下穿既有环城公路的隧道爆破减振研究❋

赵立财

①台湾科技大学营建工程系(台湾台北，106)

②中铁十九局集团第三工程有限公司(辽宁沈阳，110136)

引言

立体化交通系统是城市发展重要的一环，而隧道工程又是其重要的组成部分[1-3]。隧道在爆破施工过程中产生的振动不可避免地会对城市既有结构物造成一定的损伤甚至破坏，产生一系列的安全问题[4-6]。因此，采取行之有效的减振措施，减小隧道爆破对邻近结构物的振动效应，具有重要的工程意义。

目前，国内外学者在隧道爆破振动响应研究的基础上，主要从爆源和传播路径两个方面，通过现场监测、模型试验、理论分析及数值模拟提出了一系列有效的减振技术措施。高宇璠等[7]结合理论计算和实际监测数据提出了减振措施和优化爆破方案。张国胜等[8]对爆破产生的地震波信号进行分析，提出了相应的减振方法。在起爆方法上，石洪超等[9]采用掏槽炮孔间隔装药并采取孔内分段毫秒延迟起爆的方法，有效地控制了爆破振动强度。牛泽林等[10]提出，顺层分段爆破较左右分块爆破更具优越性。张袁娟等[11]利用有限元模拟与实验结合的方法进行对比分析，得到加入缓冲孔的爆破降振率最高可达51%。Tian等[12]基于监测数据和振动信号分析，提出了一种可控制爆破能量延迟释放的减振方案。根据不同的爆破掘进情况，人们还提出了一些比较新颖、有效的减振技术，如减小掘进方向爆破振动的气垫法[13]、大孔镗削切割爆破法[14]、先进电子雷管起爆技术[15]等。然而，考虑既有结构物自身所受载荷与隧道爆破耦合作用下结构物的减振行为的研究却鲜有报道。

以国家铁路重点工程项目燕都隧道为例，针对下穿既有环城公路段隧道爆破开挖产生的振动响应，同时考虑公路上方车辆瞬时载荷耦合作用，在隧道和公路之间合理布置有效的减振孔，综合分析了环城公路的减振效应。

1 工程背景

燕都隧道位于辽宁省朝阳市双塔区他拉皋镇姜家窝铺村境内。隧道进口里程DIK4＋868，出口里程DIK6＋000，全长1 132 m，最大埋深为52.6 m。隧道DIK5＋250～DIK5＋450段200 m范围内依次下穿环城公路及人行天桥基础。其中，DIK5＋337断面下穿环城公路，与公路垂直相交。隧道埋深约18～22 m。公路等级为城市道路，路面宽24 m。隧道与环城公路位置如图1所示。

研究区围岩分级为Ⅴ级，无复杂地质构造。隧道爆破时采用中部超前小导洞先行爆破，先行5 m，随后，光爆层开始同步跟进。小导洞爆破采用中部直眼掏槽方式，在2排掏槽眼之间，均匀布置3个空眼，最外侧4个掏槽眼设置起爆时间为0、5、10、15 ms。现场采用2＃岩石乳化炸药，正向不耦合装药，起爆点为从外到内，炮孔直径42 mm，炮孔深度为1 m，单个炮孔装药量为0.56 kg，总装药量为3.36 kg。基于中部超前小导洞先行爆破所产生的爆炸载荷作用，分别对设置减振孔和未设减振孔两种工况下隧道爆破进行了缓冲减振研究。

2 数值模拟

2.1 模型构建

在ANSYS/LS-DYNA中建立三维有限元数值模型，模型尺寸为100 m×50 m×60 m。隧道置于模型中部，走向为z负向；公路在隧道上方，走向为x正向，空间位置与隧道正交。减振孔布置在隧道及公路之间。隧道、公路、减振孔、炸药及空气均采用Solid164单元，设置相应的材料属性，通过Sweep方式共划分247 747个网格单元、265 781个节点。由于模型对称，测点布置在模型左半部分。减振孔周围布置3个测点:在路面的左、右两侧和中部位置各设1个测点；且每隔10 m设置1组监测路面，总共设置4组监测路面。各测点在有限元数值模型中的布置如图2所示。

2.2 减振孔布置

布置减振孔是为了阻隔和干扰隧道爆破产生的地震波向地表公路进行传播，加快地震波的衰减，降低其对公路的振动效应[16]。布置方案如下:减振孔共9个，距隧道顶板5 m，孔径120 mm，孔深20 m，孔距1.2 m。选用一定比例的泡沫铝和砂土混合，作为填充材料，并在端口处封堵密实。

2.3 参数设置

隧道围岩主要是砂岩和砾岩，在LS-DYNA材料库选择*Mat_Plastic_Kinematic材料模型。实际测得围岩的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数Tab.1 Physical mechanics parameters of surrounding rock

减振孔填充材料选择可压扁泡沫材料模型

*Mat_Crushable_Foam。

炸药选用*Mat_High_Explosive_Burn高能炸药材料模型，并添加关键字*EOS_JWL对状态方程进行描述，具体参数如表2所示[17]。

表2 炸药材料参数Tab.2 Material parameters of explosives

空气选用*Mat_Null材料模型。公路选用JHC材料模型*Mat_Johnson_Holmquist_Concrete。

2.4 流固耦合设置

在定义单元算法时，将围岩、减振孔和上方公路设置为Lagrange单元算法，空气和炸药采用ALE单元算法，通过*ALE_Multi-Material_Group定义多物质ALE单元，使得ALE单元之间能够相互作用，Lagrange单元和ALE单元采用共节点的形式。通过*Constrained_Lagrange_in_Solid来控制流固耦合的相关设置。对围岩四周采用无反射边界条件，用来避免反射波对结果的影响。

2.5 车辆载荷设置

车辆载荷不同于地震等其他动载荷，它具有时间短、频率高等特点。在这种载荷形式作用下，公路的振动响应是不同的。汽车在正常行驶过程中对路面某一点产生的载荷时间非常短，一般在0.01～0.10 s之间。为真实地反映车辆动载荷的特点，采用双频率正弦波[18]模拟交通载荷。

式中:p0为汽车载荷；ω1和ω2分别为动载荷的振动原频率；k1和k2为两个主频的动载荷分担系数，k1＋k2为车辆的动力放大系数。

对该路段上车辆进行调查分析:考虑车辆两轴作用，车辆空车质量120 kN，满载时载荷总质量300 kN，选取满载80%下的载荷作为主要载荷；轮胎分布面积取(30×24×4)cm，ω1和ω2分别为主频4 Hz和10 Hz对应的圆频率；车速72 km/h时，动载荷放大系数取0.28，相应地，取k1=0.18、k2=0.10。

3 计算结果分析

3.1 减振孔部位振速分析

为了更好地反映减振孔的缓冲减振效果，分别对设置减振孔和未设减振孔两种工况下隧道爆破进行数值模拟。选取两种工况下相同位置的测点，提取减振孔周边测点的水平振速和垂直振速时程曲线，如图3～图5所示。

图3 测点H-1的振速时程曲线Fig.3 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-1

图5 测点H-3的振速时程曲线Fig.5 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-3

从3个测点的振速时程曲线可以看出，在前0.005 s内，未设减振孔和设减振孔两种工况下的振速变化几乎重合。随着时间的增加，二者振速的振动频率、方向都高度相近，而振幅差异明显。在测点H-1处，水平方向的减振率为41.7%，垂直方向的减振率为30.7%。在测点H-2处，水平方向的减振率为33.0%，垂直方向的减振率为26.1%。在测点H-3处，水平方向的减振率为31.4%，垂直方向的减振率为22.7%。减振孔的布置改变了地应力的分布规律，使得爆破产生的地震波波速在传播过程中受到阻隔和干扰，从而降低周边围岩的振速。水平方向减振率明显高于垂直方向减振率。由于减振孔的位置相对于爆心较近，公路上方车辆载荷对其产生的作用较小。因此，减振孔周边振速主要是受到地震波的影响。而地震波产生水平方向的扰动大于垂直方向的扰动，因此，设置减振孔较大程度降低了水平方向的扰动影响。

3.2 公路路面振速分析

公路路面各个测点的振速时程曲线不尽相同。以路面测点M-1为例，图6显示了在未设减振孔和设有减振孔两种工况下水平及垂直方向上公路路面质点的振速时程曲线。从图6(a)和图6(b)对比可以看出:未设减振孔，水平方向振速峰值的波动主要发生在0.008～0.018 s和0.023～0.028 s时段；持续时间分别为0.010 s和0.005 s，分布不均，最大值为10.35 cm/s。而设有减振孔的振速极值波动主要集中在0.010～0.018 s内，持续时间为0.008 s；整体波动幅度降低，最大值为8.37 cm/s。水平方向减振率为19.1%。观察图6(c)和图6(d):未设减振孔，垂直方向的振速波动范围较广，大幅波动的持续时间为0.015 s，幅度变化较大，最大值为13.74 cm/s；而设有减振孔的振速波动范围减小，持续时间为0.008 s，最大值为11.38 cm/s，垂直方向减振率为17.2%。对比两种工况，设有减振孔的公路路面大幅波动的持续时间减少了50%。

图6 路面测点M-1的振速时程曲线Fig.6 Vibration velocity time history curves of monitoring point R-M-1 on highway pavement

图4 测点H-2的振速时程曲线Fig.4 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-2

公路路面距离爆心较远，其主要受到上方车辆载荷的作用。车辆载荷会对路面施加一个应力波，应力波会向岩层中传播。当爆破产生的地震波和应力波相遇时，两波会进行一个叠加。减振孔的布置一方面减弱了地震波的传播，另一方面也降低了两波的叠加效应。因此，在隧道爆破和公路车辆载荷作用下，减振孔可以有效降低路面振速大幅波动的持续时间和幅度大小，使得公路的振动效应更趋于平稳。

两种工况下公路路面各个测点的振速峰值的计算与实测数据如表3所示。从表3中可看出，实测振速峰值与数值模拟结果在同一量级，且二者相差不大，说明数值模拟结果具有一定的合理性。在爆破和车辆载荷耦合作用下，水平方向和垂直方向最大减振率均发生在监测路面1＃的中部，减振率分别为19.1%和17.2%。沿着公路走向，即沿路面1＃至路面4＃，随着与爆心距离的增大，减振率在逐渐减小。从4个监测断面公路左、右两侧与中部位置振速的比较都可得出，公路两侧减振率相差不大，中部减振率要高于两侧的减振率。由于公路两侧为临空面，振动幅度较大，且两侧位置距离爆心较远，地震波衰减导致其振动水平本身就比较小，故减振效果不及中部位置。

表3 两种工况下公路路面测点的减振率Tab.3 Vibration reduction rate of monitoring points on highway pavement under two working conditions

3.3 公路路面应力分析

以公路路面中部测点为例，其Mises等效应力时程曲线如图7所示。从图7(a)中可看出，未设减振孔时，路面中部的应力大幅波动的时间范围主要集中在0.005～0.010 s和0.028～0.030 s之间，应力最大值为3.9 MPa。而设有减振孔工况下[如图7(b)所示]，应力时程波动曲线大致呈山字状，即在中间时段0.010～0.020 s，应力波动较大，而在初始0～0.010 s和末尾0.020～0.030 s时段，应力波动较小，最大值为3.5 MPa。由于公路上方车辆载荷作用产生的应力波与隧道爆破产生的地震波会在岩层中产生叠加，公路路面的等效应力即是此叠加的结果。未设减振孔下，岩层中应力状态基本稳定，叠加效应明显；在初期一段时间内，应力大幅波动，且在末尾时段产生二次波动。设置减振孔改变了岩层中的应力状态，使应力重新分布；同时，也适当减弱了地震波的传播速度。当两波叠加时，应力大幅波动的时间延后，且持续时间缩短，叠加后的应力幅值也大幅降低。这说明减振孔可改变应力传播的路径，降低应力波和地震波的叠加效应，使得公路路面受到的应力减小，并且降低应力大幅波动的持续时间。这也和路面振速的分析相对应。

图7 路面中部测点的应力时程曲线Fig.7 Stress time history curves of the monitoring points in the middle of the road surface

4 结 论

以燕都隧道DIK5＋337断面下穿既有环城公路的爆破研究为工程背景，利用LS-DYNA分别对设置减振孔和未设减振孔两种工况下的隧道爆破进行数值模拟，分析在爆破开挖和车辆载荷耦合作用下的缓冲减振效应，得出以下结论:

1)在减振孔周边，最大减振率约为41.7%，水平方向减振率明显高于垂直方向减振率。设置减振孔可有效降低隧道爆破对周边振动的影响。

2)公路路面的最大减振率发生在中部，约为19.1%。设置减振孔使公路振速大幅波动的持续时间减少了50%。减振孔可以有效降低路面振速波动，使得公路的振动效应更趋于平稳。

3)减振孔可使应力大幅波动的时间延后且持续时间缩短，降低应力波和地震波的叠加效应。