爆破荷载作用下新建与既有隧道支护结构动力响应研究

王秀丽

（西安铁路职业技术学院土木工程学院，陕西西安710600）

随着我国新的公路、铁路不断新建和既有路网扩能改造，不可避免会发生新建交通隧道并行、下穿既有公路、铁路等工程实际现状［1-3］。目前我国修建的大多数交通隧道工程仍以钻爆法为主［4］。新建隧道接近已有交通工程，爆破施工会带来相应的安全问题［5-6］。国内外学者在新建、改建隧道复杂交叉既有交通线引起的动力响应方面进行了大量的研究工作。李利平［7］通过小间距隧道爆破对既有隧道的影响，研究了小间距段施工爆破的振动监测方法、爆破动力特性及其减振控制技术。贾磊［8］通过设置不同开挖进尺、不同间距以及不同埋深研究了新建隧道爆破对既有邻近隧道的影响。学者研究的大多为新建隧道爆破对既有隧道的影响［9-12］。鲜有学者系统地研究爆破同时对既有和新建隧道支护结构的动响应影响。本研究采用LS-DYNA给出更加准确的模拟方法，对不同爆破荷载作用下既有和新建隧道支护结构的动力响应规律进行研究，深入系统分析爆破后新隧道和既有隧道支护结构的振动安全，为以后类似工程提供一定参考和借鉴。

1 工程概况

拟建隧道近南北走向穿越某山脉，该山脉山高谷深，地形起伏较大，沟谷一般为狭窄的“V”型谷。隧道设计线路最高点在ZK2+100处，海拔高程达到4 140 m；最低点位于隧道南洞门，海拔约3 580 m。花岗闪长岩为洞室主要围岩，多呈肉红—灰白色，中细—粗粒或不等粒似斑状或粒状结构、块状构造。围岩为较坚硬～坚硬岩，节理裂隙较发育，岩石多呈块状。

根据隧道纵断面图及围岩类别统计评价汇总内容可看出全线该隧道围岩以Ⅲ级和Ⅴ级为主，隧道左线（新建）各级围岩长度分别为Ⅲ级1 978 m，Ⅴ级106 m。

原设计中即已考虑到兼顾远期二线隧道的建设条件，新旧隧道走向几乎并行，最小净距不足26 m。新建隧道采用钻爆掘进，不仅现有隧道的稳定性、正常运行会受到不同程度影响，也会耽误新建隧道的进度。因此修建过程中应尽量减少爆破冲击波对老隧道的危害。

2 参数与模型建立

2.1 参数的确定

在本次计算中仍采用材料的静力指标，围岩力学性质参数见表1，既有隧道二次衬砌采用C30混凝土，参数见表2。

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考虑花岗岩与炸药的匹配系数，以及炸药性能、价格以及其他限制条件，新建隧道爆破施工采用2号岩石乳化炸药，其中初始爆速为4 000 m/s；炸药初始密度ρ=1 000 kg/m3。本研究在数值模拟中炸药本构采用高能炸药材料模型［13］，2号岩石乳化炸药JWL状态方程参数见表3。

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2.2 模型的建立

由圣维南原理可知，当有限元模型边界大于3倍开挖洞径时可以不考虑边界效应带来的影响。因此，有限元模型水平宽度取160 m，模型高度分别取80 m，模型纵向长度取100 m，新旧隧道之间净距取最不利情况25 m。模拟时采用g、cm、us单位制。模型中的X轴为与隧道轴向垂直的水平方向，Y轴为垂直方向，Z轴为隧道轴线方向，有限元模型见图1。

3 既有隧道二次衬砌动力响应规律

3.1 既有隧道二衬振速云图

研究新建隧道爆破施工引起既有隧道的动力响应，需要对不同时刻既有隧道二次衬砌上的振速分布规律进行讨论。选取依托工程III级围岩爆破开挖时某一时刻既有隧道二次衬砌的综合振速云图进行分析，见图2。

在爆破荷载作用下，既有隧道二次衬砌上质点离新建隧道开挖掌子面越近越先开始振动，振动效应也越大，产生既有隧道振速峰值的位置必定在迎爆一侧边墙上。

爆破荷载作用下既有隧道3个方向产生振动，质点综合振速充分考虑了质点3个方向的振动影响，能够直接反映新建隧道爆破对既有隧道的影响作用，同时质点的位移也能在一定程度上反应爆破振动效应的大小，可以作为评价爆破振动大小的参考指标。为了更好了解爆破荷载作用下既有隧道二次衬砌沿不同方向的振动特征，选取振速峰值时间段某一时刻X、Y、Z方向上的振速云图进行分析，见图3。

既有隧道在爆破荷载作用下，二次衬砌上质点离爆破开挖掌子面越近，越先发生不同方向上的振动且3个方向上的振速峰值越大。此外，X方向上的振速峰值与3矢量合成方向上的振速峰值比较接近，远远大于另外2个方向上的振动速度。

不同围岩地段爆破施工引起既有隧道的动力响应规律可能有所差异，有必要对V级围岩爆破施工时某一时刻既有隧道二次衬砌的振速云图进行分析，见图4；振速峰值时间段某一时刻X、Y、Z方向上的振速云图，见图5。

III级围岩和V级围岩爆破施工时的振速峰值虽然因为装药量不同等原因有所差异，但既有隧道二次衬砌的动力响应规律十分相似，经过一定时间爆破冲击波最先传到既有隧道二次衬砌上迎爆侧边墙上，沿着X、Y、Z方向二次衬砌结构上质点依次发生振动并达到各自的振速峰值。分析既有隧道二次衬砌不同时刻的振速云图和最大振速点的振速时程曲线可以得到：

（1）既有隧道上不同位置发生振动所需的时间与起爆点的距离有关，距离越远开始振动的时间越晚。

（2）既有隧道二次衬砌上的振速峰值发生在离爆源较近一侧拱墙上，二次衬砌上不同位置距爆源越远，振速峰值越小，这是因为爆心距越大能量衰减越大，引起的振动速度就越小，破坏效应就越弱。

（3）同一时刻，二次衬砌结构上同一质点X、Y、Z3个振动方向中沿X方向振动速度较大，衰减较快。

3.2 既有隧道二衬位移云图

位移也能在一定程度上反应爆破振动效应的大小，可以作为评价衬砌结构振动强弱的参考指标。选取III级围岩和V级围岩爆破时既有隧道二次衬砌取得振速峰值时间段某一时刻的综合位移云图进行分析，分别见图6和图7。

由III级和V级围岩爆破开挖时既有隧道二次衬砌不同时刻的综合位移云图可以发现，虽然装药量和围岩级别有所差异，但是既有隧道二次衬砌的位移响应规律非常相似，位移时程变化与振速时程变化规律也比较一致。经过一定时间后既有隧道二次衬砌上迎爆一侧先发生振动且位移变化较大，二次衬砌上沿水平方向、隧道轴向、竖直方向上质点依次发生振动，并达到各自的位移峰值。

3.3 不同净距和装药量时既有隧道最大振速曲线

既有隧道在爆破荷载作用的振动强弱除了受到装药量的影响，新旧隧道之间的净距也是非常重要的影响因素。以III级围岩为例，本研究将进一步借助数值模拟得到不同装药量和不同净距时既有隧道的最大振速，通过数值模拟得到不同工况下既有隧道二次衬砌上的最大振速时程变化规律。当掏槽眼药量分别取15 kg、10 kg时，探究不同净距时的最大综合振速时程曲线，以净距15 m为例进行说明，分别见图8和图9。

将装药量15 kg和10 kg下不同净距的最大时程曲线进行对比分析，得到掏槽眼不同装药量时不同净距既有隧道二次衬砌振速峰值图，见图10。

由图10可知，净距一定时，装药量越大，振速峰值也越大；振速峰值随净距减小而增大，增长速率也越来越大。当装药量取10 kg时，净距10 m时的振速峰值达到10.38 cm/s，较净距为15m的振速峰值5.5 cm/s增长近88.5%；当装药量取15 kg时，净距为10 m时的振速峰值达到13.46 cm/s，较净距为15 m的振速峰值6.8 cm/s增长近1倍。可以看出，新建隧道爆破荷载作用下既有隧道二次衬砌上的最大振速受间距影响十分明显。

4 新建隧道初期支护的动力响应规律

4.1 喷射混凝土的安全允许振速

初期支护是目前隧道施工过程中比较普遍和常规的一种支护手段，不仅能在施工期间维护隧道的稳定，控制围岩自承能力的降低，还能够与二次衬砌一起发挥永久支护的作用［14］。初期支护一般包括喷射混凝土、钢筋网、锚杆、格栅和钢拱架等多种形式，且由其中一种或几种组成［15］。花岗闪长岩等硬质岩单位体积岩石炸药消耗量比较大，爆破引起初期支护的振动效应不可忽视。各行业对现浇混凝土的最大允许振速有所不同，但都将质点振动速度作为爆破安全的评价指标，因此爆破作用下初期支护上的最大振速对于研究初期支护结构的动力响应规律具有十分重要的意义。

4.2 新建隧道初期支护综合振速及综合位移

新建隧道采用钻爆法施工，冲击波作用下初期支护的动力响应规律随时间变化非常明显，以III级围岩进尺2.5 m为例，对不同时刻初期支护的综合振速云图和综合位移云图进行分析，取某一时刻云图，分别见图11和图12。

炸药起爆后爆破应力地震波最先引起掌子面附近初期支护发生振动，沿着隧道轴线往洞口方向传播，引起传播方向上质点发生振动，振动强度与离掌子面的距离呈现反比趋势。

4.3 新建隧道初期支护振速时程曲线

为了更好地掌握爆破对新建隧道初期支护的影响，需要进一步了解初期支护的动力响应特性。选取新建隧道离掌子面不同距离断面上不同位置作为分析点，以距离9 m时为例进行说明，其综合振速时程曲线见图13。

得到横断面不同位置处初期支护最大综合振速随距掌子面距离的变化曲线，见图14。

分析图13和图14，隧道衬砌的不同部位对爆破的敏感程度不同。离掌子面越近，受爆破振动影响较大，质点在极短时间内达到振速峰值后迅速衰减；随着爆心距增大，同一断面上不同位置振速减小幅度不同，拱顶处最明显。隧道拱顶处的围岩对于隧道洞顶的振动约束力也较小，这就导致隧道衬砌洞顶的振动比较大，距离掌子面较近的同一断面上，拱顶振动速度最大，然后是两侧拱脚处，最后是两侧拱腰。当距离掌子面一定距离后，拱脚处振速峰值超过拱顶位置，不同位置振速大小依次是拱脚＞拱顶＞拱腰。初期支护上质点X、Y、Z 3个振动方向中沿Z方向即隧道中心线方向振动较大，衰减较快。

5 结论

（1）不同围岩二次衬砌的动力响应规律十分相似，经过一定时间爆破冲击波最先传到既有隧道二次衬砌上迎爆侧边墙上，沿着X、Y、Z方向二次衬砌结构上质点依次发生振动并达到各自的振速峰值，二衬上振速峰值发生在迎爆侧拱墙上，二次衬砌上不同位置距爆源越远，振速峰值越小，发生振动的时间越晚；二次衬砌结构上质点沿X方向振速峰值最大，衰减较快。

（2）新建隧道爆破施工，既有隧道二次衬砌上的振动效应大小受装药量和净距影响，装药量越大，既有隧道二次衬砌上的振速峰值越大；净距越小，振速峰值越大，且随着净距的减小，振动越来越强。

（3）炸药起爆后，初期支护上不同位置在爆破冲击波的作用下，沿着掌子面往洞口方向依次发生振动，离掌子面越远，发生振动的时间越晚，最大振速峰值越小；同一断面上，拱顶和拱脚位置振速较大，施工中应加强监测；初期支护上不同位置X、Y、Z 3个不同方向上Z轴即隧道走向振速较大，衰减较快。