爆破振动对临近隧洞衬砌结构的影响和施工建议

黄 丹

(朝阳市江河流域保护管理局，辽宁 朝阳 122000)

1 工程背景

清河水库为辽宁省辽河干流上的重要防洪控制性工程，不仅承担着清河、辽河的错峰任务，还担负灌溉、供水、养殖等诸多任务，属于多年调节大(2)型水利枢纽工程。水库的总库容为9.68亿m3[1]。泄洪洞位于水库大坝的右岸，为圆形有压隧洞设计，洞径为4.0m。在水库除险加固工程建设中，结合水库供水取水头部和输水改造工程建设，需要自调压井至出口新建一条洞径4.0m，长115.67m的泄洪洞[2]。受到大坝右岸地形和地质特点的限制，新建泄洪洞需要避开大坝右岸山体中的F031断层破碎带，因此新建泄洪洞和原泄洪洞之间的净距较小。在新泄洪洞爆破开挖过程中，爆破振动势必会对原泄洪洞的衬砌结构安全稳定性造成一定的影响[3]。本研究通过数值模拟的方式，探讨不同情况下爆破振动对临近泄洪洞衬砌结构的影响并提出相应的设计和施工建议，以保证施工的顺利进行。

2 ANSYS/LS-DYNA有限元模型

2.1 软件选择

ANSYS/LS-DYNA软件可以进行几何、材料、接触等领域的非线性分析，其程序内部包含了Lagrange、ALE和Euler算法，不仅可以进行显式求解，亦可以进行隐式求解；不仅可以进行静力分析，亦可以进行线性动力分析。该软件在爆破冲击、高速撞击以及金属锻造成型领域具有成熟的应用，十分适合本研究需求[4]。基于此，本研究选择ANSYS/LS-DYNA进行有限元计算模型的构建。

2.2 模型的构建

根据相关研究成果，在爆破开挖施工过程中，影响爆破振动衰减规律的主要因素是隧洞围岩的性质，因此在模型构建过程中可以对隧洞的支护结构进行必要的简化[5]。在几何模型构建方面，以垂直于隧洞中线指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向，以开挖方向的反方向为Z轴的正方向。根据圣维南原理，在大于开挖洞径3倍的范围之外，其边界效应可以忽略不计。由此确定X、Y轴方向的计算范围为25m，Z轴方向长30m。岩体和混凝土结构采用Lagrange网格建模，空气和炸药采用ALE网格建模，在模型网格剖分过程中，使用solid- 164八节点六面体单元。

2.3 边界条件和计算参数

在爆破开挖问题的数值模拟研究过程中，如果采用传统的结点固定方式对边界问题进行处理，会造成计算过程中应力波和反射波之间的相互叠加，进而影响求解的效率和精度[6]。如果采用增加模型尺寸的方式延迟波的反射时间，则会造成计算效率的大幅降低。因此，在模型计算过程中采用无反射边界条件[7]。该边界条件的原理是安置一种基于有限域的人为阻尼边界条件，隔离出一个特定的区域保证应力波和反射波的能量能够由近至远辐射出去，并避免波的能量在有限范围内集中[8]。

根据前期的地质勘查资料，隧洞围岩为花岗岩，结合采样测定和查阅相关文献，确定模型参数，见表1。

表1 模型材料参数

2.4 计算方法

在模型计算过程中，对隧洞围岩的岩石材料采用各向同性的塑性动力模型进行描述。在衬砌结构数值模拟中选择H-J-C本构模型，在显式中心差分法下，几何尺寸最小的单元控制着模型计算的时间步长。因此，需要在LS-DYNA程序中使用质量缩放，从而实现对每个单元密度的有效控制，最终达到合适的模型计算时间步长。在ANSYS/LS-DYNA软件中，提供了可以用于爆破问题数值模拟的3种常用算法，分别为Lagrange算法、Euler算法和ALE算法。这3种算法各有优劣：Lagrange算法能够对结构的边界运动特征进行准确描述，具有较高的计算效率，但是面临结构大变形时，容易造成网格单元的畸变，从而显著影响计算精度，Euler、ALE算法虽然比较适合大变形问题的求解和计算，但是计算的复杂程度有所提高，计算效率相对偏低，综合上述3种算法的优缺点，本研究选择流-固耦合模型算法。

3 计算结果与分析

3.1 间距的影响

显然，隧洞之间的间距是爆破振动影响的主要因素，以Ⅲ级围岩为例，模拟计算保持其余参数的原始设计值不变，确定2个隧洞之间的净距为20、25、30、35和40m等5种不同的数值，利用构建的有限元模型进行模拟计算，获得隧洞拱顶和拱腰部位的振速和位移值。并绘制出振速和位移随隧洞间距的变化曲线，结果分别如图1—2所示。

图1 振速随隧洞间距变化曲线

图2 位移随隧洞间距变化曲线

由图1可以看出，衬砌结构的最大振速随着隧洞间距的增大而减小，并逐渐趋于稳定的变化特点，且拱顶部位的振速大于拱腰部位的振速。在间距相同的情况下，拱顶部位振速值约为拱腰部位的1.4倍左右。从具体数值来看，当隧洞间距小于30m时，拱顶部位的最大振速值均大于7.0cm/s的工程设计值，特别是间距为20m时最大振速达到10.2cm/s，超过工程设计值的40%，存在较大的施工安全隐患。由图2可以看出，拱顶和拱腰的位移值随着间距的增大而波动减小，并在间距大于35m时基本趋于稳定。但是，总体来看，围岩在爆破振动作用下的位移量较小，不会对施工安全造成显著影响。综合振速和位移的计算结果，在工程设计时，2个隧洞的最小间距以35m为宜。

3.2 围岩等级

围岩等级是影响工程施工参数确定的重要因素，由于背景工程的地质环境比较复杂，隧洞设计线路上存在Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩洞段。因此，研究中调整围岩参数，模拟计算不同级别围岩不同间距条件下隧洞拱顶衬砌部位的振速，计算结果见表2。

由表2中的数据可以看出，围岩等级对爆破振动条件下拱顶部位的振速值产生比较显著的影响，在相同间距条件下，围岩的等级越低振速值就越大。当时，就背景工程而言，当隧洞间距为35m时，拱顶部位的振速值均小于工程设计值，不会对工程的施工安全和原泄洪洞衬砌结构的安全稳定性造成影响。因此，在工程设计过程中，整个线路的间距不小于35m即可。但是在Ⅳ级围岩情况下，间距35m时的振速值偏大，为5.54cm/s。为了确保共工程的安全性，在施工过程中要加强爆破振速的监测，一旦出现超标现象，应该立即采取措施。

表2 不同围岩级别振速计算结果

3.3 装药量

在地下洞室工程爆破开挖过程中，需要利用炸药的瞬间的物理化学变化释放的能量，使隧洞掌子面的围岩破碎。因此，装药量的大小必然会对爆破效果造成显著影响。在具体的施工过程中，增加装药量可以有效降低施工成本，但是也会造成围岩和衬砌结构的强烈震动。在具体的施工设计过程中，需要对施工效率、工程成本和安全性进行综合考虑，以确定最佳装药量。在此次研究中，保持2个隧洞的间距为35m不变，设置原始装药量的0.9、1.0、1.1、1.2和1.3倍等5种不同的装药量方案，对Ⅳ级围岩等级的拱顶振速进行模拟计算，结果如图3所示。

图3 拱顶振速随装药量倍数变化曲线

由图3可以看出，隧洞拱顶衬砌部位的振速随着装药量的增加呈现不断增加的变化特点，装药量越大，结构的振速值也就越大。从具体计算结果来看，当装药量为原设计方案的1.1倍时，其对应的振速值略小于允许值。因此在施工中可以将装药量提升至原来的1.1倍。当然，在施工过程中应该加强振速监测，保证施工的安全进行。

4 结论

此次研究以清河水库右岸新建泄洪洞为例，探讨了爆破开挖振动对原有泄洪洞衬砌结构的影响，获得的主要结论如下。

(1)衬砌结构的最大振速随着隧洞间距的增大而减小，并在大于35m的情况下趋于稳定，且拱顶部位的振速大于拱腰部位的振速。

(2)在相同间距条件下，围岩的等级越低振速值就越大；当隧洞间距为35m时，3种围岩等级的拱顶部位的振速值均小于工程设计值。

(3)隧洞拱顶衬砌部位的振速随着装药量的增加呈现不断增加的变化特点，当装药量为原设计方案的1.1倍时，其对应的振速值略小于允许值。

(4)根据研究结果，建议在工程设计中隧洞间距不小于35m；装药量可以增加至原方案的1.2倍。