隧道近距离下穿既有引水隧洞爆破振动影响研究

严雅梅 管亚君 陈旭强

摘  要：爆破施工对临近既有隧洞结构安全影响较大，以工程实际为例，采用数值模拟方式分析爆破施工对既有隧洞的振动影响。结果表明，既有隧道影响面与爆源距离直接影响爆破振动速度，在同一断面上，隧道顶部和侧方振动速度要高于底部区域，同时爆破药量对临近既有隧洞影响较大，建议合理控制装药量和爆破控制范围减小爆破施工对既有隧洞的影响。该研究内容可为类似工况隧道爆破施工提供理论参考借鉴。

关键词：隧道；爆破；振速；数值模拟；位移

中图分类号：U451+.2      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0063-05

Abstract： Blasting construction has a great influence on the structural safety of the adjacent existing tunnel. Taking the engineering practice as an example， the influence of blasting construction on the vibration of the existing tunnel is analyzed by numerical simulation. The results show that the distance between the influence surface and the blasting source of the existing tunnel directly affects the blasting vibration velocity. On the same section， the vibration velocity of the top and side of the tunnel is higher than that of the bottom area， and the amount of blasting charge has a great influence on the adjacent existing tunnel. It is suggested that the charge quantity and blasting control range should be reasonably controlled to reduce the influence of blasting construction on the existing tunnel. This study can provide theoretical reference for tunnel blasting construction under similar working conditions.

Keywords： tunnel; blasting; vibration velocity; numerical simulation; displacement

隧道爆破施工对周边既有建（构）物的影响是一个普遍的问题，爆破施工中地震波在传播过程中会发生衰减，随着距离的增加振动强度也随之减弱，持续时间也随之缩短[1-2]。黄柯[3]以某新建隧洞考虑非控制爆破阐述对既有隧道的影响；李钰玺[4]分析研究了新建隧道爆破对既有隧道衬砌的动力效应；张仁根等[5]研究小净距隧道爆破施工对相邻隧道振动的影响研究；李飞等[6]采用FLAC3D数值模拟方式研究了临近隧道爆破振速与装药量、振源距离和围岩性质的相关性；张青江[7]采用FLAC3D数值模拟方式研究软弱破碎围岩小净距隧道洞口段爆破振动的影响，结果表明爆源断面对后方围岩的影响大于前方；贾永胜等[8]研究了露天爆破施工对临近既有隧道振动的影响。本文以实际工程为背景，针对双线隧道近距离下穿既有引水隧洞爆破振动进行数值模拟分析，研究爆破振动时程特点和变化规律，分析既有隧洞变形量，讨论安全振速下的合理装药量，为爆破施工提供理论参考依据。

1  工程概况

良睦路道路工程新建隧道近距离下穿既有引水隧洞，隧道顶距离引水隧道底10.65～11 m。隧道左右线最小净距21 m，如图1（a）所示，在穿越引水隧洞前后采用光面爆破开挖。下穿区段范围内地层岩性为中风化泥灰岩和中风化钙质泥岩交界处，围岩为IV3级，洞身段穿越中风化泥质灰岩，围岩为IV2级。

2  分析模型

2.1  建立模型

采用Midas GTS NX有限元分析软件进行三维数值模拟计算。模型整体取X方向100 m，Y方向120 m，Z方向100 m。整体网格共划分节点单元200 598个，其中对新建隧道衬砌结构用板单元模拟，定义材料属性为弹性材料，隧道四周围岩地层采用实体单元模拟，材料属性选用为摩尔-库仑模型，模型边界采用曲面弹簧单元模拟，如图1（b）所示。图2为模型内部结构图。

对于爆破振动引起的冲击荷载，采用软件时程函数来模拟，并转化成作用到孔壁上的孔壁压力。施加在爆破断面掏槽眼上的面压力如图3所示，通过荷载定义时程函数荷载衰减形式如图4所示。

本次数字模拟基本假定条件如下。

1）爆破荷载以压力形式均匀作用在隧道壁上，形成法相应力，爆破荷载以函数曲线为脉冲形式输入软件，即图4所示。

2）分析爆破振动波在岩体中的传播规律，取爆破计算时间为1 s。

2.2  参数设置

新建隧道爆破采用乳化炸药，非电毫秒雷管起爆，微差爆破，周边眼采用导爆索起爆。本文仅研究导洞掏槽眼装药爆破影响分析，掏槽眼采用楔形掏槽式，进深为1 m，其他眼深度为0.8 m，预计进尺0.5 m，掏槽眼布置如图5所示。掏槽眼采用连续装药结构，布设10个孔，计划平均每孔装药量0.5 kg，总装药量5 kg。周边孔隧道开挖轮廓线布置，炮孔间距E=55 cm，根据m=E/W，m=0.688。

掏槽眼段选用岩石乳化炸药，其爆速为3 500 m/s，密度为1 g/cm3。计算输入参数见表1。模拟掏槽爆破点在右线中导洞开挖正下穿引水隧洞前15 m处，如图6所示，计算掏槽眼一次最大装药量5 kg，分析爆破对既有引水隧洞振动及位移变形的影响。

为了进行特征值分析，通过弹性边界来定义支座的边界条件。计算通过曲面弹簧定义弹性边界，弹性系数根据道路设计规范的地基反力系数计算。

竖直地基反力系数为

水平地基反力系数为

式中：                                ，Av和Ah分别为地基竖向和水平向的面积，E0为地基弹性模量，系数α一般输入1.0。

软件特征值分析求得第1、2振型周期值分别为0.279 743、0.213 484 s。

3  数值模拟结果及分析

计算选取既有引水隧洞底部（81 318、81 298、81 288、81 285、81 426和81 315）6个节点在不同时刻的速度时程变化，各节点平面位置如图7所示。

为了研究爆破面节点时程变化，选取右线爆破截面四周中位（上42 360、下42 382、左42 376、右42 381）分布节点且位于迎爆面上，分布节点截面布置如图8所示。

3.1  振速时程分析

模型计算时间取1 s时程分析计算，计算步骤设定为200步，图9和图10为典型分布点的振动速度时间历程曲线图。

3.1.1  右线爆破截面节点振动时程分析

由图9可知，模拟爆破右线围岩中导洞掏槽装药爆破，右线迎爆面方向上上下中位分布点42 360（位于隧道爆破点正上方）峰值速度为5.28 cm/s，振速峰值产生时间主要在0.01～0.1 s，爆破计算0.1 s后振速逐渐衰减；左右中位分布点峰值速度为1.43 cm/s，爆破源对垂直向的振速影响大于水平向。

3.1.2  既有引水隧洞底部节点时程振动分析

由图10可知，隧道爆破点正上方引水隧洞底部（节点81 285与节点81 288）峰值速度为5.25 cm/s，振速峰值主要发生在0.01～0.1 s，在0.1～0.2 s振速维持在0.595 cm/s上下振荡，0.2 s后振速呈现衰减趋势，其余各点的速度变化规律基本一致，距离爆源位置较近的点影响较大。

3.2  引水隧洞振速时程节点分析

针对爆破计算不同时间节点，分析得出开挖围岩及既有引水隧洞结构在爆破时间里的整体振速影响等值线云图，如图11所示。

由图11可知，爆破引起振动随这个时间的推移，振速是逐渐减小，在0.2 s时爆破主要影响范围爆源左侧既有引水隧洞，当0.2 s后爆破响应区域主要在既有隧洞右端，既有隧洞的振速显著减小。

3.3  地层及既有隧洞位移分析

针对爆破计算不同时间节点，分析得出隧道开挖围岩及既有引水隧洞结构在爆破计算时间内的位移等值线云图，如图12所示。

由图12可知，爆破引起的变形主要集中在爆源四周部位，随着爆破时间的推移，最大变形量基本一致，维持在4 mm左右，最小变形量逐渐减小，0.2 s时的最小变形是0.8 s时的3.3倍。

针对爆破计算不同时间节点，分析得出新建隧道完成衬砌结构在爆破时间里的振速等值线云图，如图13所示。由图13可知，爆破引起的振动主要影响已完衬砌的垂直向且位于隧道端部范围，随着时间的推移，振速不断衰减，相较于土体振速，衬砌结构振速整体较小，得出爆破引起的振速对属性不同的材料影响强度不同。

3.4  不同炸药量爆破时程节点振速分析

通过改变不同炸药量起爆对既有引水隧洞振速模拟分析，当掏槽眼一次最大装药量10 kg爆破时，分析计算不同时间节点开挖面地层及既有引水隧洞结构振速影响，如图14所示。由图14可知，随着爆破时间的推移，振速逐渐减小，引水隧洞结构振速达到10 cm/s以上。对比装药量5 kg与10 kg同时间节点时可知，装药量的提高，相同时间的节点振速具有显著提高。

4  结论

本文以数值模拟方式研究新建隧道爆破对围岩及既有引水隧洞影响，结果表明：

1）爆破振速峰值位于爆源迎爆断面上，右线迎爆面方向上下中位节点42 360振速最大（位于爆源正上方），峰值速度为5.28 cm/s，左右中位节点峰值速度为1.43 cm/s，振速峰值主要发生在0.01～0.1 s，爆破源对垂直向的振速影响大于水平向，随着时间的推移，整体振速不断衰减。

2）对比不同爆源距离节点振速可得距隧道爆破点正上方引水隧洞底部（节点81 285）振速最大，峰值速度为5.25 cm/s，爆源位置较近的振动影响强度越大。当装药量为5 kg时且在爆破计算周期内，开挖围岩及既有引水隧洞结构最大总位移为4.28 mm，爆破对新建隧道已完成衬砌结构振动峰值小于四周围岩。

3）对比不同炸药量的分析结果可知，随着装药量增加，爆破产生振速随之也增加，当掏槽眼一次装药量达到10 kg时，引水隧洞结构振速大于10 cm/s。根据GB 6722—2014《爆破安全规程》[9]的爆破振动安全允许标准，新建隧道爆破施工掏槽眼建议一次装药量不大于10 kg，以减小爆破对既有引水隧洞结构的振动影响。

参考文献：

[1] 廖政权.工业爆破的地震效应及其防护[J].火炸药，1986（1）：39-44.

[2] 熊代余，顾毅成.岩石爆破理论与技术新进展[M].北京：冶金工业出版社，2002：13-165.

[3] 黄柯.新建分洪隧洞下穿既有公路隧道控制爆破范围研究[J].四川建筑，2023，43（2）：131-135.

[4] 李钰玺.隧道爆破施工对临近既有隧道结构安全的影响[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[5] 张仁根，吴文琦.爆破开挖时小净距隧道的合理间距研究[J].公路，2011（8）：277-281.

[6] 李飞，陈卫忠，李术才，等.高速公路浅埋大跨度双跨连拱隧道爆破振动影响研究[J].岩石力学与工程学报，2004（S2）：4744-4748.

[7] 张青江.爆破震动条件下小净距隧道动力特性分析[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（10）：226-227.

[8] 贾永胜，司剑峰，韩传伟，等.露天爆破对邻近既有隧道影响的仿真分析[J].工程爆破，2023，29（3）：1-7.

[9] 爆破安全规程：GB 6722—2014[S].2014.