TBM导洞扩挖法爆破减振效果模拟研究★

游龙飞 张晓强

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063; 2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着我国基础设施建设步伐的加快、设计理念的转变及技术装备水平的提高，以钻爆法、TBM法、盾构法为代表的许多长大隧道掘进方法已得到广泛运用[1,2]。

为了充分发挥TBM法和钻爆法的优势，许多专家学者对“TBM法导洞+扩挖”法(即采用TBM法开挖导洞，然后采用钻爆法扩挖的方法)进行了深入研究，并把这种方法广泛应用于隧道设计、施工中。李围等[3]以广州地铁3号线林和西路站为工程对象，重点研究了扩挖施工的可行性、地表沉降和地中位移规律，并提出了相应的围岩加固处理措施。刘晓梁[4]利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立三维模型，研究了隧道爆破施工引起地表高层框架结构的动力响应规律。王文韬[5]以实际爆破工程为依托，利用MIDAS-GTS模拟分析高层框架结构在爆破振动作用下的动力响应，并重点探讨了隧道埋深、岩土参数对结构动力响应的影响。本文基于ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件，分别对上、下台阶爆破开挖法以及导洞扩挖法对已开挖地段建筑和未开挖地段建筑的结构动力响应特征进行了数值模拟研究，综合对比了三种开挖方法对紧邻建筑物的减震效果，为大长隧道施工的减震措施提供理论参考。

1 计算模型及参数

1.1 工程概况

青岛第二海底隧道穿越胶州湾，全长15.8 km，双向六车道标准，设计车速80 km/h。本工程施工难点为黄岛侧沿着刘公岛路下方敷设的隧道，道路两侧多为5层～7层住宅楼。

1.2 模型及基本参数

模型材料由岩石、炸药、堵塞、房屋建筑和空气5个部分组成，均选用实体单元Solid164进行网格划分。其中岩石采用拉格朗日网格建模，炸药和空气两种材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法。

根据爆破设计方案，分别选取上下台阶最大单段药量段作为研究工况，上下台阶均以最外围辅助孔作为研究工况。模型孔深为3 m，炮孔直径为47 mm，装药直径为32 mm，装药深度为2.5 m，堵塞0.5 m，装药使用2号岩石乳化炸药。辅助孔采用连续装药结构，起爆位置设置在炸药中心处。根据隧道埋设路线地表重点保护小高层建筑物位置，隧道埋深30 m，上覆围岩取至地表30 m，下覆围岩边界取为3倍洞高，基于工程经验，爆破对3倍～5倍洞径区域影响较为明显，故取模型宽度为90 m，模型沿隧道进尺方向取63 m，模型中已开挖隧道填充为空气。导洞扩挖法模型基于台阶法模型尺寸及材料参数相同条件，并结合优化方案中导洞尺寸和导洞位置，本方案导洞直径为4.5 m，导洞圆心位于隧道竖直对称轴上，导洞圆心距离拱顶4.85 m。地表小高层三维尺寸X×Y×Z为15 m×20 m×30 m。模型图如图1～图3所示，炮孔个数及装药量如表1所示。模型采用自带LS-DYNA Solver进行求解运算，使用LS-PREPOST软件进行后处理。数值模拟中所有参数均统一使用cm-g-μs单位制。

表1 三种工况爆破装药参数

工况炮孔数/个总药量/kg上台阶开挖1734下台阶开挖2346TBM导洞扩挖3276.8

1.3 材料模型

本文岩石及堵塞采用LS-DYNA提供的MAT_PLASTIC_KINEMATIC来模拟，此模型考虑了岩石介质的弹塑性特性。

为定义2号岩石乳化炸药材料模型，采用LS-DYNA手册中提供的高能炸药材料关键字MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL状态方程来描述炸药爆轰产生的压力。空气材料状态方程采用*EOS LINEAR POLYNOMIAL。重点保护、监测对象——地上小高层的材料物理力学参数如表2所示。

表2 房屋建筑材料参数

2 数值模拟及分析

由于地表建筑在沿隧道走向方向峰值合成振动速度均大于其垂直方向的峰值合成振动速度，表明在爆破振动作用下，地表建筑在隧道走向方向结构易发生破坏。因此，为研究爆破振动下，地表小高层建筑振动速度分布规律，在上台阶、下台阶和导洞扩挖法三种模拟工况下选取隧道走向方向建筑近爆源侧进行监测点布置，测点沿隧道掘进方向依次编号为A～K号，监测测点位置示意图如图4所示，其中A～F为已开挖段监测点，G～K为未开挖段监测点。为节省篇幅，仅以上台阶数值模型计算结果为例，监测点的振动速度时程曲线见图5。

由图5可知，爆破振动速度总体上随着时间呈衰减趋势。根据已开挖段和未开挖段地表建筑物监测点合成峰值速度和监测点与爆源之间的水平距离统计关系，可得图6。由图6可知，距起爆点水平距离均为1.5 m处的未开挖段建筑物监测点的峰值合成振动速度比已开挖段测点要大6.68%，这可能是因为爆炸应力波传至隧道已开挖空气介质而产生空气压力，出现了减震效应，而随着与爆源水平距离的增加，未开挖段峰值振动速度和已开挖段之间的差距逐渐减小，当距爆源水平距离为13.5 m时，此时未开挖段和已开挖段峰值合成振动速度基本相等，表明在本工程中当距离起爆点水平距离增大到13.5 m及以上时已开挖段的爆破减震效应逐渐消失。

用相同方法获得下台阶爆破开挖法和导洞扩挖法的监测点A～K的峰值合成振动速度如表3所示。

表3 三种工况沿隧道爆破开挖方向建筑物测点峰值合成振动速度 cm/s

由表3建筑物测点峰值合成振动速度分布可绘制图7。由图7可以看出，导洞扩挖法爆破开挖引起建筑物质点合成峰值振动速度明显小于上台阶，略高于下台阶。由表3可知，对比分析导洞扩挖法与上台阶爆破振动效应，可计算各监测点峰值合成振动速度相对误差，从测点A到测点K，导洞扩挖法较上台阶法可以降低峰值合成振动速度分别为：20.65%，20.82%，23.80%，24.50%，29.90%，31.51%，30.26%，30.24%，30.81%，24.87%，19.35%，在装药量提高了125.88%的情况下峰值合成振动速度平均降低26.06%，相比于上台阶法，导洞扩挖法因增加了爆破自由面，呈现出良好的减震效果。而导洞扩挖法的用药量相比下台阶爆破开挖法增加了66.96%，而平均峰值振速仅提高了4.73%。因此，综合来看，导洞扩挖法的减震效果最佳。

3 结语

1)从模拟结果中可以看出，三种开挖方法在起爆的初始时刻应力值即达到峰值，后呈衰减，距起爆点水平距离均为1.5 m处的未开挖段建筑物监测点的峰值合成振动速度比已开挖段测点要大，当距离起爆点水平距离增大到13.5 m及以上时已开挖段的爆破减震效应逐渐消失；

2)在装药量提高了125.88%的情况下导洞扩挖法爆破开挖相比上台阶开挖法引起建筑物测点峰值合成振动速度平均降低26.06%，装药量相比下台阶开挖法提高66.96%的情况下，峰值振速仅高出下台阶开挖法4.73%，TBM导洞扩挖法减震效果最佳；

3)TBM导洞扩挖法能有效的降低爆破振动，减小对紧邻建(构)筑物的影响，在其他类似的工程项目中可采用导洞扩挖法以达到降低炸药用量，提升爆破效果的作用。