金牛山隧道下穿高速公路爆破振动研究

午向阳，蒋宗全，高 亮，张顶立，朱浩波

(1.中国水电集团，北京 100048;2.北京交通大学 土木工程建筑学院，北京 100044)

0 引言

目前的爆破振动控制中，最常用的一种方法是在已测试出的爆破振动数据基础上，根据萨道夫斯基公式得到爆破振动的传播规律，指导以后的爆破工程;另一种方法是采用数值模拟的方法，在没有测量数据的时候对爆破提前预测，方法既简便，准确率也相对较高。

数值模拟方法分连续介质法和离散单元法，在动荷载作用下，结构面的性质对波的传播起着重要的作用。采用连续介质力学方法对节理岩体中爆破过程进行数值分析具有一定的局限性，而离散单元法可以很好地反映结构的不连续性，目前已经被广泛应用于岩体的稳定性研究，以及散体的运动分析等。但是，用离散单元法分析岩体中爆破振动传播规律的工作还比较少［1-5］，主要是分析了节理方向对岩体爆破振动传播影响，总结出节理任意方向下最大振速与RQ-3(R为测点与振源的距离，Q为装药量)之间的关系曲线;模拟了爆破振动波在节理岩体中的传播，提出节理刚度对波的传播影响很大;模拟了爆破荷载的岩体振动，得出岩体质点最大振动速度和振动主频随爆源距离的衰减规律等。

本文结合新建铁路金牛山隧道爆破开挖监测，采用离散元软件UDEC模拟隧道掘进爆破振动波的传播规律和衰减特征，并与现场监测的结果进行了比较，旨在验证UDEC在模拟浅埋隧道掘进爆破荷载作用下地表振动规律的实用性。

1 工程概况

金牛山隧道进口里程 DK465+335，出口里程DK467+240，全长1 905 m，隧道内为3‰和12‰的上坡，DK466+365—DK466+635区段设置在 R=8 000 m的竖曲线上，其余位于R=9 000 m的曲线上。隧道位于丘陵缓坡，地形起伏较大。隧道最大埋深35.37 m，山坡自然坡度约15°～20°。如图1所示，隧道在DK466+230—DK466+330区段下穿京福高速公路C匝道(京福至肥城方向)，交角14.57°。匝道为两车道及一紧急停靠车道，宽12 m。隧道结构顶到路面的距离为9.28 m。在 DK466+560—DK466+660区段下穿京福高速公路正线，交角37°，路宽约36 m，隧道开挖顶面到路面的距离为12.54 m。

图1 下穿京福高速公路示意

隧道区地层为太古代泰山群花岗片麻岩局部夹角闪片岩，灰白～灰褐色，中细粒变晶结构，片麻状构造，节理裂隙发育;隧道区地下水主要为基岩裂隙水，主要由大气降水补给。渗透系数E=0.05～0.40 m/d。地下水埋深10.10～12.05 m，水位季节变幅为2～10 m。

2 现场爆破监测

振动测量系统由拾振器、记录仪和笔记本电脑组成，采用成都中科动态仪器有限公司生产的IDTS 3850型2通道爆破振动分析仪记录振动信号。该仪器的最高采样频率为200 kSps，可分8段记录数据，每段存储深度为16 kB，采样延时为0～-12 kB，分为内触发和外触发2种形式，输入满量程为400 mV至20 V。传感器、拾振仪见图2和图3。

图2 传感器

图3 拾振仪

传感器埋设在公路的一个固定点上，用石膏将其固定，即监测点固定不变。随着隧道掌子面的推进，炸药中心与测点之间的距离不断变化，而同时爆破的单段最大装药量基本保持不变。采用拾振仪对下穿段的高速公路路面爆破振动进行了5次监测。监测数据列于表1。

表1 爆破振动监测数据

3 计算模型和输入参数

3.1 计算模型

根据实际的研究目的，数值分析将隧道的横断面作为研究对象。为了节省时机，且由于隧道开挖的对称性，故取1/2模型进行研究，计算区域取为60 m×40 m。根据现场洞内观察及地质探测，确定计算模型中有一组节理，平均间距取2 m，倾角为85°。模型的底边界及右边界均采用黏性边界，即不反射波的边界;左边界采用对称边界。几何模型见图4。计算模型见图5。

图4 隧道的几何模型(单位:m)

图5 隧道的离散元模型

3.2 爆破荷载

当炸药在岩石中爆炸后，根据距炮孔中心的远近不同，可把整个岩石区域分为粉碎区、裂隙区和振动区。岩石根据在各个区域中的受力不同也表现出流体性、弹塑性和弹性等不同的力学特性。通常被保护物距爆源都不是特别近，即大多处于岩石的弹性振动区，这样一来，数值模拟的区域必须要跨越几个不同的区域。因此，要想精确模拟爆破的振动作用，需在模型中采用几种岩石材料模型。在本次计算中，只考虑弹性区的振动，故采用人工输入振动冲击波。通常的方法是应用与炸药量、爆破源和岩性相关的经验公式将爆破动力荷载简化成包含峰值、作用时间和脉冲宽度等参数的三角形脉冲波。然而，这种简化得到的动力输入荷载与实际情况存在较大的误差。为了避免这种情况，在本次计算中，动力输入荷载直接采用现场监测得到的爆源近点速度时程曲线，如图6所示。

图6 现场实测洞内垂直振动速度曲线

3.3 岩体的力学指标

一般而言，岩石材料和节理的动态物理力学特性参数都是与应变速率相关的，但对于岩体的变形模量和泊松比等参数随应变率的变化幅度很小，通常用相应的静态参数表示。根据工程地质勘察报告和室内岩体力学实验，花岗片麻岩各项物理力学指标见表2和表3。

表2 岩石材料基本力学特性

表3 岩石节理基本力学特性

4 计算结果及分析

4.1 中心点处的垂直速度对比分析

图7为隧道开挖面正上方地表点的实测振动速度与数值模拟的结果的对比。两曲线比较吻合。

图7 掌子面正上方地表点垂直方向与实测速度时程曲线

4.2 垂直速度、水平速度随距离的变化规律

图8为数值模拟垂直振动速度、水平振动速度及实测振动速度与爆源距离的衰减曲线。可以看出，垂直速度随爆源距离的增大而单调衰减，在离爆源近的地方，衰减很快;而水平速度随着爆源距离的增大，开始有个增大的过程，随后逐渐减小。研究表明，水平切向速度一般很小，不起决定作用，但水平径向速度却不可忽视。此曲线变化趋势同样适用于水平径向速度。由此可以看出，最大水平径向速度一般出现在距爆源一定距离处，此距离与埋深有着密切关系。

图8 质点垂直振动速度、水平振动速度沿水平方向的衰减

本工程对高速公路振动安全监测，应以掌子面正上方的路面、隧道纵向掌子面前面10 m距离处的路面为监测重点，并分别以最大垂直速度和最大合速度来验证其安全性。

4.3 节理方向对爆破振动传播的影响规律

图9是在围岩条件及节理性质不改变的情况下，只去改变节理方向，计算得到的节理方向与最大振速之间的关系曲线。由图9可以看出，节理方向在0°～20°之间时，地表最大的振动速度随着节理角度的增大而迅速减小，当节理方向在70°～90°之间时，地表最大的振动速度随着节理角度的增大而迅速增大，节理方向在以上两个区间时对振动的衰减影响最大;当节理方向在30°～70°之间时，地表最大的振动速度随着节理角度的增大变化很小，且在此区间取得最小值，即此区间振动的衰减最快，减振效果最好。

图9 质点最大振动速度随节理方向变化曲线

5 结论

基于以上分析，可以得出如下结论:

1)用UDEC模拟浅埋隧道爆破对地表的振动，其速度曲线与现场监测结果吻合得比较好，故用UDEC研究浅埋隧道爆破振动传播是适合的。

2)对高速公路地表振动的监测重点部位应为隧道开挖掌子面正上方的地表垂直振动速度以及隧道径向一定距离处地表振动的合速度。

3)节理方向对岩体爆破振动传播影响很大，当节理角度为30°～70°时，对于爆破振动控制最为有利。

［1］赵坚，陈寿根，蔡军刚，等.用UDEC模拟爆炸波在节理岩体中的传播［J］.中国矿业大学学报，2002，31(2):111-115.

［2］夏祥，李俊如，李海波，等.爆破荷载作用下岩体振动特征的数值模拟［J］.岩土力学，2005，26(1):50-56.

［3］李玉民，倪芝芳.地下工程开挖爆破的地面振动特征［J］.岩石力学与工程学报，1997，16(3):274-278.

［4］刘红岩，刘国振，杨军，等.基于有限元数值计算的爆破震动强度分析［J］.岩土力学，2006，27(6):977-980.

［5］李景龙，李术才，李廷春，等.隧道下穿既有铁路爆破的稳定控制技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(A01):3596-3600.