频繁爆破条件下既有隧道支护结构动态响应研究

李红泽

（中铁十九局集团工程检测有限公司 辽宁辽阳 111000）

1 引言

受地形地貌、线路选线、交通量趋于饱和等因素制约，越来越多的新建隧道施工邻近既有隧道或其他结构物［1－4］。新建隧道的爆破开挖不可避免地改变邻近既有隧道围岩及支护结构的应力状态、受力模式，甚至是薄弱支护结构的完整性和受力平衡，造成既有隧道承载能力降低、二衬脱落，乃至坍塌等不利影响［5－6］。尤其是邻近既有隧道采用多导洞分步开挖的大断面隧道，推进式、往复、多次的频繁爆破中，爆炸荷载造成既有隧道的这种负面效应更为显著。为确保邻近隧道支护体系的安全稳定，必须采取有效措施减少上述负面效应产生的不利影响。新建大断面隧道爆破导致邻近既有隧道的振动效应及评价是一个重要课题。文献［7］研究了导流洞爆破引起的振动对邻近铁路隧道的影响，揭示了爆破振动与药量、爆炸源的关系，优化了导流洞的爆破参数。文献［8］通过现场监测和数值模拟研究了爆破振动对邻近隧道的影响，揭示了衬砌的振动速度，并基于爆炸位置、隧道深度和炸药量的参数研究，提出了爆破防护区的指导原则。文献［9］提出小净距隧道先行洞迎爆侧振速值明显大于背爆侧振速值，小净距隧道先行洞迎爆侧拱腰部位和洞口方向均出现爆破振速极大值，爆破振速衰减速度与隧道围岩的特性有显著关系。文献［10］和［11］发现垂直峰值振动速度比两个水平方向的振动速度大，且隧道顶部和底部为主要承受动拉应力的部位，建议通过分析支护结构的动应力来控制爆破，确保既有隧道支护结构的安全。文献［12］结合锦屏一级水电站左岸隧洞爆破效果，研究了爆破振动对不同围岩类型、隧道间距、炸药量的既有隧道围岩及衬砌结构的影响。

上述研究大多集中于新建隧道与邻近既有隧道相互作用的静态稳定性评估，而新建隧道爆破开挖对邻近既有隧道二衬和围岩的动态响应特征研究较少。此外，多数监测和数值分析都集中在衬砌支护系统振动速度上，而忽略了对相邻既有隧道围岩的破坏。本研究以保和村隧道为背景，通过现场监测和数值模拟，研究新建隧道爆破开挖时邻近既有隧道二衬和围岩的动态响应特征。

2 保和村隧道概况

保和村隧道属新建铁路叙永至毕节线工程，全长1483 m，穿越地段属溶蚀侵蚀中低山谷地貌，地形起伏较大，植被茂盛。隧道围岩为三叠系中统关岭组三段白云岩、泥质白云岩及泥质灰岩，岩溶中度发育。其中，洞口段Ⅴ级围岩为侏罗系泥岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，节理裂隙水渗出。既有毕节隧道修建于2016年，属成贵高铁隧道。两条隧道中线间距为50 m。

新建隧道设计采用新奥法、复合衬砌结构。Ⅴ级围岩采用双侧壁导洞法开挖，Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩采用中隔壁十字交叉法开挖。过程中，随着右上Ⅰ导洞、右下Ⅲ导洞的开挖以及推进式爆破次数的增加，既有隧道迎爆侧二衬裂缝加固的封堵材料逐渐脱落，并且沿裂缝缓慢渗水。

上述病害表明新建隧道施工对相邻既有隧道的支护结构产生了显著不利影响。二衬封堵材料脱落表明二衬结构承受较大拉应力；地下水渗出表明既有隧道围岩发生损伤，形成大量贯穿裂隙。

3 既有隧道的动态响应特征

（1）二衬振动速度监测

CRD法开挖时，4个导洞交替爆破掘进，施工过程呈现推进式、往复、频繁爆破的特点，近接既有隧道的任意断面遭受两次由远到近再到远的爆炸荷载。

为监测既有隧道衬砌的动力响应，选取既有隧道桩号为YK459＋786作为监测断面。监测断面上布设8个振动监测点，分别在拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚和线路中心。监测点布设见图1。

图1 断面YK459+786监测点埋设断面（单位：m）

在Ⅰ、Ⅲ导洞开挖过程中（桩号YK459＋773～YK459＋800），爆破振动速度监测结果见图2。

图2 爆破振动速度

图2监测结果表明，最大爆破振动发生在掌子面和监测断面平齐时，第Ⅰ导洞和第Ⅲ导洞通过监测断面时，其最大振动速度分别为33.85 cm/s和34.79 cm/s，第Ⅲ导洞爆破导致的振动较Ⅰ导洞大。左拱肩处监测的爆破振动作用规律与左拱腰相同，但Ⅰ导洞爆破导致的振动较Ⅲ导洞大。当Ⅰ、Ⅲ导洞掌子面与监测断面齐平时，既有隧道测点记录的振动速度见图3。

图3 既有隧道周围振动速度包络图

如图3所示，既有隧道内迎爆侧振动要大于背爆侧。当Ⅰ导洞爆破时，拱肩上振动最大，拱腰次之。拱肩处记录的最大振动发生在掏槽孔爆炸时。Ⅲ导洞爆破时，拱腰上的振动最大，拱肩次之。拱腰处记录的最大振动发生在周边孔爆炸时。因此，在新建隧道施工过程中，近接既有隧道迎爆侧拱肩到拱腰部位振动最强烈、最危险，其振动速度应严格加以控制。

（2）围岩损伤监测

针对既有隧道围岩损伤进行研究，开展爆破前后现场围岩声波波速监测。声波监测孔由既有隧道迎爆侧拱肩向新建隧道延伸，钻孔深度为3.0 m，孔径50 mm，下倾10°。以孔口为测量基准，支护结构（初喷混凝土和二衬）与围岩交界面在0.4 m处，孔底在3.0 m处。

Ⅰ、Ⅲ导洞在里程YK459＋773～YK459＋800之间的每一次爆破均开展声波波速监测，每10 cm采样一次，每次采样位置一致。监测结果见图4。

图4 每次爆破后声波波速监测结果

由图4可知，0.4～0.8 m范围内没有采集到声波波速，这是由于此段岩体紧靠既有隧道的开挖轮廓线，受既有隧道爆破影响，岩体强烈损伤已呈破碎状，导致声波快速衰减无法穿透，此范围为损伤带Ⅰ；0.8～1.6 m范围内岩体的声波波速随爆破次数的增加而下降，此范围为损伤带Ⅱ。其中，断面Ⅰ775、Ⅲ785爆破时岩体声波波速降幅最大，表明此时岩体发生显著损伤，既有隧道围岩损伤主要是相同断面处Ⅰ、Ⅲ导洞爆破造成。1.6 m以外声波波速变化较小，围岩损伤微弱，基本保持原状。由此可见，已经发生损伤的既有隧道围岩，受邻近大断面隧道的频繁爆破影响，其损伤范围扩大，损伤程度进一步恶化。

4 数值计算及分析

基于爆破振动监测结果，在研究近接既有隧道的振动规律和最大动应力时，为简化分析和计算过程，仅考虑导致最大振动的爆炸事件，即Ⅰ导洞的掏槽孔和Ⅲ导洞的周边孔爆炸。

爆炸冲击波呈球状传播，是三维空间的冲击载荷。但由于爆破频繁、计算复杂，进行精确地三维建模也就非常复杂。因此，本文采用了考虑三维效应和最大振动的二维建模方法，重点研究爆炸载荷的三维冲击模型。

4.1 爆炸荷载

由于爆炸能量其大部分是通过爆生气体产生裂缝而耗散，只有小部分爆炸能量以弹性波的形式向周围岩体传播。为确定数值分析所需的输入爆炸载荷，采用爆压修正，其爆压方程和动压力修正方式为：

式中，Pd为爆压；ρ为密度（g/cm3）；De为爆速（m/s）；PD为非耦合爆轰压力时间序列；PB为耦合爆轰压力时间序列；dc为装药直径（mm）；dh为炮孔直径（mm）；B为经验荷载系数（取16.338）；t为时间（s）。

文献［8］和［13］研究发现5%～50%的爆炸能量穿过岩体散失，因此，改变爆压需要考虑能量损失。为了在二维中表示三维现象，还需要计算二维中的等效荷载。假设当量载荷与爆压成正比，只需对爆压乘以折减系数即可。因此，爆轰压力的弹性部分，即等效二维爆炸动压力为：

式中，α为考虑能量耗散和几何等效性的组合折减系数。α理论上无法确定，本研究通过现场试验得出。假设乳化炸药比重为1.4 g/cm3，速度为5 500 m/s。评价的最大爆炸压力为50.1 MPa，持续时间为0.001 s。

4.2 计算结果

本研究的重点是邻近既有隧道的最大振动效应，因此，计算中只考虑引起最大振动的爆破。导洞Ⅰ装药量为4.0 kg时，对既有隧道同一断面上拱肩的振动时程曲线，在不同的折减系数下进行模拟试验的数值分析。当采用折减系数0.62时，数值模拟的最大振动速度与监测记录相同，可以很好地模拟实际的爆轰过程。

（1）振动速度

应用此数值模型，计算Ⅰ、Ⅲ导洞爆破时既有隧道振动速度，其水平速度场见图5。

图5 既有隧道爆破振动速度场

由图5可以看出，Ⅰ、Ⅲ导洞爆破造成既有隧道迎爆侧二衬和岩体产生极大振动，且振动随与爆源距离的增大而降低，迎爆侧附近岩体的振动速度大于32 cm/s。Ⅰ导洞爆破时，迎爆侧拱肩和拱腰部位及Ⅲ导洞爆破时拱腰部位的振动速度均大于32 cm/s。

研究进一步模拟不同炮孔药量下的振动变化，并与现场试验得到的拱肩处的振动变化进行比较，见图6。

图6 不同药量下振动速度计算结果

由图6可知，数值计算结果与现场试验结果吻合度较好，振动速度随装药量的增加而明显增大。表明此计算模型能较好地模拟既有隧道的振动。依据此经验模型，可以通过调整装药量来控制既有隧道的爆破振动。

（2）动应力

根据现场试验和有限元计算分析，既有隧道二衬结构可以承受的压应力增量和拉应力增量分别为4.42 MPa和0.92 MPa。

当Ⅰ导洞掏槽段装药量为4.0 kg时，数值计算得到拱肩处的拉应力最大，t＝14.5 ms最大水平拉应力为0.78 MPa，此时二衬应力云图见图7。

图7 二次衬砌最大水平拉应力位置

由图7可以看出，既有隧道的迎爆侧均承受拉应力，背爆侧和底部以压应力为主。其中，拱肩部拉应力值最大，拱腰部、拱顶部次之；迎爆侧拱脚处压应力最大。

通过压应力云图发现，最大压应力发生在Ⅲ导洞爆破时迎爆侧的拱脚处，15.3 ms最大压应力为1.46 MPa。

二衬结构破坏以材料局部拉裂为主，由于混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，而作用在二衬上的最大压应力又远小于其抗压强度，因此压应力对二衬结构稳定性的影响与拉应力相比可以忽略。

研究进一步模拟不同炮孔装药量下拱肩拉应力增量的影响，并提出了两者的经验模型，见图8。

图8 不同装药量时对应的拱肩拉应力拟合曲线

结果表明，拉应力增量随装药量的增加而增大。当装药量达到4.4 kg时，拉应力增量超过二衬混凝土可接受值。依据此经验模型，在一定的控制标准下，可以调整装药量来控制拉应力增量。

5 结论

（1）新建大断面隧道推进式、往复、频繁爆破施工对邻近既有隧道的二衬和围岩产生显著影响，主要表现在二衬结构的振动和围岩的累积损伤。

（2）爆破振动速度监测结果表明，在新建隧道施工过程中，近接既有隧道迎爆侧的拱肩到拱腰部位振动最强烈、最危险，其振动速度应严格加以控制。

（3）围岩声波波速监测结果表明，新建隧道推进式往复爆破开挖导致邻近既有隧道支护结构发生一定程度的损伤、破坏，尤其是迎爆侧。

（4）推进式、往复、多次爆破过程可简化为导致最大振动的几次爆炸事件，每次爆破过程的多个爆炸荷载可简化为造成显著影响的单次荷载。

（5）采用现场振动监测对爆轰压力进行修正，计算出既有隧道衬砌的振动速度和拉应力，实现了既有隧道支护结构动态响应的数值模拟。