隧道爆破开挖产生地表震动效应研究

杨开江

(中铁十五局集团辽吉黑蒙指挥部，吉林 长春 130123)

0 引言

随着我国经济迅猛发展，交通运输量日益增多。作为交通运输的一个分支，隧道交通运输具有占地少、速度快、克服高程障碍等优点，而在一定深度范围内隧道开挖施工会对地面的已有建(构) 筑物产生一定影响。现如今，采用爆破开挖的矿山法仍然是隧道修建的主要方法，此种方法轻则噪声扰民，重则对地表的房屋建筑造成震动甚至产生实质性的破坏。截至2018 年底，中国共建设有交通隧道36 103 km。其中，铁路隧道15 177 座，长度16 331 km;公路隧道16 500 座，长度15 940 km; 城市轨道交通隧道5 766 km，其中地铁约4 511 km[1]。随着隧道建设总长的不断增加，其爆破开挖对地面建筑物造成的负面影响问题已经得到了工程界和学术界的重视，科研人员通过现场爆破试验[2]、实时监测[3]、数值模拟[4]等方法和技术手段进行了广泛研究，取得了一些研究成果。

杨云凌[5]依托长沙市地铁二号线的一段隧道，结合爆破监测数据和有限元分析模拟，阐述了隧道埋深与振速放大系数之间的关系; 龙源等[6]通过从不同角度对大量的深孔爆破地震动测试数据的分析，得到了岩石中爆破地震波传播的频率、幅值和持续时间等主要参数的变化规律以及它们的影响因素; 王蕊等[7]以某公路隧道工程掘进开挖爆破的震动安全监测项目为依托，运用数值三维模型实体建模研究，隧道下穿村庄时当地民用建筑基础、圈梁、楼板、柱等不同的速度响应时程，分析得出响应规律。还有一些学者就隧道爆破开挖对其邻近隧道的影响做了分析研究[8-9]。

本文在前人研究的基础上，依托爱民山隧道，利用ANSYS 有限元分析软件，分析其爆破开挖在地表产生的震速波形图，总结地表的震动规律，判断地面建筑物的安全性。目前，通常以建筑物的震动速度作为衡量爆破震动强度的指标，震动速度的安全合理范围和标准遵照GB 6722—2014 爆破安全规程。

1 工程概况

爱民山隧道位于丹东市郊附近，属于丹东市四号干线(花园路至宝山大街段) ，呈北东走向展布，设计为两条小净距单行线曲线隧道，属短隧道; 隧道左线全长500 m，右线全长42 m，采用暗挖钻爆法施工。隧道区地表覆盖层较厚，大部分都被残积土、全风化变粒岩等所覆盖，露头较少，变粒岩节理裂隙以风化、构造裂隙为主。隧道入口段及出口段为Ⅴ2，Ⅴ1级围岩，洞身段为Ⅳ3，Ⅳ2级围岩。爱民山顶距隧道约50 m，且有民用建筑;隧道宝山大街端左线线位左侧约60 m 处为元宝区抗美援朝烈士陵园，这就要求隧道的爆破施工不能对山顶的民用建筑和烈士陵园产生影响。

隧道岩土体物理力学参数见表1。

表1 隧道岩土体物理力学参数

2 模型建立

本文利用ANSYS 软件的LS-DYNA 模块建立实体三维模型并进行运算，模型图如图1 所示。由于隧道的爆破开挖会对周围岩体及地表产生一定的影响，为减小边界效应的影响，选取长度方向为150 m，高度为100 m，隧道顶部距地表45 m，隧道距左侧的隧洞为40 m，纵向深取107．5 m，其中包括前部已开挖的50 m，中部5 个1．5 m正在开挖的小段以及后部未开挖的50 m。数值模拟采用位移边界条件，将模型的4 个侧面和底部均设为无反射的固定边界，固定边界位移满足ux=uy=uz=0; 地表及隧道已开挖区周边设为自由边界。静力分析时其计算收敛准则为不平衡力比率满足10-5的求解要求，动力计算时的计算时间主要依据动力荷载时间来确定。

图1 隧道模型图

3 爆破荷载及时间的确定

采用ANSYS 分析爆破震动的一项重要工作就是建立一个合理的爆破加载模型，这就需要确定爆破激振力的大小、方向、作用位置、峰值时刻以及持续时间等内容。查阅相关文献可知，岩体内的爆破波多以三角形荷载为主，即压力经过一个上升段后到达峰值后急剧衰减。根据工程资料，爆破压峰值取15 MPa，荷载以压力形式均布荷载作用在隧道壁和掌子面上，加载时间为12 ms，卸载时间为78 ms，取计算时间为1 s，如图2 所示。

图2 爆破荷载时刻图

4 计算结果与分析

在介质中传播的扰动称为波，炸药在岩体等介质中爆炸所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。大多数岩石中激起的爆炸应力波在距离爆炸点不同距离处表现为冲击波、爆炸应力波和地震波。

4．1 地表震速波形分析

本部分取爆源正上方地表的44569 号节点，已开挖段距爆源15 m 处地表的27380 号节点以及未开挖段距爆源15 m 处地表的76614 号节点进行分析，见图3。

图3 取点位置平面示意图

输出各节点在此1 s 的爆破过程的震速波形图如图4 ～图9 所示。

图4 爆源后方15 m 处地表X 方向v-t 图

图5 爆源后方15 m 处地表Y 方向v-t 图

图6 爆源上方地表X 方向v-t 图

图7 爆源上方地表Y 方向v-t 图

图8 爆源前方15 m 处地表X 方向v-t 图

图9 爆源前方15 m 处地表Y 方向v-t 图

爆破地震波有纵波(P 波) 和横波(S 波) 之分，纵波传播速度快，振幅小。从以上震速时程波形图可以看出，对于爆源正上方及其后15 m 和前15 m 处地表节点来说，X方向震速较大的部分主要集中在0．2 s ～0．4 s 之间，最大震速为爆源后方15 m 处地表0．48 cm/s，0．4 s后速度峰值逐渐衰减，但相邻的波峰和波谷之间有小幅的波动。由于纵波在固体介质中的传播速度快于横波的传播速度，所以我们可以看出，X方向的震速峰值出现有滞后性，滞后约100 ms。Y方向的震动速度较大时刻出现在0 s ～0．2 s，0．2 s 后震速逐步衰减，且衰减的波形较X方向更为“规则”，即几乎未出现波峰和波谷之间的小幅波动，最大震速为爆源后方15 m 处地表1．3 cm/s。

4．2 地表震速衰减规律

4．2．1爆破震动速度经验公式

根据GB 6722—2014 爆破安全规程(以下简称《规程》) ，测点震速与测点距爆破区域距离和炸药使用量有关，同时与爆破区域地形地质、爆破方法等因素亦有明显关系，可按式(1) 计算，式(1) 亦可称为萨道夫斯基经验公式:

其中，V为爆破地震波质点的震动速度，cm/s;K，α分别为与爆破点至测点之间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定;在无实验数据的情况下，可参考表2 选取;Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg;R为爆破中心到测点之间的距离。

表2 爆区不同岩性的K，α 值

4．2．2地表节点震速分析

我们以爆源(掌子面) 为中心，在地表沿隧道开挖掘进的方向取17 个节点，如图10 所示。相邻节点之间的距离为15 m，其中，爆源正上方的为9 号节点，1 号～8 号节点位于隧道已开挖段正上方的地表，10 号～17 号节点位于隧道未开挖段正上方的地表。

图10 取点位置平面示意图

取各节点在爆破过程中的三个方向最大的震速峰值绘制曲线，如图11 所示。

图11 地表节点震速峰值

从图11 中可见，在隧道开挖掘进方向取的节点中，处于已开挖段(1 号～8 号) 和未开挖段(10 号～17 号)的节点震速峰值衰减呈现完全不同的规律。对于未开挖段，节点震速峰值随着与爆源距离的增大而逐渐减小，且衰减的速率较为缓慢，符合《规程》给出的经验公式; 对于已开挖段，节点震速峰值随着与爆源距离的增大而先增大后减小，且在距离爆源25 m ～30 m 处震速峰值衰减较快，因此，不符合《规程》给出的经验公式。从图11 中看到，震速峰值的最大值并非出现在爆源正上方的地表位置，而是在已开挖区距离爆源10 m 左右的位置，最大值为3．23 cm。隧道在爆破开挖施工中，地表质点震动速度存在空洞放大效应。隧道掘进爆破震动空洞效应是指已开挖区形成的空洞导致其上部地表震动速度大于未开挖部分的地表震动速度的现象。空洞效应导致地表震动速度存在区域性变化的特点，使得处于隧道已开挖区的地表震动速度大于未开挖区地表的震动速度，且二者的爆破地震波衰减规律亦不一致。

5 结论

本文利用ANSYS 有限元分析软件对丹东市爱民山隧道进行爆破掘进开挖的数值模拟，通过对一些地表特殊节点的震速波形分析，得出以下结论:1) 根据我国现行国家标准GB 6722—2014 爆破安全规程规定: 建(构) 筑物的爆破地震震动速度应小于50 mm/s。在隧道掘进方向选取的地表16 个节点中，最大的震速峰值为32． 3 mm/s，这个数值小于规定的50 mm/s，所以山顶的民用建筑是安全的。2) 在隧道爆破掘进过程中，由于纵波在固体介质中的传播速度快于横波，所以地表同一个节点不同方向的震速峰值的时刻不同，横波有明显的滞后性。爆破地震波的震速在到达峰后逐渐衰减，但横波会有小幅波动。3) 由于空洞效应的存在，导致处于隧道已开挖区的地表震动速度大于未开挖区的地表震动速度，在距离爆源15 m ～30 m 处空洞放大效应最为明显。因此，在隧道爆破开挖的过程中，应该控制炸药用量，采用合理的爆破施工方案，做好已开挖隧道的支护和衬砌工作。