城市浅埋小净距隧道爆破振动响应及现场监测分析

徐世祥 韦汉 于建新 王帅帅 代义昌

摘  要：以福州轨道交通2号线洋里站南端区间隧道为工程背景，当右线隧道开挖至50m，左线隧道开挖至25m时，通过有限元分析软件Ls-dyna建立三维隧道计算模型，分析左线隧道爆破开挖对右线隧道的影响，并结合现场监测数据进行验证。结果表明：当最大齐发药量为2kg，左线隧道爆破开挖对右线隧道产生的最大拉应力为1.28MPa，最大压应力为2.73MPa，最大压应力滞后于最大拉应力产生;右线迎爆侧拱腰部位处的最大振速值为33.0cm/s，对右线隧道造成的影响较大;现场爆破振动监测结果与模拟结果比较接近，距离爆源最近的振动监测点各方向振速最大，监测点振速随掌子面距离逐渐减小。

关键词：小净距  爆破施工  衬砌应力  振速  数值模拟

中图分类号：U455   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（b）-0039-05

Abstract： Taking the tunnel at the southern end of Yangli Station of Fuzhou Rail Transit Line 2 as the engineering background， when the right tunnel is excavated to 50m and the left tunnel is excavated to 25m， the three-dimensional tunnel calculation model is established by the finite element analysis software Ls-dyna. The impact of the blasting excavation of the left-line tunnel on the right-line tunnel is verified with the on-site monitoring data. The results show that when the maximum flushing dose is 2kg， the maximum tensile stress generated by the blasting excavation of the left-line tunnel to the right-line tunnel is 1.28MPa， the maximum compressive stress is 2.73MPa， and the maximum compressive stress lags behind the maximum tensile stress; The maximum vibration velocity at the side of the side arch is 33.0cm/s， which has a great impact on the right-line tunnel. The results of the on-site blasting vibration monitoring are close to the simulation results， and the vibration monitoring points near the source are vibrated in all directions. The speed is the largest， and the vibration speed of the monitoring point gradually decreases with the distance of the face.

Key Words： Small clearance; Blasting construction; Lining stress; Vibration velocity; Numerical simulation

小凈距隧道是在特定地形条件下修建隧道的理想选择之一，其优点明显，在隧道建设中发挥了积极作用。目前我国小净距隧道施工大多采用的是钻爆法施工，当间距过小时，爆破开挖会对先建隧道造成一定的扰动，影响已建隧道结构的安全[1]。因此，小净距隧道后建隧道对先建隧道之间相互影响问题的研究就显得尤为重要。鉴于数值模拟分析独特的优势，国内外学者采用数值模拟和现场监控量测等手段对小净距隧道合理净距、隧道爆破振动响应分析、施工方法优化、安全爆破控制方法等进行了大量的研究工作[2-14]，取得了一定的研究成果，但目前总体还缺乏较为系统的结构设计和施工等经验。

福州轨道交通2号线工程矿山法段两隧道为小净距隧道，埋深浅，地层复杂，区间隧道下穿和侧穿福马路、涵洞、古藏万一禅师简易房、乾达婆王庙、福马路路堤下民房等多处建构筑物，距离均在20m以内，安全风险极大，如何将振动控制在有效范围内，保证近邻既有结构、设施和左右洞的安全，优化施工组织，实现安全快速施工，是该工程亟需解决的工程技术和现实难题。因此，开展该工程相关关键技术研究具有重要的现实意义和广阔应用前景。该文结合福州2号线十标矿山法段隧道工程，利用 ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件，主要针对后行修建隧道爆破开挖对先行修建隧道结构的影响进行了分析，得出的结论对现场施工具有一定的指导意义。

1  工程概况

福州轨道交通2号线工程洋里站南端矿山法段，隧道左线长71.934m，隧道右线长73.251m。两隧道净距仅1.6～3.5m，属小净距隧道，双洞爆破施工时相互影响程度较高。隧道覆土厚度约9.0～11.2m，相对较浅，围岩级别为Ⅵ～Ⅴ，又存在软弱土岩交界面。区间隧道下穿和侧穿多处建（构）筑物，隧道距离既有建（构）筑物最近处仅4.7m。

福州地铁2号线十标段隧道开挖方式主要采用钻爆法，软弱围岩段也可采用机械开挖或人工开挖。开挖方法根据围岩级别和隧道埋深情况分别采用全断面开挖法、上下台阶法施工。施工时应该严格控制每循环开挖进尺的长度，一般进尺不得大于3m，采用上下台阶法开挖施工，其中上台阶最大齐发药量为2kg（掏槽1段、周边13及15段），下台阶最大齐发药量为2kg（7段及11段）。

2  有限元模型的建立

2.1 计算工况说明

隧道右线为先行隧道，当右线隧道开挖至50m时，左线隧道开挖至25m，两隧洞相对位置如图1所示。

根据断面及图解法进行布孔，洞口断面图见图2，上台阶炮孔布置图所图3和表1所示，分析可知，掏槽1段为最大齐发段，且其临空面少，岩石的夹制作用比较大，其产生的振动影响最大，单段最大药量为2.0kg，故数值模型重点关注掏槽1段对右线隧道影响。为简化数值模拟分析的复杂性，将多孔掏槽简化为单孔掏槽模拟，但掏槽总药量不变。

2.2 模型尺寸及边界条件

隧道开挖轮廓水平最大开挖宽度7.1m，高8.4m，隧道断面为五心圆断面。为减少模型边界反射作用的影响，模型左右边界各取断面的两倍宽度，下边界为模型的一倍高度，上表面距离为实际地面至隧道拱顶距离，炮孔掌子面为实际开挖断面，即隧道埋深9.0m，右洞已先行开挖50m，左洞上台阶开挖25m，下台阶开挖20m，模型尺寸约为42200mm×50000mm×25400mm。上表面取自由边界，其他表面设为无反射边界。实体模型见图4以及划分网格如图5所示，其中网格划分约为82万个单元。

2.3 材料参数的选取

该模型中炸药、混凝土衬砌和岩石均采用Langrange单元，共节点算法。炸药选用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及*EOS_JWL状态方程，衬砌采用MAT_ELASTIC，岩石采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。炸药材料参数如表2所示，衬砌及岩石参数如表3所示。

3  计算结果及分析

3.1 衬砌单元应力分析

重点分析了爆炸开始后衬砌不同时刻的应力云图，从图6可以看出，1.2ms时衬砌拉应力达到最大值为1.28MPa，最大拉應力发生在靠近左线拱腰部位。随后最大拉应力逐渐减小，且最大拉应力逐渐向拱肩拱顶移动，但值得说明的是，最大拉应力在减小的过程中出现上下波动的趋势。最大压应力和最大拉应力不是发生在同一时刻，最大压应力滞后于最大拉应力，其最大值为2.73MPa，同样发生在靠近左线拱腰部位。

3.2 右线隧道测点振速分析

由于实际监测点位于下台阶半拱腰处，为对比监测数据，在右线隧道对应开挖掌子面前后沿纵向选下台阶拱腰取5个测点进行分析，测点相对位置关系如图7所示。

各测点各个方向振速图如图8至图10所示。分析可知，各向最大振速并不是发生在同一时刻，但各项最大振速发生在同一个测点上。径向、切向和纵向最大振速分别为33.0cm/s、21.0cm/s、32.0cm/s，其中径向振速最大，纵向振速次之，切向振速较小。各向振速出现最大值之后呈衰减趋势，由于只研究掏槽孔的爆破，所以振速图并未出现振速叠加的现象。对于同一方向振速，离爆源最近的测点振速最大，沿着前后两侧振速最大值逐渐衰减，可见振速的传播符合萨道夫斯基公式的传播规律。

4  现场监测分析

4.1 监测方案

为了真实反映后行隧道爆破施工对先行隧道的影响程度，同时验证数值模拟的可靠性，主要监测先行隧道迎爆侧振速及混凝土初衬应变，振动测试测点按5m间距依次布置在先行隧道迎爆侧隧道拱腰上，振动测点布置如图11所示，测点现场布置如图12所示。

衬砌应力测试点布置在振动测试点旁，测点编号与振动测点编号一致，应力测试数据采集系统采用江苏东华测试技术股份有限公司的高性能动态信号分析系统DH8302，如图13、图14所示。

4.2 振动现场监测分析

隧道右线先行开挖50m，左线上台阶开挖25m，下台阶开挖20m时进行左线爆破施工，得到右线隧道迎爆侧拱腰上振动监测数据，振动监测结果见表4。

监测结果表明，爆破振动监测结果与模拟结果比较接近，距离爆源最近的振动监测点各方向振动速度最大，监测点振速随掌子面距离逐渐减小，掌子面后方振速衰减比掌子面前方要快。

4.3 衬砌应力分析

左线隧道爆破施工得到右线隧道迎爆侧拱腰附近衬砌应力峰值见表5。

结果表明，应力测试结果与模拟结果比较接近，距离爆源最近的测试点应力最大，最大拉、压应力随掌子面距离逐渐减小。

5  结论

该文分别对右线隧道衬砌的应力和右线隧道振速进行分析，并结合现场实测数据对比分析，评价左线爆破开挖对右线隧道的影响。

（1）爆破开始后1.2ms时刻对右线隧道产生的拉应力最大，最大拉应力为1.28MPa，最大压应力滞后于最大拉应力，其最大值为2.73MPa，初衬混凝土的抗拉强度比较低，该范围将可能产生隧道既有初衬结构受拉破坏，故最大齐发药量应小于2kg为宜。

（2）右线迎爆侧对应开挖掌子面处的最大振速值为33.0cm/s，对先行隧道影响较大，应减少药量或减小一次开挖进尺，并加强监测。

（3）现场监测结果与模拟结果比较接近，距离爆源最近的测点应力最大、振动监测点各方向振动速度最大，最大应力以及监测点振速随掌子面距离逐渐减小。

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