隧道穿越防护通道受不同钻爆方式作用下岩体动态回应分析

赵立财，余建星

(天津大学 建筑工程学院, 天津 300072)

随着我国交通网络的大规模铺展，爆破在隧道开挖过程起到非常重要的作用，爆破开挖引起的振动回应也越来越引起人们的重视，通过试验和仿真的研究，评价爆破施工方案和爆破参数的合理性，为控制和优化爆破施工参数提供依据，同时对开挖爆破作业对文物，既有铁路线，铁路边坡振动的影响程度，以确保爆破安全，隧道爆破的振动研究也越来越重要。张志呈等[1]对逐孔起爆技术时间间隔的选取进行了研究，推荐了间隔时间的理论计算和经验选取的方法；刘际飞等[2-3]通过模拟爆炸应力波与预裂缝的相互作用，研究预裂缝的传播过程，并得出具有一定宽度，没有填充介质的预裂缝具有明显的降振效果；贾磊等[4]研究得出新建隧道爆破施工时，开挖的进尺越大既有衬砌的振速就越高；既有衬砌受隧道间的距离影响显著，隧道间距越大既有衬砌的振动速度受影响越小。龚敏等[5-6]对比瞬时能量法与EMD(Empirical Mode Decomposition)识别法识别雷管实际延时时间效果，总结出单孔药量1.2 kg的起爆能量衰减时间为150 ms，常规药量下雷管间微差起爆间隔大于50 ms以上时可用瞬时能量法识别起爆时刻。凌同华等[7-8]运用Anderson线性叠加模型对后行隧道爆破振动作用下先行隧道混凝土衬砌的力学特性进行研究，得出爆破振动对先行隧道混凝土衬砌产生的最大拉应力、剪应力分别出现在迎爆侧的拱腰和拱脚。高启栋等[9-10]采用有限元模拟方法，分析了起爆点位于不同位置时，正向起爆时，支护结构的振动水平最小，最利于支护结构的安全；当提高装药量时，爆破振动效应就越强且趋势变快，爆破振动频率也越靠近建筑物固有频率。Shin等[11-13]利用LS-DYNA 软件分析隧道衬砌与围岩受爆破振动速度和应力，根据最大拉伸强度理论和数值计算结果，确定了爆破安全判据的PPV(Peak Velaity of Particle Vibration)，得到隧道衬砌与围岩的不同位置的时序特性、振动速度以前有效应力。在隧道钻爆施工中，掏槽形式的研究虽已取得一定进展，但现有掏槽形式的质点峰值振动速度较大，当隧道近距离下穿既有结构物时无法保证结构安全，没有可参考的掏槽方案，掏槽区炮孔参数的选取具有盲目性，无法达到较高的利用率以及降振效果。本文以长安街石景山隧道下穿人防通道爆破施工为背景，采用爆破实测振动波形和质点数值模拟振动波形叠加对比法验证了本构模型数值模拟的有效性，研究了直孔楔形延时、直孔楔形同时、斜孔楔形延时起爆三种爆破方法引起的防护通道两点的振动速度、加速度振动衰减规律，根据岩石回应变化规律，找出引起防护通道振动回应最小的最优掏槽爆破方式，来改善起爆顺序、减轻爆破夹制作用，降低爆破振动安全允许值，具有重要的参考价值。

1 爆破荷载下隧道的动力计算模型

1.1 工程概况

长安街西延引起丰沙铁路改建工程暗挖隧道，全长4 350.353 m，其中明挖段长3 871.353 m，暗挖段长479 m。暗挖段全长479 m，双线隧道，线间距4.00～4.26 m，位于8 ‰的上坡。防通道底标高94.58 m，结构尺寸约2 m(宽)×2.4 m(高)。通道底板为垫层20 cm，调平层7 cm，下有垫层，厚度20 cm。此范围石景山隧道覆土约31 m左右，隧道与人防通道垂直相交，人工防护通道位于隧道正上方位置，净距约2.044 m。图1(a)为隧道与人工防护道位置图，图1(b)为人工防护道图片。按照测振预警机制的原则，每炮测振，并根据测振数据，调整单次爆破的进尺、药量，控制爆破过程中的振动是该次爆破过程中需要控制的首要因素，为了最大限度降低隧道爆破对人工防护道的爆破振动，采用直孔爆破同时起爆，直孔爆破延时起爆，斜孔爆破延时起爆等三种不同爆破方式进行研究，对比三种不同爆破方式下人工防护道同位置处的振动大小来选择最优掏槽爆破方式。

图1 隧道下穿防护通道工况关系Fig.1 Tunnel across artificial protective channel mode relations

1.2 模型几何尺寸及参数

利用Hypermesh 14.0联合ANSYS LS-DYNA软件建立隧道掏槽爆破以及防护通道的有限元模型，图2为隧道爆破作用下防护通道的有限元模型，图2(a)为包含空气部分的有限元网格模型，图2(b)为围岩有限元网格模型，图2(c)可以看出6个爆破布置的位置位于上台阶中间部分，图2(d)为炮孔处的网格模型。为了研究隧道爆破对防护道最大振动位置，将6个炮孔布置于与防护道相交的正下方位置，高度方向上距离中台阶顶部距离分别0.4 m，0.8 m，1.2 m，炮眼眼口间距1.5 m，采用正向不耦合装药，起爆点为从外到内，炮孔直径42 mm，炸药直径为30 mm，炮孔深度为0.8 m，单个炮孔炸药量为0.56 kg，总装药量为3.36 kg。

根据掏槽方式，可以分为直孔爆破以及斜孔爆破，直孔爆破掏槽为直孔，该种爆破方式产生的地震波大，影响周边环境；斜孔爆破掏槽为斜孔，炮孔布置呈梯形，起爆时，先从爆区中部爆出一个梯形的空间，为后面的梯形起爆创造更长的方向交错的临空面,随之，更大的梯形相继起爆，这种起爆方式碰撞挤压效果好，爆堆集中。按照炮孔爆破先后次序，起爆方式分为同时起爆和微差延时起爆，延时起爆以高强度，高精度导爆管毫秒雷管为起爆及传爆元件进行起爆网络铺设，孔内采用高段位延时毫秒雷管进行起爆，孔外采用低段位延时毫秒雷管链接，爆区每个炮孔在空间和时间上都按照一定顺序单独延时起爆，同时先起爆炮孔为后起爆炮孔提供自由面，通过控制起爆时间差实现爆破挤压来提高爆破质量的一种爆破技术。

本文根据不同的掏槽以及起爆次序，定义三种不同爆破方式：①直炮孔同时起爆；②直炮孔延时起爆，6个炮孔起爆时间分别为0 ms，5 ms，10 ms，15 ms，20 ms，25 ms；③斜炮孔延时起爆，该爆破方式掏槽为斜孔，6个炮孔起爆时间分别为0 ms，5 ms，10 ms，15 ms，20 ms，25 ms；斜炮孔眼口间距1.5 m，眼底间距0.3 m。直、斜炮孔布置如图3所示。

图2 有限元网格模型Fig.2 Finite element mesh model

图3 炮孔布置有限元模型Fig.3 Hole layout finite element model

1.3 材料模型及参数确定

模型计算域内包括输围岩、空气、炸药。其中炸药为2#岩石乳化炸药，隧道围岩为中等风化砂岩。根据所依托工程设计资料及相关规范选取岩土体物理参数，如表1所示，结合岩体特性及其在爆炸过程中的受力状态，数值模型中围岩选用能反应岩体塑性变形特征的MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料本构。炸药采用JWL状态方程来模拟炸药爆轰过程中压力和比容的关系，即

式中：A，B，R1，R2，ω为材料常数；P为压力；V为相对体积；E0为初始比内能，炸药材料的主要输入参数见表2。

表1 围岩物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock

表2 炸药参数Tab.2 Properties of explosive

1.4 网格划分及边界设定

模型中三种材料均采用Soild164单元划分，其中围岩采用Lagrange单元算法，空气和炸药采用ale单元算法。单元总数为1 129 660，围岩单元数为953 660，空气单元数为175 712个，炸药单元数为288个，节点总数为1 158 187个，单元基本尺寸为0.2 m，炸药处的单元尺寸为0.005 m。通过*CONTROL_ALE来控制流固耦合时的相关设置，通过*CONTROL_TERNIMITION设定求解时间为0.03 s，通过*control_timestep的默认参数来设定时间步长，设定围岩四周为无反射边界条件，对岩层6个面定义成一个segment，并通过*boundary_non_reflection来定义围岩为无反射边界条件。

2 有限元计算结果分析

2.1 实测振动与模拟振动波形对比

采用六孔直孔延时起爆进行爆破试验测试，即采用图2(b)所示爆破模型，测量隧道正上方防护通道右侧5 m处(如图5中P2点)的三向振动速度，将垂直，水平速度传感器用调和的石膏粉固定在测点上进行测量，爆破后到测点取回自记仪，用计算机TOPVIEW2000对信号分析处理，调整仿真与试验坐标系为一致；图4分别为测量点P2的X，Y，Z方向的振动速度，其中曲线A为仿真数值，曲线B为试验数值(其中X向为沿隧道方向，Y为竖直方向振动速度，Z向为沿防护道方向)。

由图4可以看出，P2点仿真数值与实测振动数据比较接近，数值计算得到的波形与实测掏槽段波形基本相同，仅在峰值到达时间及初始振动的形态上存在差异。前者是因实测振动采集时需设置一定的预出发时间及地质模型的简化所造成的；后者是由于模拟得到波形为纵波和横波的综合体现，使得其初始振动阶段不存在实测曲线所出现的小幅振动，对于竖直方向的振动速度吻合较好，这表明采用简化后的隧道爆破对防护道的影响进行仿真研究是可行的，对实际爆破具有指导意义。从图4数据可以看出，测点竖直方向振动速度最大，其次沿防护道方向，沿隧道方向振动速度最小。测点最大振动速度为17.5 cm/s，发生在5 ms时刻，此时振动主要是由第一个炮孔起爆所致，从波形可以看出，延时起爆波形叠加并不明显，炮孔起爆后约5 ms时间传至测点，可以看出振动速度曲线有6个明显的波峰值，分别是6个炮孔延时爆破导致。

图4 P2点实测与仿真各向振动速度对比曲线Fig.4 Vibration velocity waveform curve of P2 point measured and simulated

2.2 不同爆破方式下的P1位置振动速度对比分析

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)和其他类似工程经验，爆破过程中产生的振动速度越小越安全，振动速度大于规定范围要从爆破方式以及药量等进行相关控制，本文主要研究不同爆破方式下对人工防护通道振动速度的影响，人工防护道距离炸药最近的点速度最大，因此提取隧道掌子面正上方的人工防护道的点(图5所示P1点)以及试验测量的点，即距离P1点5 m处的点(图5所示P2点)进行爆破振动回应曲线对比分析。

图6和图7分别为P1点竖直、沿防护通道及隧道方向在三种不同爆破方式下的速度、加速度时程曲线，由时程曲线可看出直孔时起爆在5 ms左右出现爆破峰值之后爆破速度和加速度逐渐衰减，衰减时间约为15～20 ms左右，斜孔延时起爆分析时间为50 ms，可看出最后一个炮孔爆破后波形逐渐衰减的过程，在50 ms时振动速度和加速度基本衰减趋于0。

图5 提取点示意图Fig.5 Schematic diagram of extraction point

图6 P1点各向振动速度时程曲线Fig.6 Vibration velocity time history curve of point P1 in different explosion situation

图7 P1点各向振动加速度时程曲线Fig.7 Vibration acceleration time history curve of point P1 in each direction表3 不同爆破方式在P1点速度和加速度峰值Tab.3 PPV of velocity and acceleration at point P1 in different explosion situation

项目起爆方式隧道方向竖直方向防护道方向正值负值正值负值正值负值合直孔延时起爆23.916.833.846.19.98.7747速度/(cm·s-1)直孔同时起爆38.945.482.174.51.441.3783斜孔延时起爆18.321.6736.149.17.328.4549.5直孔延时起爆782.5940.83 183.32 767.3771.7732.33 209.3加速度/(m·s-2)直孔同时起爆1 099.7834.42 998.15 096.583.873.65 100斜孔延时起爆1 067.4989.43 157.93 224.9378.7368.43 237.8

由图6(a)和图7(a)可以看出，竖直方向直孔同时爆破峰值最大，直孔延时爆破和斜孔延时起爆峰值相差不大，但是斜孔引起的振动时间大于直孔；图6(b)和图7(b)为沿防护通道方向，直孔延时起爆振速动速度和加速度最大，直孔同时起爆振动速度和加度最小，由于炮孔沿着正上方轴线对称布置，同时起爆沿水平方向有相互抵消的作用；图6(c)和图7(c)为沿隧道方向，直孔同时起爆振动速度和加速度最大，直孔延时起爆振动速度和加速度大于斜孔延时起爆，此时直孔同时起爆沿着隧道方向起到叠加增加的作用；由图6(d)和图7(d)可以看出，直孔同时起爆引起的振动速度和加速度最大，直孔延时起爆和斜孔延时起爆振动速度和加速度峰值相差不大，但是斜孔延时起爆引起的振动时间要长。

由表3可以看出，在隧道正上方P1点在不同爆破方式下，直孔延时起爆和斜孔延时起爆振动速度和加速度基本相同，直孔同时起爆是直孔延时起爆振动速度的1.76倍、振动加速度的1.58倍。

2.3 不同爆破方式下的P2位置振动速度对比分析

图8和图9分别为P2点竖直方向，沿防护通道方向，沿隧道方向以及合速度，加速度在三种不同爆破方式下的速度和加速度时程曲线，由图可以看出，在P2点不同爆破方式振动回应差别较大，直孔同时起爆引起的振动回应明显大于延时起爆，直孔延时起爆引起的速度和加速度振动回应也要大于斜孔延时起爆。

由根据表4可以看出P2点位置的直孔同时起爆振动最大，斜孔延时起爆振动最小，直孔延时起爆是斜孔延时起爆振动速度的2.64倍，振动加速度的4.7倍，直孔同时起爆是斜孔延时起爆振动速度的4.55倍、振动加速度的7.2倍。

图8 P2点各向振动速度时程曲线Fig.8 Velocity time history curves of point P2

图9 P2点各向振动加速度时程曲线Fig.8 Vibration acceleration time history curve of point P2 in each direction表4 不同爆破方式在P2点速度和加速度峰值Tab.4 PPV of velocity and acceleration at point P2 in different explosion situation

项目起爆方式隧道方向竖直方向防护道方向正值负值正值负值正值负值合直孔延时起爆117.8211.817.912.117.724.79速度/(cm·s-1)直孔同时起爆15.916.324.228.923.631.742.77斜孔延时起爆4.623.944.666.75.176.529.4直孔延时起爆235.8295987.9907.8884.7862.61 274加速度/(m·s-2)直孔同时起爆3202681 3811 3071 488.71 243.71 955斜孔延时起爆77102193202.6180.9208270.5

3 新型起爆方式与爆破参数优化

综上所述，对于三种不同爆破方式，斜孔延时起爆在三种爆破方式下优势较为明显，特别对于非正上方处的位置的振动速度和振动加速度要明显小于其他两种方式，满足《爆破安全规程》6722-2014要求的10 cm/s的安全允许振速。针对石景山铁路隧道近距离下穿人防通道的工程实际，取消了常规的多段位微差同时起爆的爆破方案，优化了起爆方式和爆破参数，得出最优的爆破方式是在距离人防通道水平5 m以外位置处隧道上台阶爆破掏槽孔采用逐孔直孔延时起爆方式进行开挖施工，5 m以内上台阶掏槽孔采用逐孔斜孔延时起爆方式进行开挖，这样会有效控制爆破产生动力响应值。掏槽孔优化后爆破参数如表5所示，优化前常规多段位微差同时掏槽方式如图10所示，优化后新型逐孔延时掏槽爆破技术图，如图11所示。

表5 硬岩掏槽孔优化前后爆破试验参数Tab.5 Hard rock cuthole before and after the optimization of blasting parameters

图10 常规三级斜眼多段位同时掏槽技术Fig.10 Traditional three-degree simultaneous cutting technique of more fragments

图11 优化后新型逐孔延时掏槽技术Fig.11 Optimized of a new type of cuthole technology

由表5试验结果可知，下穿隧道循环进尺都在3.0～3.1 m，在这种情况下应用新型逐孔延时引爆方式，其装药量、炸药单耗量较常规期间减少了三分之二，上台阶掏槽炮孔数由常规的18个减少至试验时的14个，而且一次起爆基本没有出现拉炮现象，取得了较好的爆破效果。由于新型逐孔延时引爆方式各炮孔先后延时起爆，在防护通道底板面引起的弹性应力波相互干扰而抵消，再则延时引爆方式引起的岩体振动速度和振动加速度最小，从而使爆破振动回应危害大大降低。应用新型逐孔延时掏槽方式后，安全系数大大增加，加快了施工进度，同时节省了大量时间和材料成本。较常规斜眼多段位同时引爆方式的循环进尺有明显减振及节能优势。由图10与图11对比可知，常规掏槽孔爆破方式分三级微差单段位同时进行引爆，经历3次起爆过程，起爆所需炸药量较大，炸药产生的应力波迅速释放，每个炮孔的能量无法得到充分发挥，对岩体产生的爆速瞬间较大。而新型逐孔延时掏槽方式的每个炮孔是相互独立，先后经过9次起爆，炮孔的延时间隔均为2.27 ms,起爆所需炸药量较小，先爆炸孔为后爆破孔创造更多的自由面，后爆炮孔在岩石中产生应力与先爆炮孔的残余应力相互叠加而抵消，增加了岩体的拉伸破坏次数，可避免爆破应力波迅速衰减，减振效果较好，从而充分发挥每个孔的炸药能量强化对岩体的破坏效果。图11中设计了4个φ102大空孔和1个φ90装药孔，将4大空孔呈正方形排列，大空孔设计可为爆破的破碎岩体提供更充分的扩容体积，使掏槽方案炮孔利用率仍然保持90%以上，单面积炮眼数比常规减少了4个，但爆破效果优于图10中的常规引爆方式，取得了令人满意的效果。

4 结 论

(1)利用Hypermesh14.0联合ANSYS LS-DYNA软件建立隧道掏槽爆破以及防护通道的有限元模型，采用流固耦合的方法进行模拟，并对比三种不同炸药布置方式；通过对直孔延时起爆进行试验验证，通过试验和仿真结果对比可以看出，试验与仿真数值趋势基本一致，且竖直方向最大振动速度误差小于10%，表明仿真结果的可靠性；

(2)不同爆破方式波形衰减时间均在15～20 ms左右，在隧道正上方位置直孔同时起爆可以抵消在对称中心沿防护道方向的振动回应，但是其在其他方向的叠加效应要远远大于其他两种爆破方式。

(3)通过研究三种不同爆破方式在P1点峰值发现直孔延时起爆和斜孔延时起爆振动速度和加速度基本相同；在P2点的峰值可以发现，斜孔延时起爆可以大大降低非对称中心的振动回应，直孔延时起爆较同时起爆峰值也要降低不少，因此在施工过程中建议采用斜孔延时起爆来降低隧道爆破对防护道的振动回应，为铁路隧道下穿既有结构物的支护结构设计、爆破参数及开挖方法设计、隧道规范的修订、提供了有利依据。

(4)笔者针对工程的实际设计了逐孔直孔(斜孔)延时起爆方式，并依据数值模拟及掏槽孔爆破试验得出，铁路隧道近距离下穿人防通道最优的爆破方式是在距离人防通道水平5 m以外位置处隧道上台阶爆破掏槽孔采用逐孔直孔延时起爆方式进行开挖施工，5 m以内上台阶掏槽孔采用逐孔斜孔延时起爆方式进行开挖，其装药量、炸药单耗量较常规期间减少了三分之二，上台阶炮孔数较常规的掏槽孔减少了4个，但安全系数大大增加，加快了施工进度，掏槽孔爆破产生动力响应值降低至最小，取得了较好的爆破效果。

(5)建议起爆的中心φ90炮孔应比其他φ45炮孔超深10～15 cm，这样会对槽底部的岩体有一定加强作用，更重要的是它对槽腔内的破碎岩体被快速抛出有极大的帮助，并为下一段爆破创造更好的临空面。掏槽孔起爆雷管选用LP高精度非电导爆管雷管，一律改装高爆速、高威力水胶炸药，乳化炸药只用于周边炮眼光面爆破。掏槽眼偏斜过大甚至打穿时，爆破进尺将会显著减小，掏槽眼的钻凿精度应严格控制。