刘立军，付烨，肖保怀，白嵩，武立群

（1重庆市建筑科学研究院，重庆400050；2重庆市建设工程质量检验测试中心，重庆400050；3西南大学工程技术学院，重庆400700)

基于既有隧道结构安全性的露天平场爆破控制分析

刘立军1，2，付烨1，肖保怀1，白嵩1，武立群3

（1重庆市建筑科学研究院，重庆400050；2重庆市建设工程质量检验测试中心，重庆400050；3西南大学工程技术学院，重庆400700)

既有运营中的佛龙岗隧道是某园区一横线上的控制性工程。该隧道上方约20m处的场平采用露天中深孔爆破施工，如何控制爆破的药量，达到既能保证隧道结构的安全又能缩短平场爆破的工期、减小爆破的费用，成为爆破控制的关键技术。该文运用LS-DYNA采用数值方法详细分析了不同的爆破距离和爆破药量下，隧道断面的爆破振动速度和应力特征，并将计算结果与规范公式进行了对比分析，对同类工程有一定的参考意义。

下卧隧道；振动速度；爆破控制；应力特征；

引言

露天中深孔爆破广泛地应用于场地平整、路堑开挖等基础建设中，爆破施工技术得到了快速发展。相比之下，对中深孔爆破安全问题的研究还处于落后阶段，其安全问题的首要公害就是爆破地震波对建构/筑物造成的破坏。各国学者致力于研究其产生机制和控制措施。近年来，由于平场爆破施工造成建构/筑物破坏的现象越来越多。许多工程实例已表明，爆破施工如不重视爆破振动的破坏作用并采取适当爆破控制措施，则可能会造成不必要的人员财产损失。关于爆破引起振速的计算，我国广泛运用前苏联的萨道夫斯基公式，并写入我国《爆破安全规程》(GB6722-2014)作为计算质点振速的经验公式，该公式主要考虑装药量和爆心距的影响，场地地形、地质条件采用衰减系数考虑，没有考虑建/构筑物的自身特性和爆破振动对特定、复杂结构的安全性影响问题，尚需根据建/构筑物的自身特性进行准确的爆破振动模拟分析。

1 工程概况

某平场工程地形地貌属山岭坡地地形，地质构造简单，石方以砂岩、泥岩为主，硬度系数f=4～6，岩层稳定，场地内无地下水，拟采用控制爆破平场方式。该爆破平场区域下卧一既有运营中隧道（佛龙岗隧道），且平场标高距离隧道顶部标高仅约20m。隧道采用上下行分离式独立双洞，双向六车道。该隧道左线长度905m，里程起讫桩号为K12+380-K13+285，右线长度902m，里程起讫桩号为K12+393-K13+295。隧址区出露地层主要为侏罗系中统沙溪庙组，岩性为泥岩、砂岩。在隧道进洞口及隧道顶部覆盖有第四系全新统残坡积、崩坡积地层，在出洞口地带覆盖较厚的第四系残坡积地层，在洞身段局部地面分布第四系全新统人工填土层。隧道区内未见滑坡、崩塌、泥石流、地面裂缝等不良地质现象。

佛龙岗隧道双洞均为岩质隧道，围岩分级为：（1）进洞口段，泥岩，围岩级别为Ⅴ类；（2）洞身段1，泥岩，围岩级别为IV类；（3）洞身段2，泥岩为主，夹薄～中厚层状砂岩，围岩级别为IV类；（4）洞身段3，砂岩，围岩级别为IV类；（5）洞身段4，泥岩，围岩级别为IV类；（6）洞身段5，砂岩，围岩级别为IV类；（7）出洞口段，砂岩或土，围岩级别为Ⅴ类。

佛龙岗隧道主要设计参数见表1。

表1 佛龙岗隧道支护结构主要设计参数

2 有限元模拟分析

2.1 计算模型

针对佛龙岗隧道最不利的衬砌结构断面，采用ANSYS/LSDYNA软件建立三维模型进行计算，LS-DYNA模块为通用显式动力分析程序，适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。模型将隧道纵向作为X轴，铅垂向上设定为Y轴，沿隧道掘进方向为Z轴。由于佛龙岗隧道具有20m的埋深，岩体的重量会对隧道结构产生一定的影响，故建模时对模型上部施加了重力加速度，模型上部按实际埋深建。为了减小边界效应的影响，左右边界取为6倍隧道洞宽，下边界取为3倍隧道洞高。将计算模型的四个侧面和底部均设为无反射的固定边界，各边界位移为零，地表设为自由边界。有限元模型单元采用六面体单元，围岩和隧道衬砌单元类型均采用Solid164单元，单元数为58838个。材料组成包括Ⅳ、Ⅴ级围岩组成的岩石材料、锚杆材料、二次衬砌的混凝土材料。浅孔和中深孔爆破荷载通过爆炸冲击波理论和爆炸气体膨胀理论等效成爆破载荷压力曲线（三角型脉冲荷载）简化施加在开挖轮廓面上。三角形曲线的波峰载荷值的大小根据岩石密度、岩体的纵波速度、炸药密度、炸药爆速、爆炸的距离等参数换算确定。本模型计算取爆破荷载的加载时间为10ms，卸载时间为100ms，模拟的求解时间为0.5s。

2.2 计算结果

如图1所示，对隧道模型选取关键部位的节点、单元等参数进行分析，A、E点分别代表佛龙岗隧道同一断面上的拱脚位置，B、D点分别代表佛龙岗隧道同一断面上的拱腰位置；C点代表佛龙岗隧道同一断面上的拱顶位置。

图1佛龙岗隧道断面上的关键节点分布图

2.2.1 振速计算结果

对距隧道不同距离、不同炸药量的爆破振动效应下，佛龙岗既有隧道断面上不同点的最大振速进行计算，结果如表2-表5。

2.2.2 质点振速历程曲线

表2 爆破距离为20m时隧道断面上关键点的计算速度

表3 爆破距离为30m时隧道断面上关键点的计算速度

表4 爆破距离为40m时隧道断面上关键点的计算速度

表5 爆破距离为50m时隧道断面上关键点的计算速度

提取爆破距离为30m、炸药量为80kg时，隧道断面上C点的三向振速时间历程曲线（图2）以及综合振速时间历程曲线（图3）。由曲线可知，在一次具体的爆破振动中，节点在爆破应力波的作用下，其振动速度将在极短时间内达到峰值，而后迅速衰减直至下次爆破应力波到来时再达到峰值。

图2 X、Y、Z三向振速时程曲线

图3综合振速时间历程曲线

2.2.3 隧道断面最大应力分析

根据计算结果，可得到隧道断面上各节点的主应力大小及历程曲线。当控制爆破距离为20m且爆破药量小于20kg、爆破距离为30m且爆破药量小于65kg、爆破距离为40m且爆破药量小于100kg、爆破距离为50m且爆破药量小于130kg时，佛龙岗既有隧道断面上的最大主应力均小于1.6MPa。

3 计算结果分析

按《爆破安全规程》GB 6722-2014推荐，用萨道夫斯基公式对佛龙岗既有隧道爆破振动速度进行计算，可得到不同距离、不同药量下的爆破振动速度。其中，根据试爆结果，公式中的参数取值为：K=230，a=1.60。分别按有限元模拟计算和按萨道夫斯基公式计算的爆破振动速度如下表6。由此可见，采用有限元模拟计算的爆破振动速度比按安全规程计算的振动速度偏小，采用安全规程计算的振动速度来控制爆破药量偏于保守。

表6 佛龙岗隧道爆破控制计算对比

4 结论

（1）本文基于LS-DYNA采用数值方法对平场爆破引起的既有下卧隧道的振动效应的分析方法是可行的，计算结果符合结构力学特征。该方法对于评估建设工程爆破施工对既有建筑物/构筑物的安全性影响有一定的借鉴意义。

（2）采用我国《爆破安全规程》(GB6722-2014)的经验公式计算质点的振动速度，主要考虑了装药量和爆心距的影响，而没有考虑建/构筑物的自身特性，其计算结果，相比有限元模拟结果大体较保守，偏于安全，且当距离越小、药量越小的时候，安全富余系数越大。

（3）当距离越远、药量越大的时候，有限元模拟结果的振动速度大于采用我国《爆破安全规程》(GB6722-2014)的经验公式计算质点的振动速度。因此，对复杂结构进行爆破振动计算时，应同时采用并进行综合考虑各项因素的有限元模拟结果和规程经验公式的计算结果的对比，在此基础上进行爆破药量控制。

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责任编辑：孙苏，李红

Analysis on Open Blasting Control Based on Existing Tunnel Structural Safety

The existing Folonggang tunnel in operation is a control project in an industrial park.Open deep hole blasting construction will be adopted for the field 20m above the tunnel.How to control blasting chemicals volume to assure tunnel structural safety,shorten blasting duration and reduce blasting cost becomes the key technology in blasting control.LS-DYNA and numerical method are applied to analyze tunnel section's vibration velocity and stress characteristics under different blasting distances and blasting chemical volumes,with calculation results and regulatory formula compared and analyzed for reference.

underlying tunnel;vibration velocity;blasting control;stress characteristics；

TU751.9

：A

：1671-9107（2016）11-0029-04

2016-08-11

刘立军（1983-），男，内蒙古赤峰人，研究生，主要从事民用爆破控制与监测研究，材料研究。