邻近既有隧道的爆炸动力学响应及其防护结构

2021-10-08连卫东谢剑鸣刘锋涛戴北冰汤连生

科学技术与工程 2021年26期

连卫东, 叶娟，谢剑鸣，刘锋涛*，戴北冰，汤连生

(1. 中国路桥工程有限责任公司，北京 100011； 2.中山大学地球科学与学院，广州 510275; 3.中山大学土木工程学院，广州 510275)

随着城市地铁快速发展，隧道工程建设日益增多，新建工程无法避免与既有隧道发生近距离交叉、重叠和并行的现象[1-3]。特别是采用钻爆法等爆破施工过程中极易对邻近既有隧道产生不利的影响[4]，如果爆破施工不当，爆炸振动效应必然会对隧道的结构稳定性造成不同程度的损伤破坏，因此邻近隧道对爆破振动的动力学响应研究已经成了隧道爆破施工的关键问题之一[5]。由于爆破现场试验研究中存在着花费大，实验条件复杂等局限，所以基于有限元等数值模拟方法成了研究隧道的爆炸动力学响应的必不可少的手段之一。由于ANSYS/LS-DYNA软件中显式动力分析有限元程序特别适用于分析爆炸与高速冲击等大变形动力响应问题，因此该方法在中外众多与隧道的爆炸动力学响应相关研究中得到了较为广泛的应用。利用该方法，姚勇等[6]研究了小净距隧道爆破振动特性受围岩、净距、埋深条件的影响；林从谋等[7]分析了爆破时既有隧道结构不同位置点振动速度的特点；王新宇等[8]对相邻隧道不同净距时爆破施工装药量等因素影响下的爆破振动响应进行研究；吴进科等[9]模拟了钻爆施工的不同爆破施工工序对既有隧道结构产生的振动影响；Feldgun等[10]研究了爆破时冲击波在周围介质中的传播及其与附近隧道的相互作用；Mobaraki等[11]对地下不同深度隧道的爆炸动力响应进行分析；Mussa等[12]模拟了地表不同装药量对地下箱形隧道的影响；公伟增等[13]研究了地下砌体结构对爆破振动的响应特征；程平等[14]模拟了隐伏岩溶区小净距隧道的爆破振动响应。在这些研究中，对净距小的邻近隧道爆破振动危害的研究成为焦点问题。通过相关研究发现，对于立体交叉等下穿隧道的情况，邻近线邻近隧道的迎爆面测点的竖向振动速度较大，故顶部和底部中央是爆破震动效应控制的薄弱部位。其次，同等装药量的前提下，爆源距离是影响爆破震动强度的主要因素。有学者提出采用优化施工方案[15]或改良震源来控制振速[16-17]等方法来削弱邻近隧道爆破对既有隧道的影响，但这在小净距且装药量无法降低的情形下效果并不理想甚至难以实现。因此有必要考虑在相邻隧道间布设防护结构。张嵩等[18]提出一种复合泡沫铝保护层防护结构，抗爆性能较好，但考虑经济性，其实用性并不太高。因此如何实现经济有效地对邻近既有隧道的爆破防护成为亟待解决的问题。

根据爆炸防护结构的相关研究发现，具有“硬-软-硬”特征的复合吸能结构，如夹芯板复合结构[19-21]，通过结构中不同材料的力学差异性，将爆炸产生的能量消耗在相对“软”的结构中，在一定程度上削弱了爆炸、冲击等荷载的影响作用。基于此，可以将这样的“硬-软-硬”复合吸能结构设置在立体交叉小净距的邻近隧道之间的区域，势必可以减弱爆破施工对先行隧道的破坏作用。但如果直接将上述的复合吸能结构用作地下工程破坏施工的防护存在施工难度大、成本较高的不足。为此，借鉴“硬-软-硬”复合吸能结构的本质思想，现提出一种适用于隧道爆破施工的防护结构，并通过ANSYS/LS-DYNA分析此防护结构施加前后，在同等装药量的前提下，先行隧道的损失情况，说明所提出的新型防护结构具有施工方便、经济可靠的特点，以期为今后小净距立体交叉隧道的爆破施工提供新方法。

1 邻近隧道爆炸动力学的响应分析

邻近既有隧道的爆破施工是隧道工程中的难点之一，爆破振动势必导致先行隧道的安全受到威胁。例如，深圳市东部过境高速公路连接线工程中的谷对岭南主线与东转南道分岔处出现了上下两条隧道间小净距空间交叉的现象，上跨隧道底部与下穿隧道拱顶间净距最小处仅4 m。首先基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了立体交叉的双隧道耦合体系ALE有限元模型，经过爆破过程的数值模拟分析在未加防护结构时爆破振动对先行隧道的影响作用。

1.1 立体交叉隧道ALE数值模型

该模型主要由围岩、炸药、空气及钢筋混凝土衬砌结构4部分组成，其中采用ANSYS/LS-DYNA软件中MAT005材料模型模拟岩体围岩，其屈服函数为

f=J2-(A0+A1p+A2p2)

(1)

(2)

式(2)中：V为相对比容;A、B、R1、R2、ω为材料常数；E0为初始内能密度。选用ANSYS/LS-DYNA软件中的三硝基甲苯炸药(Tri-Nitro-Toluene, TNT)模型，所需输入参数分别为：装药质量密度5 384 kg/m3，炸药爆速3 600 m/s、炸药爆压5.9×104，初始能量密度为8 000 MPa。钢筋混凝土衬砌采用Cowper-Symonds塑性随动硬化材料模型，其本构关系为

(3)

(4)

式(4)中：E为修正后考虑钢筋影响的钢筋混凝土弹性模量；Et为切线模量。相关研究[22-25]表明：混凝土的强度越高，其抗爆能力越强，相应的钢筋混凝土的抗爆能力越强。根据等效刚度原则，钢筋和混凝土在建模过程中视为一个整体，这里按C50混凝土取E= 30 GPa，Et= 4 000 MPa。ANSYS/LS-DYNA软件中钢筋混凝土模型所需输入参数包括：密度2 500 kg/m3，弹性模量30 GPa，泊松比0.2，屈服强度20.1 MPa，失效应变为0.38%。

最后，采用ANSYS/LS-DYNA软件中9号材料进行空气材料的模拟，空气材料模型在单元处理中可绕过梁单元和壳单元进行计算。此类空气材料的状态方程[26]为

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E0

(5)

将式(5)材料本构模型及参数赋给图1(a)中隧道的爆炸动力学模型，其中上跨开挖隧道设置了一个隧道钻爆施工临空面，将临空面上各炮眼的炸药简化为一个1 346 kg的炸药包，炸药包尺寸为1 m×1 m×0.25 m，下穿邻近隧道衬砌结构厚度为1 m，忽略钻爆开挖时各炮眼间相互作用的影响，只考虑药包爆炸时冲击波对下方隧道的影响。其中上跨隧道的施工临空面往内凹入0.25 m，炸药包设置于临空面距上跨隧道底3 m处的土体中，临空面前方空洞及邻近隧道的衬砌结构处空洞建立相应的空气层。此外，实验还设置了4个不同上下隧道间距工况的模型进行对比，分别是4、6、8、10 m的隧道间距，同理为了更好地观察邻近隧道收到爆炸的响应过程，选取衬砌结构拱顶位置的节点位移进行数值分析。图1(b)所示为模型的网格划分，其中围岩、衬砌结构、空气及炸药在进行网格单元划分时均使用实体单元类型SOLID164进行模拟分析，空气、围岩和炸药材料采用Euler网格建模，下穿隧道的混凝土衬砌结构采用Lagrange网格建模。由于模型为类2D平面模型，且模型结构较规整，所以通过映射网格划分法对模型进行网格划分，网格类型为六面体网格。值得说明的是，在此模型中左右、上下及前后的边界条件均采用无反射边界条件，这样的处理方式与实际情况存在一定差距，但由于炸药模型尺寸相对较小，这一差距对数值模拟结果的影响较小。

1.2 数值结果与分析

在图1所示的立体交叉有限元模型及网格划分的基础上，进行了ALE的数值计算。当后开挖隧道临空面上发生1 346 kg装药量炸药爆炸时，不同间距的上下空间交叉隧道工况中下穿邻近隧道的衬砌结构拱顶位移随时间变化情况如图2所示。从图2中可见，在相同炸药装药量爆炸情况下，随着上下交叉的隧道间的距离增大，下穿隧道衬砌结构拱顶位移峰值相应减小。其中隧道间距为4 m时衬砌结构位移最大，达到96.67 mm，比最小的10 m间距时的结构发生的9.67 mm位移高出899.6%，发生该现象的原因主要是爆炸发生时生成的爆炸冲击波向外传播扩散过程中岩土体不停地吸收爆炸冲击波能量，随着传播距离增加，爆炸能量将逐步衰减降低。因此可知在小净距交叉隧道中，隧道间距越大时岩土体对爆炸冲击能量的削弱越大，最后传递至下穿隧道衬砌结构的能量越小，从而引起的结构位移变形也越小。因此在未加防护结构时，降低爆破施工对先行隧道产生不良影响的最有效的手段是增加隧道间的距离。

图2 不同隧道间距邻近隧道衬砌结构拱顶位移曲线Fig.2 The displacement of the existing tunnel lining arch in different tunnel spacing conditions

2 硬-软-硬“三明治”防护结构对钻爆开挖的影响及分析

根据上述研究可以发现，若要降低隧道爆破施工对相邻先行隧道的影响，直接的做法是增加两条相邻隧道的空间距离。然而，在大多数情况下，特别是城市隧道施工建设过程中，空间上受到限制而无法避免近距离隧道的施工。因此，在相关研究的基础上，借鉴软硬软“三明治”结构的基础上，提出了相距较近的隧道爆破施工的防护设计，即在上下交叉隧道间距为4 m的上跨隧道临空面底部插入此类防护结构，防护结构模型首层及底层的硬层均采用钢筋混凝土材料进行建模，中夹软层材料则采用原模型中的岩土体，即实为在上跨隧道的临空面底部插入两层具一定间隔的混凝土板。具体的数值模型尺寸如图3所示。

图3 硬-软-硬“三明治”防护结构数值模型Fig.3 Numerical model of hard-soft-hard sandwich structure

2.1 不同厚度等厚“三明治”防护结构

采用ANSYS/LS-DNYA软件的ALE方法对图3中的“三明治”防护结构的防爆效果进行了数值模拟与分析。首先考虑等厚的“三明治”防护结构，模型中设置了5种厚度的模拟工况，图4中对比了该5种法案及没有加设防护结构的模拟结果，可以明显地看到防护结构对先行隧道拱顶位移具有明显的减弱作用，且防护结构的厚度越大，先行隧道拱顶的竖向位移越小。

图4 不同厚度的硬-软-硬“三明治”防护结构位移峰值时间历程Fig.4 Time history of peak displacement of hard-soft-hard sandwich with different thickness

表1中还对比了不同厚度防护结构对先行下穿隧道的受损程度的情况。随着防护结构厚度的增加，相同装药量造成的结构位移峰值也出现明显的减少趋势，防护结构为最厚的1.5 m的工况⑤中衬砌结构位移相比无防护结构保护工况中衬砌结构位移减少了82.9%，比防护结构最薄的0.3 m工况①减少了80.7%，衬砌结构的位移峰值出现了极大的降低。由损伤评估结果可看出，工况①的防护结构0.3 m厚度带来的结构保护仍不足够，此时下穿邻近隧道结构依然会发生坍塌，随着防护结构的厚度增加，抵抗爆炸的效果也随之增加，受影响的衬砌结构竖直位移变形减小，当防护结构硬-软-硬层为0.4 m-0.4 m-0.4 m的厚度时，隧道破损评估降低至可修复的中级损伤。

表1 不同厚度的防护结构工况中邻近隧道损伤评估Table 1 Damage assessment of tunnels in protection schemes with different thicknesses

2.2 中夹软层厚度因素对“三明治”防护结构影响及分析

为了研究中间软弱层厚度对“三明治”防护结构的防爆作用的影响，选取该模拟中抵抗爆炸效果较明显的0.4 m-0.4 m-0.4 m硬-软-硬防护结构，在保留上下硬层的厚度不变下，只调整中夹软层的厚度进行定量分析，设置了6个对照组，对比了各工况中下穿隧道的衬砌结构竖向位移峰值(图5)及损伤结果(表2)。由数值模拟的结果可以看出，在相同炸药量爆炸的影响下，防护结构的中夹软层逐渐增大时，下穿邻近隧道衬砌结构的变形位移先是减小，当中夹软层厚度达到了工况④的0.3 m时，结构变形位移最小，防护效果最佳，结构损伤评价也只有中级程度的损伤。但随着夹层厚度进一步加厚，结构变形位移反而开始增大，但此时工况⑤ 0.4 m夹层厚度的结构位移还是比工况③ 0.2 m夹层厚度的结构位移要小，即工况⑤ 0.4 m夹层厚度下硬-软-硬防护结构保护效果比工况③ 0.2 m夹层厚度的防护结构保护效果要好。但当夹层厚度增加至工况⑥ 0.5 m时，隧道结构变形位移突增，比结构位移最小的0.3 m夹层厚度工况④高出43.6%，比无中夹软层的工况①中结构位移则高出5.4%，可得工况⑥防护结构中的软弱夹层0.5 m厚度下已使硬-软-硬交替的多层介质体系抵抗爆炸作用降低，隧道结构损伤评估从工况⑤的中级损伤上升至严重损伤。

图5 不同厚度中夹软层硬-软-硬防护结构中隧道位移峰值对照图Fig.5 Comparison diagram of the peak displacement of the tunnel in the middle and soft layer structure with different thickness

表2 不同厚度中夹软层的硬-软-硬防护结构中隧道损伤评估Table 2 Damage assessment of tunnels in protection schemes with different thicknesses

对比表1和表2、图4和图5可以发现，中间软层厚度的改变可显著影响到防护结构的抵抗爆炸冲击作用的能力，随着中夹软层的厚度增大，下穿邻近隧道衬砌结构的变形位移先是减小至一定程度后再增大，硬-软-硬“三明治”式的防护结构中的中夹软层为消耗层，其岩土体可大变形的特性可起到消耗吸收爆炸冲击能量的作用，但随着其厚度增加，消耗层软度也增加至一定限度时，岩土层的波阻抗也随之降低至无法充分阻挡爆炸冲击波传递的程度，此时软弱夹层失去其消耗层的作用，导致无法有效防护爆炸对结构损害。

2.3 “三明治”防护结构对不同间距隧道钻爆开挖影响及分析

基于上述数值模拟分析，分别在4、6、8、10 m的模型中的上跨新建隧道临空面中插入结构尺寸为0.4 m-0.3 m-0.4 m的防护结构。加入防护结构前后各工况中衬砌结构拱顶位置的竖直位移峰值对比(图6)，损伤情况对比如表3所示。由位移峰值对照结果可得，6 m隧道间距的工况②模型中，衬砌结构位移峰值下降了71.7%，结构损伤评估从严重损伤变为低级损伤，损伤破坏程度降低了两个等级。而8 m隧道间距的工况③和10 m隧道间距的工况④模型中，插入防护结构后的衬砌结构位移峰值降低至2.48 mm及0.064 mm，此时其变形位移基本可以忽略。随着硬-软-硬防护结构的加入，爆炸对不同净间距的空间交叉隧道中的衬砌结构的影响大幅降低，隧道结构受破坏程度得到有效的控制。