两相邻引水隧洞爆破振动影响分析

李卿

摘 要：在相邻隧洞的施工过程中，一条隧洞的爆破施工会对既有隧洞造成不良的影响。通过理论计算和模拟仿真分析，确定合理的爆破设计参数，以确保既有隧洞的运营安全。

关键词：相邻隧洞；爆破振动；影响分析；运营安全

中图分类号：U445.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.105

1 工程概况

1.1 工程概述

本工程为菲律宾马尼拉拟建的一条引水隧洞（Tunnel 4），新建的引水隧洞与IPO水库至Bigte水池之间已经有的3条引水隧洞平行，且与第一条引水隧洞（Tunnel 1）紧邻，二者距离约25 m。

新设计的4号隧洞全长6 386 m，进口高程96.7 m，出口高程92.3 m，断面为城门洞型，底宽3.6 m，净高4.1 m，衬砌厚度250 mm，隧道的平均埋置深度在100～150 m之间，最深处达到200 m，新建4#隧洞洞底板高程比现有1#隧洞洞底板高8.0 m。

目前，正在运行的1号隧洞全长6 256 m，进口高程86.802 m，出口高程84.226 m，断面为城门洞型，底宽2 m，净高2.1 m，衬砌厚度200 mm，于1977年建成。

鉴于1#、4#隧洞距离比较近，为了避免新建隧洞爆破振动影响既有隧洞，确保1#隧洞的运营安全，根据我国的水电水利工程爆破施工技术规范，水工隧洞的爆破安全允许振动速度为50 mm/s。但是，在投标前，菲律宾方提出补遗，对施工过程中爆破安全控制标准提出了更严格的要求，即爆破过程中既有隧洞的振动速度必须控制在25 mm/s以内。为此，需验证原设计的爆破参数是否满足要求。

1.2 隧洞的相关水文地质资料

根据工程相关的水文地质资料，隧洞围岩物理力学参数取值如表1所示。

1.3 现场拟采用的施工工法

隧洞开挖按照新奥法原理组织施工，Ⅰ～Ⅲ级围岩地段采用全断面法，每个循环进尺2 m，Ⅳ～Ⅵ级围岩地段采用台阶法施工，循环进尺为0.5～1.2 m为宜。

1.4 围岩爆破设计参数

炮眼布置和装药量：采用楔形掏槽方式布眼，共布置炮眼58个，炮眼深度2.4 m，总装药53.3 kg。

在施工过程中，为了满足菲方提出的爆破振动控制基准（振速V≤25 mm/s），根据岩体性状和围岩条件设计了爆破参数，具体如表2所示。

2 单段最大段药量的理论分析

在爆破施工中，萨道夫斯基法具有明确的物理意义，应用方便、快捷，可为爆破设计提供理论依据，它至今仍是爆破工程中应用率最高的方法。因此，此次单段最大炸药量的理论分析也借助于此法进行初步计算。

所谓“萨道夫斯基法”，即以传统的爆破振动速度衰减公式——萨道夫斯基公式为基础，给出爆破振动速度随炸药量、爆心距等因素的定量关系。

2.1 萨道夫斯基经验公式和关键参数取值

在爆破工程中，爆破振动衰减规律主要是通过介质质点振动速度幅值与装药量和爆心距的变化关系来反映的。一般情况下，振动速度幅值是随炸药量的增加而增加的，随爆心距的增加而减小。这一规律可通过工程中常用的萨道夫斯基公式定量描述，即：

式（2）中：Qmax为单段最大装药量，kg；Rmin为测点与爆破位置间最小距离，m（本工程中约为25 m）；K为场地系数；α为衰减系数。

式（2）中关键参数K和α的取值如表3所示。

由于本工程洞室所穿越的围岩跨越Ⅱ～Ⅴ类四个等级，所以，理论分析时，针对不同的围岩类别，应结合引水隧洞穿越的具体地质情况选取不同的K值和α值，具体情况如表4所示（需要说明的是，考虑到工程中岩质条件比较好，所以，Ⅱ，Ⅲ类围岩取值时，分别按坚硬岩石、中坚硬岩石的偏小值选取；考虑到Ⅳ类围岩岩体性状比Ⅱ，Ⅲ类围岩要差，但又好于Ⅴ类围岩，所以，取值时，按中坚硬岩石与软岩石的临界值选取；Ⅴ类围岩因岩体性状较差，所以，取值时按软岩石的中间值选取）。

2.2 各级围岩单段最大药量计算

利用式（2）获取各类围岩下单段最大段药量为：Ⅱ级围岩10.69 kg，Ⅲ级围岩8.19 kg，Ⅳ级围岩8.16 kg，Ⅴ级围岩9.16 kg。由计算可知，理论计算的各类围岩下单段最大装药量均大于爆破设计中的掏槽眼单段最大药量，所以，判断爆破设计参数是可行的。

3 爆破施工对既有隧洞动力响应的数值仿真分析

3.1 数值模拟模型建立说明

根据1#、4#引水隧洞二者间的相对位置关系建立二维数值仿真模型，模型依据隧洞的实际尺寸建立，地表依据现场实际埋深考虑（约150 m）。考虑到本工程以Ⅲ类围岩为主，基本采用全断面法施工，且由于全断面施工开挖面积最大，诱发的振动影响也最为剧烈，所以，数值仿真计算时，以Ⅲ类围岩施工爆破作为重点研究对象。

在数值仿真模型中，岩体物理力学参数的取值按照表1中Ⅲ类围岩选取。数值分析计算爆破对既有隧洞产生的水平x方向振速Vx和竖直y方向振速Vy。

3.2 振动监控测点的选取

为了获得爆破施工过程中1#引水隧洞的振动速度，特在拱顶、拱腰、拱脚、边墙、底板等典型部位布置监测点。同时，为了分析爆破振动速度在1#、4#隧洞间地层中的传播规律，获取质点振速与震源距离关系曲线，在相邻两隧洞的边墙上布置测线进行模拟爆破监控和分析。

3.3 爆破冲击荷载确定

在数值仿真分析时，爆破的模拟是在新建隧洞上施加爆破冲击荷载来实现的，其大小和位置是由爆破设计资料中掏槽孔等位置综合考虑而得。

在隧洞开展爆破施工的过程中，由于第一段位炸药爆破是在基于一个临空面的条件下进行的，所以，能量损失比较小，而后续爆破时临空面比较多。与第一段位炸药相比，能量损比失较大。一般情况下，第一段位炸药爆破作用在围岩上的能量是最大的，产生的地震波效应也是最大的。因此，本次数值模拟时，主要模拟掏槽孔在设计段药量下爆破产生的振动对既有1#隧洞的影响。

根据爆破振动理论分析，炸药引发的荷载可简化为图1所示的荷载曲线。依据表2的爆破参数设计，爆破冲击荷载的确定过程如下。

在确定爆破峰值荷载时，主要是根据经验公式求解而得。依据Hsinyu low，Hong hao对现有众多爆破荷载峰值公式进行统计分析可知，如图2所示，爆破荷载的应力峰值Pmax（作用在开挖边界）可采用经验公式求解，即：

根据式（3）和式（4）估算Ⅲ类围岩采用全断面工法开挖时掏槽爆破荷载峰值，进尺2 m左右，掏槽眼单段最大炸药量据表3可知为7.8 kg，R*采用等效面积法，近似取1 m，进而得到Z为0.507，爆破荷载峰值Pmax为20.4 MPa。

3.4 数值仿真计算结果分析

在计算过程中获取1#既有水工隧洞各监测点最大振速如图3、图4、图5、图6所示。

经过相关分析总结如下：①1#既有隧洞在4#隧洞爆破施工过程中，各个测点最大振速始终处于25 mm/s以下，其中，右拱腰和右边墙相对其他测点测到的最大水平振速Vx略大，达到18 mm/s，但是，仍在25 mm/s的要求线之下，因此，整体处于安全状态。②将最大水平振速与最大竖向振速合成后，获得最大测点振速如图5所示（需要说明的是，水平振速与竖向振速并不一定会同时达到最大，因此，本计算偏于安全）。从图中可以看出，合成后，最大振速为23 mm/s，仍处于25 mm/s的控制线之下，因此，符合安全控制基准要求。③从图6中可以看出，在距离震源10 m之内，质点振速随距离的增大衰减速度十分快，但是，当其超过10 m以后，质点的振速衰减逐渐趋缓。以25 mm/s为控制线，可得在距离震源16 m开外时，所得到的质点振速都符合要求。

4 结束语

基于萨道夫斯基公式计算出的各类围岩下单段最大药量均大于爆破设计中的掏槽眼单段最大药量，所以，爆破设计参数是可行的。

爆破设计参数满足安全控制基准的要求，所以，可以按照此参数现场施工。

在数值仿真和理论分析过程中作了适当的简化处理，同时，现有的地勘资料并不能全面反映1#、4#引水隧洞的实际岩体状况，所以，上述分析仅可作为前期施工参考。在施工过程中，应编制详细的爆破振动监控技术方案，并依据施工进度同步监测爆破振动的情况，及时与理论计算结果对比，适时调整爆破参数，以确保工程安全。

参考文献

[1]中国电力企业联合会.DL/T 5135—2013 水电水利工程爆破施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2014.

[2]乔宪队.爆破震动对邻近隧洞的动力响应分析[D].长沙：中南大学，2007.

〔编辑：白洁〕