浅埋地铁隧道爆破振动速度传播规律及预测

汪 平，吉 凌

(1.中国爆破行业协会，北京 100070；2.中国地质大学工程学院，武汉 430074)

随着城市的快速发展以及人口的增加，地铁隧道的建设日益增多[1-3]。城市地铁隧道一般属于浅埋隧道，当处于岩石地层时多采用爆破开挖方式，在施工中不可避免地要产生爆破地震效应[4-5]。当地表振动效应较大时，会对建(构)筑物造成巨大影响。因此，分析、预测隧道爆破开挖作用下地表振动特征是浅埋地铁隧道进行安全爆破施工的前提[6-8]。

目前，关于浅埋隧道爆破开挖作用下地表振动响应特征已有相关学者作了大量研究。高文学等[7]研究表明浅埋隧道爆破开挖振动波传播规律与其断面尺寸、隧道埋深、开挖方法以及围岩地质条件等有关。李胜林等[9]结合地表振动测试数据以及理论回归分析结果预测了浅埋地表隧道爆破振动速度传播规律。高照帅等[10]通过对现场爆破振动测试数据的分析，研究了城市浅埋地铁隧道掘进掌子面前后相同距离处地表爆破振动特性。张继春等[11]发现在浅埋隧道爆破开挖过程中，沿隧道轴向己开挖区的地表振动速度要大于相同爆心距下未开挖区的地表振动速度，提出了“空洞效应”现象。随后，杨云凌[12]、喻军等[13]、宋杰[14]研究也证实了该现象，并分析了隧道爆破开挖作用下的地表振动特性。

笔者依托武汉地铁八号线洪山站～小洪山站区间隧道开挖工程，采用现场监测与数值模拟相结合的方法，分析了地铁隧道爆破作用下地表爆破振动特征以及传播规律，并对比了已开挖区域与未开挖区域的地表爆破振动特点，以便为隧道爆破振动的预测与安全控制提供依据。

1 工程概况

武汉地铁八号线洪山站～小洪山站区间为双线隧道，需爆破开挖区段的围岩为Ⅲ级微风化灰岩，隧道全长326.158 m。隧道断面形状为曲墙仰拱形，跨度与高度分别为20.4 m与11.8 m。区段地形变化不大，地面高程为24～38 m。上覆土层自上而下依次为：杂填土、素填土、粉质黏土、黏土夹碎石、黏土、中风化灰岩、微风化灰岩等岩层，基岩埋深11.4～45.0 m不等。采用双侧壁导坑法、浅孔光面爆破开挖。为保持稳定、减小一次爆破规模，隧道共分9部分顺序开挖施工。隧道断面形状、尺寸及施工顺序如图1所示。

注：1～9为隧道开挖顺序，10为导坑侧壁。

采用对称直孔掏槽布孔方法，掏槽孔间距为400～700 mm，周边孔按光面爆破方式进行布孔，间距400 mm，光爆层厚500 mm，炮孔直径40 mm，断面炮孔布置如图2所示。采用2#岩石乳化炸药爆破，药卷直径φ32 mm，采用非电导爆管延时毫秒雷管起爆，具体爆破参数如表1所示。

图2 断面炮孔布置

表1 隧道爆破参数

2 数值模型

2.1 模型建立

根据项目开挖工况，结合现场实际建立隧道爆破开挖模型。由于仰拱的开挖位置距离需要监测的开挖面较远，故可在模型中将仰拱开挖假定为暂未开挖。利用ANSYS/LS-DYNA对地层及开挖隧道进行数值模拟。隧道开挖轮廓尺寸为宽20.4 m，高11.8 m。因为地下硐室开挖后围岩应力重分布范围为3倍硐径，所以模型自隧道外侧向外取61.2 m，向下取40.3 m。为方便建模对其进行简化，隧道模型沿开挖设置为轴向60 m，垂向70 m，径向140 m(见图3)。模型的顶面(即地面)为自由面，其余5个面设置为非反射边界。

注：1-素填土；2-黏土层；3-中风化灰岩；4-开挖断面。

2.2 材料参数

在该模型中杂填土、黏土材料使用改进的Drucker-Prager屈服面，使表面的形状能够被扭曲成更真实的土壤定义，中风化灰岩采用随动硬化模型[15-16]。岩、土体的物理力学参数分别如表2与表3所示。

表2 岩体物理力学参数

表3 土体物理力学参数

由于隧道爆破开挖时，同段起爆的炮孔中掏槽孔装药量最大。为简化计算，仅模拟了掏槽孔爆破。炸药模型通过关键字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN进行定义，并通过关键字*EOS_JWL模拟炸药爆轰压力，起爆点设置为炸药底部。炸药参数如表4所示。

表4 炸药参数

3 结果及分析

3.1 振速波形特征

选取掌子面正上方振动速度监测点3个方向的振速波形(见图4)进行分析，可知x(隧道径向)、y(隧道垂直)、z(隧道轴向)方向的振动持续时间基本相同约为0.4 s，振动速度均在0.15 s左右达到峰值。3个方向的质点振动速度垂直方向最大。这是由于隧道采用双侧壁导坑法开挖，x、z方向传播途中有临空面，使得垂直向振速最大。

图4 各方向峰值振速波形

3.2 振速传播规律

1)隧道径向地表振速预测。由地表沿隧道径向爆破振动速度分布规律(见图5)可以看出，地表振动速度在隧道径向左右两侧差别较小，基本成对称分布。随着距掌子面距离的增加，掌子面两侧质点振动速度都呈现衰减的规律，同时由于隧道上台阶右侧区域(见图1中数字“4”所在区域)为未开挖区域，而隧道上台阶左侧(见图1中数字“1”所在区域)存在临空面，故在距离掌子面相同距离情况下，隧道径向已开挖区域地表振动速度峰值大于隧道径向未开挖区域地表振动速度峰值。

萨道夫斯基公式表示了测点振速与测点距离，最大单段药量以及爆区场地的关系，基于此关系可回归分析出隧道径向左侧和右侧方向测点爆破振动速度衰减规律，分别如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：Q为最大单段药量，kg；r为测点与爆破位置水平距离，m;PPV为质点峰值振动速度，m/s。

注：与掌子面距离正、负分别表示掌子面前方(未开挖区域)、掌子面后方(已开挖区域)，下同。

2)隧道轴向地表振速预测。由地表质点沿隧道开挖轴向振动分布规律(见图6)可以看出，地表振动速度最大可以达到3.36 cm/s，掌子面前方(未开挖区域)地表振动速度随着与掌子面距离的增加不断衰减，掌子面后方(已开挖区域)0～10.33 m范围内，地表振动速度随着与掌子面的距离增加而减小，当监测点与掌子面水平距离大于10.33 m时，地表振动速度呈现出先增加后减少的趋势。掌子面后方，大断面左侧为已开挖区域，开挖区域形成的空腔上表面为应力波的反射提供良好的自由面，入射波和反射波在地表的叠加使得监测点与掌子面水平距离大于10.33 m后，约0.6～0.7倍洞径之间，地表振动速度产生增大的现象，此时已开挖区域对地表振动存在放大效应(空洞效应)。为了分析出隧道轴向未开挖岩体方向测点爆破振动速度衰减规律，拟合萨道夫斯基公式如式(3)所示：

(3)

图6 掌子面上方隧道轴向的地表质点振速分布规律

4 预测模型验证

为研究浅埋隧道爆破振动传播规律，现场进行5次爆破振动测试，每次爆破测试在隧道掌子面上方沿开挖轴线方向共布置5个测点，测点间距5 m。第1个测点位于掌子面正上方，其余点沿隧道开挖掌子面两侧均匀分布，测点布置如图7所示。

将每次爆破振动测试结果平均值作为各位置爆破振动速度，提取与现场监测点相对应的数值模型上节点各方向峰值振速(见表5)可以发现，测点各方向振速最大误差为18.2%，现场监测结果与模拟结果基本一致，验证了模型的可靠性。从表5可以看出，y方向峰值振动速度大于x和z方向峰值振动速度，y方向爆破振动速度对地表爆破地震效应起主导作用。提取隧道掌子面正上方1#监测点实测振动波形与模拟波形(见图8)可以看出，数值模拟结果与现场实测数据振动峰值速度大小接近、波形时间大致相同。

表5 实测数据与模拟结果

图8 1#监测点y方向振动波形对比

5 结论

1)对浅埋地铁隧道掌子面上方的地表进行爆破振动监测，并用数值模拟结果进行验证，发现数值模拟结果与现场监测结果基本一致。

2)地表监测点x(隧道径向)、y(隧道垂直方向)、z(隧道轴向)三矢量方向的振动持续时间基本相同约为0.4 s，振动速度均在0.15 s左右达到峰值振速。地铁隧道爆破开挖作用下地表3个方向的质点振动速度为垂直方向最大。

3)沿隧道径向方向，随着距掌子面距离的增加，掌子面正上方左、右两侧质点振动速度都呈现衰减的规律。在距离掌子面相同距离情况下由于存在临空面，隧道径向已开挖区域地表的峰值振动速度大于隧道径向未开挖区域地表的峰值振动速度。

4)沿隧道轴向方向，当地表监测点与掌子面水平距离约0.6～0.7倍洞径后，掌子面上方沿隧道轴向方向地表振动速度产生增大的现象，此时已开挖区域对地表振动存在放大效应(空洞效应)。