隧道爆破振动场中断层对岩体远场振动特性影响研究

黄 强

(中铁十七局集团城市建设有限公司 贵州贵安 550025)

1 引言

爆破工程因其振动大、影响区域广、危险系数高等特点，易造成工程失稳甚至危及周边民众安全。尤其在环境敏感区域，需要控制爆破地震强度以减轻对周围建、构筑物的影响。微差爆破是通过控制炮孔按照事先规划好的顺序并以极短时间间隔起爆的。微差爆破能有效控制爆破导致的振动，从而保护周边构筑物[1-3]。

愈来愈多的科研工作者通过试验法、理论法等开展了一系列的研究。付天光等[4]以某采用矿山法施工的隧道工程为研究对象，通过现场监测获得了逐孔起爆微差爆破施工下隧道围岩的动力响应。基于此，针对该方法的关键技术进行了完善。李启月等[5]利用ABAQUS有限元软件，建立隧道爆破施工模型，研究了数值分析中等效施加微差爆破荷载的机理，以此完善了爆破施工技术。凌同华等[6]通过建立三维数值模型，分析了隧道采用多段微差爆破法的动力响应。通过对加速度和频率的分析，总结了振动信号频带能量分布特征。吕鑫等[7]以某公路隧道为工程背景，通过对隧道施工下的围岩位移、加速度等现场监测，分析了微差爆破的降振作用。叶海旺等[8]通过有限元软件建立了隧道爆破施工的三维模型，以隧道围岩的位移、加速度等为指标，对比了不同岩体结构面工况的结果，获得了爆破施工下不同岩体结构面对振动波传播规律的影响。李新平等[9]以溪洛渡水电站出线竖井为研究对象，利用ABAQUS软件建立三维数值模型，分析了爆破施工下竖井的振动响应，评估了爆破施工的安全性。张玉成等[10]通过数值手段，建立了隧道-建筑物数值模型，分析了爆破施工对临近建筑物的影响，并总结了安全判据。其他学者[11-12]也通过不同的方式对微差爆破在隧道中的应用开展了研究。

以爆破隧道工程为研究对象，通过数值手段分析了隧道爆破施工引起的岩体的振动响应，并对断层重要参数的影响规律进行探讨。

2 工程概况

贵安新区核心区段地下空间及联络通道配套工程起点位于滨湖路，下穿碧桂园房产开发区、湖林铁路、金马大道、下坝村集体林地，终点位于中心大道(京安大道)星湖社区，共2站1.5区间，区间为单线双洞暗挖法施工，地下空间为明挖法施工。即百马路～金马中路联络通道、金马中路地下空间、金马中路～东纵线联络通道、东纵线地下空间。本次研究对象为百马路～金马中路联络通道，联络通道围岩多为Ⅳ、Ⅴ围岩，以灰岩、白云岩为主，并穿越一宽度为12 m左右的断层，断层带及附近岩石节理裂隙十分发育。该段隧道采用微差爆破法施工，单次掘进距离为1 m，炮孔进深和直径分别为1.1 m和4.3 cm，炸药药卷直径为3.3 cm。单次掘进所需炸药量约105 kg。

3 三维有限元模型

3.1 有限元模型

依据地勘资料和隧道设计资料，建立宽度为120 m、纵深为130 m、高度为125 m的三维数值模型，如图1所示。建模时断层设置为90°，与隧道进深相互垂直。模型四周采用无限远边界、模型底部采用固定边界、模型顶部采用自由边界。炸药爆破点设置在西线隧洞四周，居断层中间。爆破荷载均布于隧道四周，见图2。

图1 整体模型

图2 爆破荷载

3.2 模型参数

根据地勘报告，表1给出了岩体的参数指标。

表1 岩体物理力学指标

3.3 爆破荷载的模拟

爆炸荷载模拟为三角形脉冲波，爆破时长设置为7 ms，爆破荷载上升时长和下降时长分别设为2 ms和5 ms。表2给出了爆破的相关参数。

表2 爆破参数

4 数值模拟结果及分析

4.1 远场振动的各向最大振速衰减规律

图3给出了模型观测点布置图，以隧道掌子面拱顶所对应的地表为原点(O点)，沿隧道纵深方向(轴向)和垂直纵深方向(横向)进行观测、观测点间隔3 m。V1和V1max分别定义为坐标1方向的振动速度和振动速度峰值、V2和V2max分别为坐标2方向的振动速度和振动速度峰值、V3和V3max分别为坐标1方向的振动速度和振动速度峰值、Vmax为观测点总振动速度峰值。

图3 观测点布置

本节分析隧道爆破施工引起的围岩的振动响应，模型中未设置断层。图4给出了观测点总振动速度峰值Vmax和三个方向上的振动速度峰值V1max、V2max和V3max的变化曲线。其中L为原点与观测点在纵深方向上的距离，H为原点与观测点在垂直纵深方向上的距离。

图4 观测点振动响应曲线

从图4中可以看出，观测点振动速度峰值沿着隧道轴向呈先减小后增大的趋势，L＝15 m处观测点处Vmax＝1.18 cm/s，较原点处观测点处Vmax值减小了近20%，可见隧道施工对其有较为明显的影响。隧道横向观测点振动速度峰值随H的增大而逐渐减小，H＝60 m处观测点处Vmax较H＝0 m处观测点处Vmax值减小了约60%，可见隧道施工引起的影响较大。随着H的增大，V1max值先略微减小随后逐渐增大，当H超过35 m后，V1max值随着距离逐渐衰减。V1max值在H＝35 m处较原点处增大了约36%。而观测点振动速度峰值在轴向上呈逐渐减小的趋势，且总体比横向上振动响应大。进一步观察，V1max在原点附近波动剧烈，说明隧道爆破施工在掌子面附近引起的振动波传播具有随机性。如图4c所示，轴向上观测点振动速度峰值V2max随L的增大呈先减小后增大趋势，而横向上观测点振动速度峰值V2max随距离逐渐衰减，可见已开挖隧道对其影响有限。观察V3max变化曲线可知，隧道爆破开挖对轴向观测点V3max的影响较横向观测点V3max的影响更为显著。

4.2 断层弹性模量对岩体远场振动特性影响分析

断层内部含有大量碎块眼岩，且节理裂隙发育，围岩岩体出现张拉破坏现象，严重影响断层围岩的弹性模量。为研究断层不同弹性模量下隧道爆破引起的振动响应影响，建立三种弹性模量工况:Ef＝0.5Er、Ef＝0.73Er和Ef＝1.0Er(其中Ef＝0.5Er为本工程工况；Ef为断层弹性模量，Er为岩体完整状态的弹性模量)。图5给出了观测点振动速度峰值变化曲线。L＝6 m为断层边界。从图中可以看出，不同弹性模量下振动速度变化规律一致，都呈先减小后增大再衰减的趋势。当断层弹性模量越低，爆破引起的振动响应越大，且振动响应衰减更快。

图5 观测点振动速度峰值变化曲线

图6给出了不同弹性模量下V2max/V3max随距离的变化曲线(定义N＝V2max/V3max，下同)。从图中可以看出，N值随着L距离的增大呈先减小后缓慢增大的趋势。另一方面，随着断层弹性模量的减小，N值总体呈减小趋势，但当L距离很大时，这种由弹性模量引起的影响越来越弱。当Ef＝1.0Er时，N值小于1(即V2max＜V3max)所对应的L∥λ范围很小；当Ef＝0.73Er时，N值小于1所对应的L∥λ范围增大为4.3 ×10-3≤L/λ≤11.4 ×10-3；当Ef＝0.5Er时，这种范围进一步扩大。可见，随着断层弹性模量的减小，V2max＜V3max的区域越来越大。

图6 不同断层弹性模量下V2max/V3max变化曲线

图7给出了不同弹性模量下V2max/V1max随距离的变化曲线(定义M＝V2max/V1max，下同)。从图中可以看出，不管断层弹性模量大小，M值均大于1，可见轴向上观测点的竖向振动速度峰值V2max均比径向振动速度峰值V1max大。M值随着L/λ的增大总体呈波动上升趋势，这主要是因为轴向观测点径向振动速度峰值具有随机波动性。

图7 不同断层弹性模量的V2max/V1max变化曲线

4.3 断层宽度对岩体远场振动特性影响分析

为研究不同断层宽度下隧道爆破引起的振动响应影响，建立三种弹性模量工况:B＝6 m、B＝12 m和B＝24 m(其中B＝12 m为本工程工况)。图8给出了观测点振动速度峰值变化曲线。从图中可以看出，在断层范围内，断层宽度对岩体振动响应有显著影响。当断层宽度为6 m时，第一个驻点处的振动速度峰值较原点处衰减了约10%；当断层宽度为12 m时，衰减幅度增大到约27%；当断层宽度为24 m时，衰减幅度进一步增大到约31%。可见，随着断层宽度的增大，振动响应衰减更快，且在断层范围内波动性更大。

图8 不同断层宽度下振动速度峰值变化曲线

图9给出了不同断层宽度下V2max/V3max随距离的变化曲线。从图中可以看出，不同断层宽度下N值的变化规律基本一致:随着L距离的增大，N值先迅速减小，L/λ在7.5×10-3附近达到极小值；随后迅速增大，L/λ在19×10-3附近达到极大值。进一步观察可以发现，断层宽度对岩体振动响应的影响主要集中在掌子面附近；断层宽度越宽，影响越显著。

图9 不同断层宽度下V2max/V3max变化曲线

图10给出了不同断层宽度下V2max/V1max随距离的变化曲线。从图中可以看出，轴向上观测点的竖向振动速度峰值V2max同样均比径向振动速度峰值V1max大。且M值随着L/λ的增大总体呈先增大后减小的趋势；此外，随着断层宽度的减小，曲线的波动性更为显著。

图10 不同断层宽度的V2max/V1max变化曲线

5 结论

以穿过断层的联络通道爆破工程为背景，利用有限元软件建立三维数值模型，分析了爆炸振动波在岩体中的远场振动规律。系统研究了断层弹性模量、断层宽度的影响。得到以下主要结论:

(1)隧道轴向上观测点振动速度峰值呈先减小后增大的趋势，横向观测点振动速度峰值随H的增大而逐渐减小。两个观测方向上V3max值均大于V1max值，且爆破作用下掌子面附近围岩波动性更显著，尤其是V1。

(2)不同弹性模量下振动速度变化规律一致，都呈先减小后增大再衰减的趋势。当断层弹性模量越低，爆破引起的振动响应越大，且振动响应衰减更快。随着断层弹性模量的减小，V2max/V3max值逐渐减小，且V2max＜V3max的区域越来越大。

(3)随着断层宽度的增大，振动响应衰减更快，且在断层范围内波动性更大。且断层范围内，断层宽度对岩体振动响应有显著影响。

(4)不同断层宽度下，N值随着L距离的增大先迅速减小后迅速增大。断层宽度对岩体振动响应的影响主要集中在掌子面附近。断层宽度越宽，影响越显著。