多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应＊

费鸿禄，张国辉

（1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2.山西冀中能源集团矿业有限责任公司，山西 太原 030000）

各种高等级公路建设迅猛发展，而环境保护也日渐深入人心，山区或沿河高速公路选线时，上、下行隧道往往受地形的限制，使两相邻隧道的最小净距不能满足现设计规范要求。由于连拱隧道的工程造价高、施工难度大、施工周期长，大大超过普通双线双洞隧道，这样迫使人们设计一种符合实际情况的隧道形式，这就是小净距隧道［1－4］。小净距隧道双洞的中夹岩柱宽度介于连拱隧道和双线隧道之间，一般小于隧道开挖断面宽度的1.5倍。

目前，针对地下工程开挖中爆破荷载作用下的岩体硐室稳定性分析较少，大多是分析地震荷载作用下的岩体硐室安全。例如，于翔［5］、李小军［6］、黄胜等［7］和李海波等［8］根据地震后的现场调查，分析了地下岩体工程的变形破坏模式、程度与覆盖层厚度、岩石类型、支护类型和地震参数之间的关系。张丽华等［9］、黄润秋等［10］、金峰等［11］和赵宝友等［12］采用有限元、离散元等方法，分析了地下岩体硐室 （隧道）在地震动荷载作用下的速度、加速度、位移等响应特征和规律。在爆破开挖地下硐室时，施工中关心的是每次爆破发生时对已开挖成型硐室的影响，即爆破发生时可能产生的地下硐室失稳情况。本文中，以大荒沟隧道掘进过程中小净距标段为研究对象，采用FLAC－3D软件模拟多次（6次）爆破荷载作用下的小净距隧道围岩位移响应特性，并和疲劳损伤声波监测结果比较，确定多次爆破下隧道围岩岩体稳定性，拟为工程设计提供一种理论计算及数据分析模拟的参考方法。

1 模型建立及参数选取

1.1 模型建立

丹东－通化高速公路大荒沟隧道左线长1 120m，右线长1 080m，通化端为分离式隧道，丹东端左、右线隧道毛洞间距范围为9.812～24.095m，属于小净距隧道。模型的建模区域及尺寸，以大荒沟隧道施工中小净距隧道标段的设计图纸及现场测量数据为准，合理选择模型大小，模拟以25m×78m×25m的区域为研究对象，其中小净距间柱宽度为10m。图1为小净距隧道计算模型及监测点布置图，质点横向振动应力波沿隧道洞壁走向加载，质点竖向振动应力波沿隧道洞壁法向加载，A、B为测振仪布置点，a、b为模拟监测点。

图1 小净距隧道计算模型Fig.1 Asimulation model for small clearance tunnel

1.2 隧道围岩主要力学参数及屈服准则

根据隧道深浅埋分界的规定［13］，大荒沟隧道小净距隧道标段平均埋深为40m，属于深埋隧道。隧道围岩级别为Ⅳ级，区域地质结构似层状较简单，无软弱结构面入侵及裂隙水等不良地质现象。线路通过区地层主要为片岩、二云片麻岩、石英片岩、黑云斜长片麻岩、角内岩、混合岩，其中上覆岩层以片岩为主，岩石动态力学参数与静态力学参数差异不大。岩石的静态力学参数分别为：弹性模量E＝37GPa，泊松比ν＝0.33，密度ρ＝2.15t／m3，内聚力c＝450kPa，体积模量 K＝3.6GPa，剪切模量G＝1.4GPa，抗拉强度σ＝1MPa，内摩擦角φ＝33°。

体积模量K和剪切模量G与弹性模量E及泊松比ν之间的关系分别为：

数值模拟中，采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Mohr－Coulomb强度准则，屈服函数为［14－15］：

式中：σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，Nφ＝（1＋sinφ）／（1－sinφ）。

当岩体内某一点应力满足fs＜0时，发生剪切破坏；当满足ft＞0时，发生拉伸破坏。

1.3 爆破荷载处理及边界条件

图2（a）为测振仪B采集左洞第1次爆破时质点振动速度原始波形，包含两部分：竖向质点振动波形（黄色），横向质点振动波形（绿色）。同样，图2（b）为测振仪A在左洞爆破结束后右洞第1次爆破时质点振动速度波形，右洞爆破开挖滞后于左洞。记录了左、右洞交叉爆破共计6次，只列出前2次爆破时测振仪采集的数据。

图2 实测波形Fig.2 The original waveforms

由于爆破振动信号频率较高，为有效模拟爆破振动下隧道围岩稳定性，采用SeismoSignal软件进行滤波及基线校正处理，滤波频率为20Hz，振动持续时间为1.2s。将图2中前2次爆破振动波形进行处理，图3（a）为左洞第1次爆破作用时竖向、横向质点振动速度时程曲线，最大竖向、横向振动速度分别为vn，m＝27mm／s，vp，m＝25mm／s。同样，图3（b）为右洞第1次爆破时质点振动速度时程曲线，vn，m＝33mm／s，vp，m＝31mm／s。

图3 质点振动速度Fig.3 Particle vibration velocities

左洞和右洞各采集质点爆破振动数据3次，共计6次，其中后4次爆破波形处理同上。根据实际爆破振动情况，隧道在各次爆破1.2s后振动基本消除。为使计算结果快速收敛，采用连续加载方式，左洞加载1、3、5时间分别为0≤t＜1.2s、2.4s≤t＜3.6s、4.8s≤t＜6.0s，右洞加载2、4、6时间分别为1.2s≤t＜2.4s、3.6s≤t＜4.8s、6.0s≤t≤7.2s。表1为6次爆破加载波形参数，Q 为总药量，L为爆心距，q为单段最大药量，vn，m、vp，m为最大竖向、横向质点振动速度。

表1 实验数据Table1 The experimental data

采用应力时程方式加载，将质点振动速度时程曲线转化成应力时程曲线［16－18］

式中：σn为正应力，σs为剪应力，ρ为密度，cP为介质的P波波速为介质的S波波速为竖向质点振动速度，vp为横向质点振动速度。

由于测振仪所采集数据为隧道内某个质点的振动特性，不能简单作为面荷载进行外部加载，同时为更好反映测振仪所在位置的围岩位移响应特性，就所在隧道内爆破作业，将对应测振仪采集并经滤波处理的竖向和横向波形加载在所在隧道内壁围岩上，构成3维动力加载模型。其中，将竖向振动应力时程曲线沿隧道走向内壁法向入射，横向质点振动应力时程曲线沿隧道内壁走向入射，采用爆破所在隧道全长动力加载方式模拟测振仪所在位置位移响应特性。模拟监测点a、b可选取模型任意断面，因为爆破所在隧道内各断面质点振动加载波形相同，内部动力加载模型外边界采用动力分析下的静态边界即可满足模拟要求；动力分析采用局部阻尼，局部阻尼因数取0.157 1。

2 模拟结果分析

模拟过程分2步进行：第1步，隧道初期支护完成下的静力分析；第2步，模拟6次小净距隧道交叉爆破应力作用下围岩位移稳定性分析。

2.1 静力分析

爆破开挖后喷射混凝土C30进行初期支护，厚度为6cm，初始地应力下小净距隧道静力平衡见图4。由图可知，隧道周边围岩测点所受最大、最小主应力，根据式（1）可知，隧道静力平衡下未发生剪切及拉伸破坏，隧道处于静力稳定状态；静力作用下，隧道监测点竖向最大位移发生在隧道顶点处，最大值为1.2cm。

图4 静力主应力云图Fig.4 Principal stresses under static condition

2.2 多次爆破作用下的隧道动力分析

监测仪A、B采集的数据为质点振动速度时程曲线，将经滤波及校正后的质点振动应力时程曲线加载到隧道洞壁上，并对应爆破开挖所在隧道进行加载，即沿隧道洞壁法向入射竖向质点振动波形，沿隧道壁走向入射横向质点振动波形。着重探讨在左、右洞爆破循环加载下的小净距隧道间柱的动态响应。图5为多次爆破荷载作用下间柱监测点a、b竖向和横向位移图。

图5 间柱监测点位移Fig.5 Displacements of monitoring points

图6 监测点位移时程曲线Fig.6 The displacement－time curves of monitoring points

由图5，得到间柱监测点a、b多次爆破结束后的位移时程曲线，见图6。由图6可知，小净距隧道间柱监测点a、b在左、右洞各3次交叉爆破结束后的竖向终止位移基本一致，dn≈0.7mm；监测点b竖向位移曲线波动较大，差异在于左、右洞交叉爆破先后顺序，即当左洞爆破掘进时，对应监测点竖向位移较大，对另侧隧道影响较小；间柱测点a、b的横向位移大于竖向位移，同时波动幅度较大，可知随着爆破掘进开挖的持续进行，间柱最有可能发生剪切破坏而非挤压破坏，在施工中应重点对间柱进行必要支护，在隧道开挖围岩稳定情况下，可通过在间柱上部打锚杆进行预应力加固。总体变化趋势是，随着测点距爆源距离加大，作用于测点处岩体的应力波强度减小，小净距隧道间柱位移最终趋于稳定。

图7 声波测试孔Fig.7 Acoustic wave measurers

3 多次爆破作用下岩体声波传播现场实验

为了更好分析爆破对小净距隧道间柱的振动影响，进行岩体声波现场实验，左洞开挖在右洞前，以右洞间柱一侧为基础，两侧对称布置测试孔，孔深3m，孔距2m，声波测孔布置见图7。实际各洞爆破前进约2.5m，每次爆破前后进行声波测试。左、右洞交叉爆破下岩石声速随声波测孔位置的变化曲线见图8。

图8 岩石声速随位置变化曲线Fig.8 Acoustic wave velocities of rock in different positions

由图8可知，左、右洞交叉爆破后的岩石声速比爆前低；爆破地震波对爆破区域的岩体产生了扰动，使其结构、整体性及裂隙方向和裂隙长度、宽度发生了变化，导致了岩石声速的降低，总体趋势是岩石声速随着测点的深度减小而降低。随着爆破掘进的进行，爆区离声波探测孔距离逐渐变大，岩石损伤度逐渐减小，第4次爆破后减小幅度明显降低，表明爆破对间柱影响长度为8～10m；同时，各次爆破对所在隧道间柱一侧的影响大于间柱另一侧，这与计算机爆破模拟结果大致相同。

4 结 论

在排除交叉爆破顺序作用的影响下，小净距隧道各主要监测点位移时程曲线以间柱为对称面呈现一定的对称性，即左洞爆破时，间柱右洞一侧产生位移变动较小，在随后的右洞爆破时，发生一定回弹，同时左洞已产生的位移变化也有所回弹；在间柱范围内，横向位移大于竖向位移且波动较大，因此爆破施工中应注意观测；将计算机模拟爆破振动影响下小净距隧道围岩位移响应规律同实测爆破岩体超声波监测实验结合，通过对比较好地验证了计算机模拟的可靠性，并较好地分析了爆破荷载下小净距隧道围岩位移响应规律及岩体疲劳损伤等特点，有很强的实用性，并且为爆破开挖地下硐室工程提供一种符合工程实际需要的模拟手段。

［1］张向东，林增华，万明富.基于 ANSYS确定小净距隧道合理净距的数值模拟［J］.北方交通，2008（9）：81－83.Zhang Xiang－dong，Lin Zeng－hua，Wan Ming－fu.Numerical simulation of determine rational clearance of tunnel with minor clearance based on ANSYS［J］.Northern Communications，2008（9）：81－83.

［2］李斯海.厦门市仙岳山隧道围岩稳定性三维有限元计算分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（2）：211－214.Li Si－hai.3－D EFM analyses on stability of Xianyueshan Tunnel of Xiamen City［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（2）：211－214.

［3］吴梦军，陈彰贵，许锡宾，等.公路隧道围岩稳定性研究现状与展望［J］.重庆交通学院学报，2003，22（2）：24－28.Wu Meng－jun，Chen Zhang－gui，Xu Xi－bin，et al.The present and prospect of highway tunnel surrounding rock stability［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2003，22（2）：24－28.

［4］饶增.隧道钻爆施工对初期支护的影响及控制标准的研究［D］.北京：北京交通大学，2010.

［5］于翔.地下建筑结构应充分考虑抗震问题：1995年阪神地震破坏的启示［J］.工程抗震，2002（4）：17－20.Yu Xiang.Underground structures are always considered possessing well anti－seismic capability：Revelation of 1995 Hyogoken－Nambu earthquake［J］.Earthquake Resistant Engineering，2002（4）：17－20.

［6］李小军.地下隧道式结构动力分析方法研究［M］.北京：科学出版社，1997：94－104.

［7］黄胜，陈卫忠，杨建平，等.地下工程地震动力响应及抗震研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（3）：483－490.Huang Sheng，Chen Wei－zhong，Yang Jian－ping，et al.Research on earthquake－induced dynamic responses and a seismic measure for underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（3）：483－490.

［8］李海波，朱莅，吕涛，等.考虑地震动空间非一致性的岩体地下洞室群地震反应分析［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（9）：1757－1766.Li Hai－bo，Zhu Li，LüTao，et al.Analysis of an underground cavern groups in rock subjected to spatially non－uniform seismic ground motion［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（9）：1757－1766.

［9］张丽华，陶连金.节理岩体地下洞室群的地震动力响应分析［J］.世界地震工程，2002，18（2）：158－162.Zhang Li－hua，Tao Lian－jin.Dynamic response analysis of large underground excavations in jointed rock［J］.World Earthquake Engineering，2002，18（2）：158－162.

［10］黄润秋，王贤能，唐胜传.深埋隧道地震动力响应的复反应分析［J］.工程地质学报，1997，5（1）：1－7.Huang Yun－qiu，Wang Xian－neng，Tang Sheng－chuan.Complex analysis of seismic response of a mountain tunnel［J］.Journal of Engineering Geology，1997，5（1）：1－7.

［11］金峰，王光纶，贾伟伟.离散元一边界元动力祸合模型在地下结构动力分析中的应用［J］.水利学报，2001（2）：24－28.Jin Feng，Wang Guang－lun，Jia Wei－wei.Application of distinct element－boundary element coupling model in underground structure dynamic analysis［J］.Journal of Hydrulic Engineering，2001（2）：24－28.

［12］赵宝友，马震岳，梁冰，等.基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析［J］.岩土力学，2009，30（5）：1153－1159.Zhao Bao－you，Ma Zhen－yue，Liang Bing，et al.Seismic analysis of underground structures based on damaged plasticity model［J］.Chinese Journals of Rock and Soil Mechanics，2009，30（5）：1153－1159.

［13］JTG D70－2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［14］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.Xia Xiang，Li Jun－ru，Li Hai－bo，et al.Udec modeling of vibration characteristics of jointed rock mass under explosion［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（l）：50－56.

［15］Zhao Bao－you，Ma Zhen－yue.Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2009，46（3）：506－513.

［16］Sharma J.Blasting induced vibration monitoring［J］.The Indian Mining and Engineering Journal，1998，37（11）：36－41.

［17］邱流潮，金峰.地震分析中人工边界处理与地震动输入方法研究［J］.岩土力学，2006，27（9）：1502－1504.Qiu Liu－chao，Jin Feng.Study of method of earthquake input and artificial boundary conditions for seismic soilstructure interaction analysis［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（9）：1502－1504.

［18］陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.