山岭隧道爆破条件下初支混凝土振动影响研究

2022-06-06万春浪黄文宁

西部交通科技 2022年3期

关键词：爆破

万春浪　黄文宁

摘要：文章以我国西部某省的某小径距山岭隧道为工程背景，采用有限元软件Midas GTS NX研究了不同隧道开挖方法下相同爆破动载的初支混凝土振速和爆破中心点距离之间的关系，分析了爆破载荷对初支混凝土的影响，并提出了适宜山岭小径距隧道的爆破开挖方法。

关键词：山岭隧道;初支混凝土;爆破;小径距隧道

中图分类号：U455.6A210755

0 引言

我国西部地区为多山地貌，在该类地区修建高等级公路，遇到复杂地质围岩时，受特殊地形限制，不可避免地需要修建小径距隧道。对于硬质岩地区，传统的机械开挖方法并不适用，爆破施工方法在现有技术条件下具有较高的经济效益和施工效率，在公路隧道挖掘中得到了广泛的应用[1-2]。但爆破振动容易导致隧道初期支护混凝土的开裂，使隧道结构的安全受到干扰，产生巨大的噪声及振动等一系列严重问题，尤其是对于小径距的山岭隧道而言。因此，对于小径距山岭隧道的爆破施工，必须研究初支混凝土的动态响应和微扰动设计[3]，才能够有效地控制爆破振动，确保隧道工程安全高效地完成。

目前，国内外的研究学者在不同的工程背景下，对隧道爆破施工的初支混凝土动态响应和扰动设计问题进行了大量有益的研究。胡锦华[4]通过现场试验并结合测振仪模拟研究了山岭隧道爆破过程中振动对二次衬砌混凝土的内部损伤，并得出新浇筑12 h以内的混凝土在爆破作用下受影响最大的结论。刘闽龙等[5]通过结合LSDYNA软件及数值模拟研究了浅埋小径距隧道断面爆破周围的损伤范围，并得出小径距隧道爆破最大损伤范围为0.58 m的结论。褚玉成、王众等[6-7]通过数值模拟手段以及现场试验分析了爆破作用下的初支混凝土的力学演变机制，得出了爆破振动在初支混凝土中的能量衰减规律及龄期混凝土的爆破损伤规律。

如今，我国隧道的修建数量已成为世界第一，隧道修建的方式方法也发生了较大改变，尤其在复杂地质条件下修建的山岭小径距隧道，对其稳定性机制的研究仍存在较大空间，为此，本文采用有限元软件Midas GTSNX进行了山嶺小径距隧道在爆破振动条件下的稳定性机制分析，主要研究了爆破载荷作用下初支混凝土的振速与爆破中心点距离之间的关系，分析了爆破载荷对初支混凝土的影响，并以此提出了适宜山岭小径距隧道的爆破开挖方法和爆破参数。研究结果为揭示小径距山岭隧道爆破施工中的初支混凝土稳定性力学机制提供了参考依据。

1 工程概况

本研究以我国西部地区某省的山岭小径距隧道为工程依托。该山岭隧道位于该省A、B两市之间，是两市高速公路交通枢纽的控制性工程。如图1所示，该隧道是一座双向分离式隧道，左幅全长5 762 m，右幅全长5 589 m。该隧道是一个小径距隧道，其出入口之间，高差69 m，纵坡-1.89%（单向坡），最大埋深864 m。根据对地质资料的初步勘探表明，隧道区域以花岗岩为主，主要的岩体结构由一系列的褶皱和断层组成，Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩交替存在，其中隧道左幅Ⅲ级围岩共647 m，Ⅳ级围岩4 126 m，Ⅴ级围岩989 m;隧道右幅Ⅲ级围岩共698 m，Ⅳ级围岩4 208 m，Ⅴ级围岩683 m，由此可见本隧道工程总体围岩情况较差。因此，隧道开挖采用了不同施工方法，整体以钻爆法为主。

2 隧道爆破施工计算参数的选择

2.1 岩体及初支计算参数

由于该隧道通过的地质环境以Ⅳ级围岩居多，围岩自稳能力较弱，在爆破施工过程中容易破坏或崩塌，因此选择Ⅳ级围岩断面进行爆破影响分析。对于不同的爆破因素及不同开挖工法下，采用摩尔-库仑模型修正的岩土体本构计算模型及其物理力学性能的计算值，如表1所示给出了施工中围岩破坏的有限元计算模型具体参数。

2.2 隧道数值计算模型的建立

由于隧道爆破采用光面爆破形式，实际爆破动力无法按真实模拟，因此，在进行数值模型建立时：（1）假设隧道爆破过程的复杂性可以简化，对于复杂的爆破面，用静力等效的分布面进行替代;（2）对于次要边界面，如远离爆破孔的围岩接触面，假设其符合圣维南原理。在此基础之上，选择隧道模型的横截面尺寸为隧道直径的8倍。如图2所示即隧道和岩体的三维固体有限元模型。在进行长度选取时，由于隧道Ⅳ级围岩最长连续长度为1 000 m，因此为节省数值模拟计算时间，选择最具代表性的隧道长度进行计算，故本模型计算宽度为81.6 m，长度为8 000 m，高度为76 m[6]。模型中的围岩定义为三维实体元素，初支定义为板元素，材料性质均假定为线弹性材料。隧道初支混凝土材料计算参数如表2所示。

2.3 爆破荷载计算

结合三维数值模拟软件的特点，一次性收集爆破孔后，考虑到在爆破现场难以建立单一的爆破孔单元，假设爆破压力同时作用在隧道爆破轮廓线及隧道壁，在垂直方向上，爆裂压力的计算公式如下：

式中：Pdet——爆破压力（kPa）;

PB——孔壁压力（kPa）;

Ve——爆破速度（cm/s）;

de——乳化炸药直径（mm）;

dh——钻孔直径（mm）;

sge——火药比例。

利用上述方程，计算爆破产生的空气动力压。但在实际工程中，作用于孔壁的动压会随时间而变化。因此，在计算爆破载荷时，可以使用Statfield给出的时空相关的动力压方程，该计算方程如式（3）所示。

式中：B——常数，取163.38。

由式（3）可以计算出每1 kg所产生的动力压，由此，再根据式（1）、式（2）可以计算出隧道爆破时的爆破荷载。式（3）中参数如下：乳化炸药直径为32 mm，爆孔直径为42 mm，爆破速度为4 500 mm/s。

本研究在计算过程中，以测量到的爆破振动波作为动态载荷。振动波的高频部分会影响其在模型中的传播。高频振动波的波长需要比模型中的网格尺寸的滤波小8～10倍，因此采用希尔伯特-黄变换（HHT）小波处理方法对高频振动波进行处理。如图3和图4所示为计算出的爆破时间-荷载曲线图和傅里叶光谱曲线图。爆破动力载荷在约6 ms时达到最大值。

综上，在进行数值模拟计算时，为最大程度反映隧道初支混凝土在爆破荷载下的影响，本文研究爆破荷载参数均按上述最高值进行选取。由于数值模拟计算采用全断面法、上下台阶法及三台阶法三种开挖方式开挖，为避免因能量不同导致的结果偏差，在进行数值计算分析时，本文均假设隧道爆破面为全断面。

3 数值模型结果分析

该隧道由于两幅间距较小，仅有4.5 m，且隧道埋深大，开挖距离大，且整体工程地质条件差，施工难度极具挑战性。因此本文对隧道的不同施工方法进行了三维数值模拟。主要模拟了三种不同开挖方法条件下的隧道在最大爆破荷载下的初支混凝土振速随爆心距变化的规律。

3.1 全断面法施工爆破荷载下的初支混凝土振动影响

如图5（a）所示为全断面施工条件下的隧道断面数值模拟图，图5（b）为全断面施工条件下的隧道断面初支混凝土在最大爆破荷载下振速衰减随爆破中心带距离的变化曲线图。从图5（b）可以看出，全断面法爆破荷载下隧道拱顶、拱腰及拱脚处的振速均随爆破中心带距离的加大而减小，且三者的减小趋势趋于一致，峰值振速大小相同，在距爆破中心点越近位置，初支混凝土振速越大，并在0～5 m位置达到峰值，超过140 cm/s。振速变化总体趋势明显呈现两个阶段变化：

（1）第一阶段，距离爆破中心点<10 m位置，隧道拱顶、拱腰、拱脚的振速随距离增大快速衰减，几乎呈现直线下降。此阶段初支混凝土一般表现为遭受强烈振动，最容易开裂，也是最危险的位置。

（2）第二阶段，远离隧道爆破中心带>30 m。此阶段隧道初支混凝土受爆破振动影响已经很小，隧道拱脚、拱腰、拱顶位置的振速已基本降为10 cm/s，但在全断面法开挖隧道中，爆心距直至70 m的振速仍然未减小至0。

3.2 上下台阶法施工爆破荷载下的初支混凝土振动影响

图6（a）为上下台阶法施工条件下的隧道断面数值模拟图，图6（b）为上下台阶法施工条件下的隧道断面初支混凝土在最大爆破荷载下振速衰减随爆破中心带距离的变化曲线图。从图6（b）可以看出，上下台阶法爆破荷载下隧道拱顶、拱腰及拱脚处的振速均仍随爆破中心带距离的加大而减小，但三者的峰值振速明显存在不同，尽管减小趋势趋于一致，但在拱脚处由于下台阶未进行开挖，峰值明显小于拱腰及拱顶，仅有90 cm/s，拱腰及拱顶的峰值振速也明显小于全断面法开挖。振速变化总体趋势仍明显呈现两个阶段变化：

（1）在距离爆破中心点<15 m的位置，隧道拱顶、拱腰、拱脚处的振速随距离增大快速衰减，峰值振速出现位置为10 m左右。由于拱脚很大区域未进行开挖，因此拱脚振速很快在爆破中心点附近衰减，对15 m以外初支混凝土结构安全影响较小。此阶段仅有少部分初支混凝土遭受强烈振动，由于振速较小，混凝土开裂的可能性也大大降低，危险明显减弱。

（2）在远离隧道爆破中心带15 m之外。此阶段隧道初支混凝土受爆破振动影响已很小，隧道拱脚、拱腰、拱顶位置的振速已基本降为5 cm/s，并在55 m位置处，混凝土振速逐渐向0靠近。

3.3 三台阶法施工爆破荷载下的初支混凝土振动影响

图7（a）为三台阶法施工条件下的隧道断面数值模拟图，图7（b）为三台阶法施工条件下的隧道断面初支混凝土在最大爆破荷载下振速衰减随爆破中心带距离的变化曲线图。从图7（b）可以看出，三台阶法爆破荷载下隧道拱顶、拱腰及拱脚处的振速随爆破中心带距离变化趋势整体与上下台阶法相同，但三台阶法由于开挖时采用的施工工艺从两个台阶改为三个台阶，其能量吸收范圍更多，在进行爆破时，尽管表现趋势仍为两阶段形式，但此时的振速相比于上下台阶法又有所减小，尤其是对于拱脚位置的振速已经降为80 cm/s，振动影响范围控制在5 m左右;拱腰位置的振速已经降为90 cm/s以下，振动范围控制在8 m左右;拱顶振速大小降为100 cm/s，振动影响范围控在10 m位置左右。

综上对比，在爆破动能相同的条件下，采用数值模拟方法，对初支混凝土的爆心距-振速曲线进行研究，发现无论是全断面法、上下台阶法还是三台阶法施工，隧道初支混凝土振速峰值均出现在拱顶位置，其次是拱腰位置，拱脚振速峰值最小。由此说明，采用爆破法施工的隧道无论采用以上哪种方式进行开挖，隧道的最大振速均出现在拱顶位置，也是隧道初支混凝土受力最不利点。因此，在进行初支混凝土喷射时，拱顶宜加强支护。由隧道初支混凝土的爆心距-振

速曲线规律可以发现，无论采用何种方法进行隧道爆破开挖，最不利位置均为靠近隧道爆破中心点位置，其中全断面法开挖的隧道影响距离最广，上下台阶法次之，三台阶法影响最小，且三台阶法施工与上下台阶法施工各方面指标接近，但三台阶法开挖施工工艺较其他两种更为复杂，造价更高。因此，综合经济及开挖效率等综合因素，在进行Ⅳ级围岩开挖时，建议采用上下台阶法开挖。

4 结语

本文在数值模拟软件Midas GTS NX的辅助下，研究了不同隧道开挖方法下相同爆破动载的初支混凝土振速和爆破中心点距离之间的关系，分析了爆破载荷对初支混凝土的影响并以此提出了适宜山岭小径距隧道的爆破开挖方法。得出以下结论：

（1）隧道开挖过程中，无论采用何种方法开挖，隧道受爆破振动影响的趋势范围基本相同，其中拱顶受爆破振动影响最大，其次是拱腰，拱脚影响最低。

（2）对于Ⅳ级围岩条件下的小径距隧道开挖，不同开挖方式条件下隧道受爆破影响差异较大，其中全断面法开挖影响最大，其次是上下台阶法，三台阶法影响最小。

（3）综合经济效率等多角度，在山岭小径距隧道开挖方法选择中，宜优先考虑采用上下台阶法进行施工。

参考文献

[1]彭宇峰，单仁亮，宋永威，等.隧道爆破引起喷射混凝土累积损伤研究[J].混凝土，2020（8）：61-66.

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[3]叶红宇，卓越，杨小林.隧道衬砌混凝土爆破振动能量传播规律试验[J].科学技术与工程，2019，19（18）：296-301.

[4]胡锦华.山岭隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响[J].混凝土，2021（9）：149-152，160.

[5]刘闽龙，陈士海，孙杰，等.浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析[J].爆炸与冲击，2021（11）：146-154.

[6]褚玉成，陈剑杰.地下核爆炸作用下岩石物理力学性质的变化特征[J].工程地质学报，1994（4）：53-58.