刘 拓

(安徽省高速公路控股集团公司，安徽 合肥 230088)

公路隧道爆破对邻近引水隧洞振动响应的分析与实测研究

刘 拓

(安徽省高速公路控股集团公司，安徽 合肥 230088)

岳西—武汉高速公路安徽段明堂山隧道下穿横河二级电站的一条引水隧洞，引水隧洞与左线和右线的最小距离为12.4～14.8 m，地质条件为中风化花岗片麻岩Ⅲ级围岩。为保证隧道近距离爆破施工下穿引水隧洞的安全和稳定，采用动力分析软件LS-DYNA建立三维有限元模型，模拟隧道开挖爆破对引水隧洞的振动影响，并在引水隧洞内布置3个爆破监测点，将数值计算结果和现场监测数据进行对比分析。计算结果表明，在均匀介质模型里，质点振动速度与质点到爆源的距离成衰减关系，爆破对引水隧洞的振速影响控制在5 cm/s以内，其中拱脚影响最大，边墙和拱顶次之，拱腰最小。实测结果与计算规律基本一致，爆破后节点振速很快达到最大，并随时间的增加快速衰减，500 ms后振动波基本消散。研究表明实际爆破采用的炸药当量和爆破方式合理，未对引水隧洞结构安全造成明显影响。

公路隧道；引水隧洞；振动响应；数值分析；现场监测

0 引言

采用钻爆法施工的隧道近距离穿越既有结构物时，爆破施工必然会对临近结构物产生一定程度的不良影响，如何降低爆破振动影响范围和影响程度是设计与施工中必须考虑的一个重要问题。

近年来，国内外学者在隧道爆破施工对周边隧道与建筑物的影响方面开展了许多研究。例如，文献[1-3]对小间距隧道的爆破施工进行了现场实测研究，得到了振动波衰减规律，并探讨了爆破振动的影响区域；文献[4-5]从施工角度研究了爆破开挖方式对小间距隧道爆破振动波传递规律的影响；文献[6-8]对既有隧道受临近小间距隧道爆破施工影响采用数值计算方法进行了研究；文献[9]研究了不同净距、不同进尺条件下立交下穿隧道爆破对既有隧道的振动影响；文献[10-11]采用了希尔伯特-黄变换理论(简称HHT)分析了隧道爆破振动信号频率、雷管起爆时间间隔及其对周边建筑物和隧道的振动影响。尽管上述研究获得了许多成果，但由于隧道所处的工程地质条件不同、环境条件不同，隧道爆破施工对临近结构物所产生的振动效应会有很大差异。

本文以岳西—武汉高速公路安徽段明堂山隧道下穿横河二级电站引水隧洞为工程背景，开展高速公路隧道下穿既有引水隧洞的施工爆破三维动力有限元数值分析和现场实测研究，为隧道爆破施工控制提供依据，以保证引水隧洞的安全和稳定。

1 工程概况

岳西—武汉高速公路安徽段明堂山隧道位于安徽省岳西县五河镇思河村、河图镇明堂村，全长7 548 m，双向四车道，隧道净宽10.25 m，净高5.0 m，设计时速80 km/h。岳西端左侧往赵河下游，距隧道约100 m处为横河二级电站，明堂山隧道下穿该电站一条引水隧洞。引水隧洞全长810 m，为1.8 m×1.8 m城门型毛洞。该引水隧洞与明堂山隧道相交角度为41°；与左线相交于ZK17+880附近，引水隧洞底板与隧道左线开挖轮廓线顶部标高相差约12.4 m；与隧道右线相交于K17+910附近，引水隧洞底板与隧道右线开挖轮廓线顶部标高相差约14.8 m。隧道在该段穿越中风化花岗片麻岩，节理裂隙不发育，岩质较硬，岩体较完整，为Ⅲ级围岩。

2 爆破振动的数值模拟

根据明堂山隧道与引水隧洞的空间位置关系，选取120 m范围的隧道进行爆破动力分析，如图1所示。计算采用LS-DYNA软件，计算尺寸为：108 m(水平方向)×120 m(隧道轴线方向)×82 m(垂直方向)。围岩采用8节点六面体(solid164)等参实体单元来模拟。为了提高计算精度，严格控制单元质量，炸药区六面体网格边长约20 cm，过渡到模型边长约为130 cm。模型单元总数为680 030，节点总数为721 994，边界为无反射边界。隧道为全断面开挖，模型中右洞掌子面超前左洞30 m，分别计算隧道左洞掌子面和右洞掌子面开挖到引水隧洞正下方时施工爆破对引水隧洞的影响。

图1 数值计算模型

模型由炸药、钢筋混凝土、岩石和空气4部分组成，隧道已开挖处和停水后的引水隧洞为空气。炸药采用LS-DYNA自带的高性能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，选用JWL (Jones-Wilkins-Lee Equation) 状态方程。由于数值模拟的困难，将掌子面多个药孔微差爆破施工方式简化为一次爆破的方式，炸药总当量为29.52 kg，位于掌子面的正中央；岩石和混凝土选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料；空气采用MAT_NULL材料，选用GRUNEISEN状态方程。单元采用多物质ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)算法，炸药、岩石、混凝土衬砌和空气相互耦合。

对于爆破荷载作用总时间，一般根据装药形式、段数或对爆破测试记录的分析来确定。本文取爆破荷载曲线典型的加载到峰值应力的升压时间为8～12 ms，卸载时间通常为40～120 ms。由于爆破振动动力分析单元数很多，时间步长很短，为了比较真实又比较经济地模拟爆破振动过程，数值模型的计算时间取为500 ms。

采用相同的模型分别模拟左右洞爆破施工，仅仅是炸药安置点有所区别，分别位于左掌子面上和右掌子面的正中央，计算模型如图1所示。

爆炸动力模拟中，采用Cowper-Symonds应变率模型，材料强度放大系数

(1)

LS-DYNA能自动考虑应变率的影响，因此采用材料准静态加载测得的参数，为参数选取带来很大的方便。炸药、围岩与混凝土的力学参数见表1和表2。

表1 炸药参数表Table 1 Parameters of explosives

注：A1，B1，R1，R2为爆轰JWL状态方程的待定参数。

表2 围岩和混凝土材料参数Table 2 Parameters of surrounding rock and concrete

3 计算结果及现场监测结果对比分析

根据隧道与引水隧洞的空间位置关系，选取引水隧洞内隧道左线正上方(A)、右线正上方(C)和两者中间(B)的拱顶、拱腰、边墙和拱脚处的节点做为特征点考察计算所得的振速时程规律，并将边墙处的计算结果与实测结果进行对比分析。爆破振动特征点与测点位置见图2。

图2 爆破振动特征点与测点位置示意图Fig.2 Positions of blasting vibration characteristic points and monitoring points

3.1 左洞爆破特征点振速计算结果

图3—6分别给出了左洞爆破时A，B，C点位置处拱顶、拱腰、边墙和拱脚的数值计算振速时程图。

图3 拱顶振速时程图

图4 拱腰振速时程图

图5 边墙振速时程图

图6 拱脚振速时程图

由图3—6可知，左洞爆破时，对应正上方引水隧洞处(A点处)振速最大，距离越远，振速越低。爆破后节点振速在20 ms以内很快达到最大，并随时间的增加快速衰减，500 ms后振动波基本消散。拱脚、边墙、拱顶和拱腰处的最大振速见表3。

表3爆破施工时引水隧洞计算振速最大值
Table 3 Calculated maximum vibration velocity of water conveyance tunnel induced by blasting cm/s

项目拱脚边墙拱顶拱腰左洞爆破施工时的最大振速28141209右洞爆破施工时的最大振速28101208

由表3可知，拱脚的最大振速最大，为2.8 cm/s，最大振速从大到小依次为拱脚>边墙>拱顶>拱腰，最大振速均小于5 cm/s。根据长江水利水电研究院的振速和破坏标准可知，隧道结构是安全的，可见爆破采用的炸药当量是基本合理的。但为了保证隧道爆破开挖不会对引水隧洞的稳定性造成不利影响，应对引水隧洞位置影响段爆源最大段炸药进行严格控制。

3.2 右洞爆破特征点振速计算结果

右洞爆破时的结点振速时程与左洞爆破类似，对应正上方引水隧洞处(C点处)振速最大，距离越远，振速越低，各节点振速在爆炸500 ms后基本消散。为节约篇幅，这里直接列出拱脚、边墙、拱顶和拱腰处的最大振速，见表3。由表3可知，拱脚的最大振速最大，为2.8 cm/s，最大振速从大到小依次为拱脚>拱顶>边墙>拱腰。计算结果同样表明，最大振速均小于5 cm/s。

3.3 爆破振动实测与计算对比分析

测振仪分别布置在隧道左线正上方(A)、右线正上方(C)和两者中间(B)的边墙位置处，测点的仪器安装图如图7所示。

(a) 左线正上方测点A

(b) 两者中间测点B

(c) 右线正上方测点C

以引水隧洞内隧道左线正上方A点为例，左线爆破时的振动监测结果如图8所示。爆破施工振速合矢量实测最大值见表4。

图8 A点爆破振动监测图

表4爆破施工振速合矢量实测最大值
Table 4 Measured maximum values of vibration velocity induced by blasting

爆破区域测点实测值/(cm/s)计算值/(cm/s)左线ZK17+870～+8725A073140B072050C030038右线K17+920～+9225A020010B036018C107098

由表4的计算和实测的对比可知，数值模拟的结果与监测结果较为接近，反映出实际爆破开挖所采取的方案是安全的。爆破后引水隧洞内的实际观测未见大尺寸掉块和明显开裂，仅有零星掉块，主要是引水隧洞表层片状剥落和松动的岩块。由此可见，明堂山隧道爆破施工未对引水隧洞造成明显的损害。

4 结论与讨论

1)本文建立了明堂山隧道爆破施工对上方引水隧洞振动影响的三维动力有限元数值模型，计算结果表明，质点振动速度与质点到爆源的距离呈衰减关系，对于引水隧洞同一截面处，最大振速从大到小依次为拱脚>边墙、拱顶>拱腰。

2)由于数值计算采用一次爆破方式，不能完全真实地反映实际微差爆破的情况，故数值计算的结果与实测值有一定的差异，但总体上规律基本一致，且较为接近。因此，数值模拟研究爆破施工对周边结构物的振动影响有一定的参考价值。

3)以本文引用的长江水利水电研究院的振速和破坏标准(v<5 cm/s)，实际爆破采用的炸药当量(29.52 kg)和爆破方式是合理的，除了爆破点正上方引水隧洞拱脚附近岩石振速较大外，其他地方的振速都不超过1.5 cm/s，因此引水隧洞是安全的。为了保证隧道爆破施工不会对引水隧洞的稳定性造成不利影响，应对影响段最大段炸药进行严格控制。此外，需要对引水隧洞边墙和拱顶做防护措施，以防松动岩块掉落。

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新技术填补我国隧道爆破施工技术空白

在河南省洛阳市刚刚拉下帷幕的“中国工程爆破协会20周年大会”上，“双套管偏心水耦合切缝聚能爆破综合技术”获2014年第七届中国工程爆破协会科学技术二等奖。该科技成果为国内首创，处于国内领先水平，填补了我国隧道爆破施工技术的空白。

该科技成果的成功开发和运用，能节省炸药使用量，提高隧道光面爆破质量和围岩的安全性，有效控制超挖，减少初期支护和二次衬砌混凝土用量，缩短施工工期。经统计，该技术比常规光面爆破节省投资约150万元/km，降低了施工成本，减少了能源消耗，有助于改善隧道工程技术人员及施工人员的工作环境。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=c527ece1-7add-4c05-b55d-6ee16c3f3981&CtgId=d0faad2d-fcf1-435f-ace9-358da57ba4b1 2014-12-02)

AnalysisonandMonitoringofInfluenceofBlastingVibrationofHighwayTunnelonAdjacentWaterConveyanceTunnel

LIU Tuo

(AnhuiExpresswayHoldingCorporation,Hefei230088,Anhui,China)

Mingtangshan tunnel on Yuexi-Wuhan highway crosses underneath a water conveyance tunnel of Grade II Hydro-power Plant on Henghe River.The minimum clearance between the water conveyance tunnel and the left highway tunnel tube and that between the water conveyance tunnel and the right highway tunnel tube are 12.4 m and 14.8 m respectively.The highway tunnel is located in Grade III surrounding rock of moderately-weathered granitic gneiss.In the paper,the influence of the blasting vibration of the highway tunnel on the water conveyance tunnel is simulated by means of 3D finite element model established by dynamic analysis software LS-DYNA.3 blasting vibration monitoring points are installed in the water conveyance tunnel,and comparison and contrast is made between the numerical calculation results and the measured data,so as to ensure the safety and stability of the water conveyance tunnel.The calculation results show that in homogeneous media,the vibration velocity of the particle attenuates as the distance from the particle to the explosion point increases; the vibration velocity of the water conveyance tunnel induced by the highway tunnel blasting shall be controlled below 5 cm/s; the influence of the highway tunnel blasting on the water conveyance tunnel at the arch foot is the most serious,followed by that at the side wall and that at the crown,with that at the haunch being the smallest.The measurement result agrees well with the calculation results; the vibration velocity reaches its peak quickly after blasting,attenuates quickly as time goes by,and dissipates after 500 ms.The study demonstrates that the blasting scheme and the explosives quantity adopted for the highway tunnel are rational,which have no obvious effect on the structural safety of the water conveyance tunnel.

highway tunnel; water conveyance tunnel; vibration influence; numerical analysis; site monitoring

2014-09-02;

2014-10-26

交通运输部建设科技项目(2013318J02120)

刘拓(1966—)，男，安徽合肥人，2007年获得合肥工业大学建筑与土木工程专业工程硕士学位，高级工程师，现从事高速公路项目建设管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.002

U 45

A

1672-741X(2014)12-1126-05