土采用HJC 材料本构模型进行表征。模拟炸药为2#岩石乳化炸药，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型并结合（Jones-Wilkens-Lee，JWL）状态方程进行炸药爆轰过程描述，表达式如公式（1）所示：

式（1）中：

P1为爆炸压力；

V为相对体积；

E0为初始内能密度；

A,B,R1,R2,ω均为状态方程参数，属于炸药的特征参数，主要通过物理试验测得。

空气通过*MAT_NULL 模型结合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程进行表征，线性多项式表达式如公式（2）所示：

式（2）中：

C0～C6均为多项式系数；

μ=ρ/ρ0-1，ρ为当前气体密度，ρ0为初始气体密度；

P2为气体压力；

E1为内能密度。

理论上，单响药量越大，爆破振动灾害越突出，故从极不利角度出发，根据最大危害因素控制理论，以Ⅱ级围岩爆破方案作为该模拟的基础方案。参照上述4 种围岩工况下的隧道爆破设计，Ⅱ级围岩全断面爆破钻孔布置如图2 所示。

图2 Ⅱ级围岩全断面法钻孔布置图

2.2 网格模型

岩石及地表中风化层、粉质黏土层采用LAGRANGE 单元进行划分，炸药采用欧拉单元网格进行划分，在炸药周边划分ALE 空间。炸药与ALE 采用通过共节点的方式进行爆轰能量传递，岩石与炸药之间的爆轰能量传播通过ALE 空间LAGRANGE-INSOLID 耦合算法进行能量传递。隧道、炸药、ALE 空间这3 种单元网格大小为2cm，在隧道周边设置渐变网格，单元网格从2cm 渐变至50cm。4种典型电塔爆破开挖网格模型如图3 所示，塔1～塔4 的网格单元数量分别为783752、856860、881686 和774944 个。

图3 4种典型电塔爆破开挖网格模型

3 计算结果与分析

3.1 隧道爆破应力波传播过程

隧道爆破施工时，岩体及地表建筑物的响应特征参量复杂，在实际工程中爆破荷载对岩土体的作用是通过对质点施加爆破应力波使岩体破坏。由于延期时间越长相邻孔间的相互影响越小，因此采用延期5ms 分段起爆方案。

图4 为起爆后塔1 隧道爆破过程中以振动速度表征的应力波传播过程。可以看出，起爆后应力波以圆弧的形式向周边介质扩散，在15ms 时应力波传播至塔基所在地层；20ms 时应力波传播至地表，高应力区主要集中在隧道正上方岩层内部，对塔基影响较小；至25ms 时，岩层区域内应力波逐渐衰减；至35ms 时，应力波已趋于平缓，由于此时左侧塔基更靠近隧道，因此应力大于右侧塔基。

图4 塔1 隧道爆破振动速度云图

图5～图7 分别给出了塔2～塔4 隧道爆破后应力波演化情况。可以看出，高应力波区主要集中在隧道半径20m 的圆弧区域内，而后明显地以隧道为中心呈波浪式扩展，在隧道水平和竖直方向中心线周围应力波相对较强。由于电塔距隧道距离较远，爆破施工对塔基影响较小。至35ms 时，应力波已迅速衰减，尤其是塔2 和塔3 距隧道较远，塔基质点已基本不受爆炸应力波的影响。

图5 塔2 爆破振动速度云图

图6 塔3 爆破振动速度云图

图7 塔4 爆破振动速度云图

3.2 电塔振动与应力特性分析

根据隧道设计和《爆破安全规程》（GB 6722—2014）要求，上部电塔参照“工业和商业建筑物”标准，最大允许振速应控制在2.5cm/s 以下，在隧道爆破开挖过程中高压电力铁塔塔基处爆破振动速度不大于7.0cm/s，以确保铁塔的安全。因此，进一步建立平面应变数值计算模型，模拟隧道爆破对地表电塔振动特性的影响。

基于3.1 节分析可知，由于塔4 的塔基相对隧道的直线距离最近，爆破过程中应力波最先到达塔基，且塔基附近振动速度大于塔1、塔2 和塔3，此处重点给出塔4 不同位置的振动特性，监测点布置如图8 所示。其中塔基为主要研究部位，塔基底部、地表、顶部左右两侧各设置1 个监测点，编号分别为A、B、C、I、H、G，共6 个监测点；上部电塔自下而上布置6 个监测点，编号分别为D、E、F、L、K、J。

图8 模型测点布置图

电塔4 监测点应力峰值变化曲线如图9 所示。隧道爆破施工后塔基所受水平向应力和竖直向应力差别不大，其中最大水平x 向应力为1.128MPa，位于近隧道侧底部A 监测点，最大竖直y 向应力为1.366MPa，位于远隧道侧顶部I 监测点。塔基A 和G点整体上受力不大，所受平均有效应力在3.65MPa。由于电塔近隧道侧靠近爆破点，所受有效应力略大于电塔远隧道侧，表明爆源距离差异导致爆破影响不均匀。电塔与地表交界面所受有效应力最大，约为8.9MPa。根据《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》（GB 50545—2010）的要求，杆塔结构的抗拉、抗压和抗弯强度均为205MPa，抗剪强度为120MPa，最大值均在杆件的承载能力范围之内，因此爆破过程中塔基及电塔应力均满足安全要求。

图9 电塔4 监测点最大应力值

根据图10 可知，塔基部分x 向振动速度随高程增加而增大，在顶部左侧C 点为最大值，为0.16cm/s。y 向振速在塔基底部A 点为最大值，为0.23cm/s。因此，y 向振速大于x 向振速，即y 向振速起主导作用。上部电塔监测节点振速随高度的增加而增大，原因是存在“鞭梢效应”，高程放大效应使得爆破振动速度增大。上部电塔顶部质点振动速度两侧变化趋于一致，塔顶最大振速为0.21cm/s，小于规范的控制值2.5cm/s，处于安全状态。

图10 电塔4 监测点振动速度峰值

电塔4 基座A、B、G、H 点位移变化时程曲线如图11 所示。隧道爆破施工对各塔基位移影响均很小，起爆后x 向、y 向和合位移迅速达到最大值。塔基整体上存在明显的水平x 向位移，竖直y 向位移则主要分布在塔基底部的A 点和G 点。从位移大小来看，x 向位移与y 向位移大小相近，且均随应力波的传播，呈现波动增加，爆破施工结束后未产生显著沉降。

图11 电塔4 基监测点位移时程曲线

总的来看，由于电塔距隧道距离较远，爆破后塔基位移振动很小，合位移最大值在A 点，约为0.411mm，塔基G 点合位移最大值为0.267mm，塔基位移差仅为0.15mm 左右。根据规范《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），电塔位移在控制标准范围内，隧道爆破对电塔的位移影响很小，在正常规范施工过程中不会因不均匀沉降而出现铁塔倾斜或倒塌情况，电塔处于安全状态。

4 结论

结合阿育王寺隧道工程实例，根据工程实际和设计资料建立有限元模型，基于数值模拟方法研究隧道爆破振动响应及其对电力铁塔塔基的影响，并对相关安全指标进行评估，主要结论如下：

第一，铁路隧道爆破点起爆后，应力波以圆弧形式向周边介质扩散，在极短的时间内传播到塔基，并迅速衰减，应力波高区域主要集中在隧道水平和竖直方向中心线周围。

第二，爆破振动对塔基影响较小，35ms 时各电力铁塔塔基爆破应力波已趋于平缓，塔基最大振动速度均小于工程允许的最大振动速度7cm/s，电塔应力峰值也小于许用应力，均满足《爆破安全规程》（GB 6722—2014）中的规范要求，爆破过程不会对电力铁塔造成破坏。

第三，塔1 和塔4 在水平位置上更靠近隧道，塔基振动速度相较于塔2 和塔3 高，且由于各电力铁塔塔基左侧更靠近隧道，因此应力波比塔基右侧大；由于高程放大效应，电力铁塔振速随高度增加而增大。

上述研究结果可为有限元数值模拟方法在铁路隧道爆破工程中的应用提供参考。