郝瑞军 ，郝永明

（1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交路建南方工程有限公司，重庆 400047）

1 引言

近年来，我国大力推进“一带一路”建设倡议，构建交通强国的宏伟蓝图，而完善交通基础设施是其中的重要组成部分。小净距隧道是介于连拱隧道与分离式隧道之间的一种结构形式【1】，由于其中夹岩厚度比常见的隧道要小得多，一般小于1.5 倍隧道开挖断面的宽度。由此可以看出，小净距隧道爆破施工比普通隧道岩更加困难。

国内外学者对小净距隧道爆破振动作了一些研究，龚建伍等【2】采用了现场监测方法对小净距隧道中间岩柱在爆破荷载下的振动响应，分析了不同围岩级别和不同监测点振动波的传播及分布规律。姚勇等【3】采用数值模拟方法研究了不同围岩级别、净距大小和埋深等条件下小净距隧道爆破振动响应，并提出了针对中岩墙不稳定状态下的加固措施。林从谋等【4】依据现场监测数据回归分析，得到了中夹岩和既有隧道壁面上质点振动速度随时间的变化规律。Mo You 等【5】以小型间隔巷道截面为例，精确模拟了爆破振动过程，得到了巷道的峰值振动速度响应。

本文基于数值仿真模拟了小净距隧道爆破荷载作用下围岩的振动响应。并基于Hypermesh 建立了小净距隧道爆破分析模型，采用LS-DYNA【6】计算出了爆破振动效应，研究了不同中夹岩厚度、不同超前距离时小净距隧道爆破振动规律。

2 工程概况

里平Ⅱ号隧道位于贵州省余庆至安龙高速公路罗甸至望谟段，为分离式长隧道，全长2 177m，最大埋深约232.7m，隐伏溶洞主要位于ZK3+580～ZK5+420 段和YK3+570～YK5+380段。隧道围岩为中风化薄～中厚层状泥质灰岩，局部夹泥质粉砂岩，节理不发育，岩体完整，呈中薄层状结构，围岩自稳能力差，无支护受震动时可能产生松动变形、坍塌及掉块现象。

本工程中主要有Ⅳ、Ⅴ级围岩，隐伏岩溶段主要是Ⅳ级围岩，Ⅳ级围岩段隧道施工采用台阶法开挖，Ⅴ级围岩隧道采用环形开挖预留核心土法。

3 有限元模型建立及参数选取

本文以余庆至安龙高速公路罗望9 标里平Ⅱ号隧道项目为依托，隧道结构形式采用分离式，隧道设计断面为小净距隧道。按照现场地质情况，本文选取YK3+570～YK3+790 段进行建模分析，为了减小边界情况影响，隧道埋深取6m，左右边界取6m，下边界取9m，左右两侧施加轴向约束，上边界施加轴向约束，下边界节点自由度全约束。x 轴指向隧道掘进方向的右侧，y 轴铅垂向上，z 轴沿隧道掘进方向。整体模型尺寸大小取为 26m×52m×10m，如图1 所示。该段内围岩等级为Ⅴ级，埋深约为57m，整个隧道段最大埋深达236m，围岩等级主要为Ⅳ、Ⅴ级2 种，为了减小边界处地震波的反射影响，对模型的6 个面均施加无反射边界。模型不考虑地应力和地下水的影响。

图1 有限元分析模型

模型中炸药材料采用LS-DYNA 程序自带的高能炸药材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并添加炸药的状态方程关键字EOS_JWL。在炸药模型中设置炸药起爆点关键字INITIAL_DETONATION， 同时也可以实现炸药不同延时爆破。其中，围岩及衬砌均采用塑性随动硬化材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

本文模型采用LS-DYNA 中的流固耦合算法，该算法将拉格朗日与欧拉算法相结合，充分发挥各自算法的优势，结算结果精确度相对高于与其他2 种算法。

4 结果分析

4.1 不同中夹岩厚度影响分析

4.1.1 应力分析

选取Ⅳ级围岩的隧道模型为研究对象， 分析0.5D、D、1.5D、2D、3D（D 为小净距隧道之间的距离）5 种净距在爆破振动荷载作用下先行洞中岩墙迎爆侧的振动响应，因为边墙处的最大拉应力为三者中最大的，将其定为控制有效应力。

如图2 所示，提取了不同净距下隧道爆破振动围岩第一主应力分布云图，根据图中显示可知围岩最大第一主应力随着中夹岩墙厚度增大而减小，受到影响较大的部位位于中夹岩墙位置处，但未超过泥质灰岩的屈服强度，爆破波以间断性波向周围传播，可见，隧道爆破振动围岩受到影响的部位主要集中在中隔墙和隧道拱底部位，最大应力随着爆破时间逐渐减小。

图2 不同净距下围岩第一主应力分布

如图3 所示，随着隧道净距的增大，爆破振动围岩等效应力逐渐降低，可见净距越大，后行洞爆破开挖对先行洞产生的影响越小。在0.5D～1.5D 区间，后行洞隧道爆破产生的围岩等效应力较大且递减的速率较快，由于爆破应力波随着距离不断在衰减，在岩层厚度较小时受到应力波影响相对较大，而在1.5D～3D 区间，后行洞隧道爆破产生的等效应力相对较小。

图3 不同净距与围岩等效应力关系

4.1.2 振动速度

在隧道爆破振动中，依据GB 6722—2014《爆破安全规程》对允许爆破振动速度的规定，取20cm/s 作为上限值，评价隧道爆破振动的安全性。本次隧道爆破对先行洞衬砌迎爆侧进行振动速度监测，监测点分别布置在拱脚、拱腰下段、拱腰上段、拱顶4 个点，得到不同监测点的水平及竖直方向的振动速度时程变化曲线，如图4 所示。

图4 不同隧道中夹岩厚度在不同监测点X 方向振动速度关系

分析图4 可知，不同隧道中夹岩厚度在不同监测点振动速度趋势基本一致。隧道拱脚、拱腰上段、拱腰下段和拱顶部位，0.5D 净距时，各监测点的振动速度较大，但是对于D～2D净距时各监测点变化幅度较小且处于安全振动速度范围内。可见，为了保证小净距隧道爆破施工的安全，小净距隧道爆破合理的中夹岩墙厚度应该大于0.5D 净距。

4.2 不同超前距离影响分析

在不同超前距离下进行隧道爆破产生不同影响，为了确定合理的超前施工距离，保证爆破施工安全。分别模拟了净距为 D 时隧道在 2m、5m、10m、15m 的超前距离下爆破施工，分析隧道围岩的应力应变状态，得到先行洞迎爆侧拱腰、拱顶、背爆侧拱腰振动速度规律，从而得到合理的施工超前距离。

根据施工不同超前距离，列出了不同超前距离不同时刻的围岩应力分布图，显示了隧道爆破中爆炸应力波传播的范围及大小方向，对先行洞隧道衬砌不同位置进行监测，再有针对性地对应力集中区进行加固处理，从而安全有效地进行爆破施工。

如图5 所示，可见，既有衬砌的拱腰部位受到爆破振动影响最显著，其振速明显高于其他部位。而在拱顶或拱脚部位，衬砌的振动速度受到的影响相对较小，拱顶与拱脚处受到的振动影响差距较小，由于爆破应力波传播至先行洞拱顶和拱脚处的距离差不多，产生的振动效应相似。根据图5 中曲线走势可发现，超前距离为2m、5m 和10m 时拱顶、拱腰和拱脚的振动速度逐渐减小，超过10m 振动速度逐渐增大，可见，曲线整体趋势呈现“V”型分布，隧道爆破施工较合理的超前距离在10m 左右，这样，对先行洞衬砌的振动影响减到最小，可保证施工安全。

图5 不同的开挖进尺下既有衬砌各部位的振速

5 结语

1）不同中夹岩厚度下，隧道爆破围岩应力随着中夹岩厚度增大而减小，其中，0.5D～D 段变化幅度最大，D～2D 区间变化幅度较小；围岩振动速度与应力变化具有相似规律。

2）不同超前距离下，隧道爆破施工对既有隧道衬砌影响具有一定规律，即随着超前距离的增大，既有隧道的衬砌振动速度变化规律呈现“V”型分布，隧道爆破施工较合理的超前距离在10m，可保证隧道施工安全。