潘亚辉 饶霈 杨静芸 付海峰

摘要：鄂北地区水资源配置工程优良隧洞为浅埋隧洞，隧洞下穿国道、居民楼等既有建（构）筑物。隧洞施工过程中，爆破施工对居民楼产生了爆破振动影响，利用有限元方法对爆破振动及地面沉降影响进行了数值分析。结果表明：数值计算结果与爆破试验测试成果偏差不大，通过优化施工参数可以有效减少居民楼振动及沉降带来的安全风险。

关键词：浅埋隧洞;隧洞开挖;爆破振动;地面沉降;有限元數值分析;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：U456.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.019

Abstract： Youliang Tunnel， a part of the North Hubei Water Transfer Project， is a shallow tunnel， and it lies underneath a national highway， residential buildings and other existing buildings and structures. Tunnel blasting construction affected the nearby residential buildings， thus we employed the Finite Element method to conduct numerical analysis on blasting vibrations and ground subsidence. The results showed that the calculated results were not deviate much from the actual results， optimizing construction parameters can effectively reduce safety risks regarding blasting vibrations and ground subsidence.

Key words： shallow tunnel; tunnel excavation; blasting vibration; ground subsidence; finite element analysis; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）以丹江口水库为水源，自丹江口水库清泉沟取水，自西北向东南横穿鄂北岗地。工程输水线路总长267.67 km，其中隧洞长119.43 km，工程设计年引水量7.7亿m3，设计供水人口482万人，灌溉面积约24.23 万hm2 （363.5万亩）。

优良隧洞（131+215～131+945）位于枣阳市刘河村以东约260 m，长0.73 km，直线布置。隧洞围岩为中元古界白云钠长石英片岩，为中硬岩，属Ⅳ～Ⅴ类围岩，极不稳定，隧洞浅表覆盖有第四系坡积物。隧洞设计引水流量26.7 m3/s，设计纵坡1∶11 000，断面为马蹄形，净空尺寸为6.5 m×6.5 m（宽×高）。

隧洞沿线地表附近的建（构）筑物有各类民房、工业厂房、加气站及G316国道，自西向东依次下穿G316国道、5层居民楼、厂房以及化工厂。隧洞进口开挖边线距离G316国道道路边缘最小距离为16.48 m。地表一处加气站到隧洞轴线最小水平距离仅7.20 m，距离隧洞开挖顶部高程14.00 m。

为确保优良隧洞施工安全顺利地进行，减少施工过程中爆破的干扰，要考虑隧洞爆破振动和爆破开挖诱发的地面沉降可能对这些建（构）筑物等保护对象安全造成的影响。

2 现场爆破试验

优良隧洞爆破开挖施工环境复杂，需保证引水隧洞沿线地面建（构）筑物的安全，结合现场生产爆破，开展现场爆破试验。测试隧洞掏槽孔爆破、辅助孔爆破及光面孔爆破诱发的爆破振动，分析爆破振动的传播与衰减规律。

通过两次爆破试验，获得了20个监测点的水平径向、水平切向和竖直向峰值振动及其对应的主频率数据。

爆破地震波衰减及爆源参数与场地条件有关，目前国内普遍采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律，即

[v=K（Q1/3R）α]    （1）

式中，[v]为峰值质点振动速度，cm/s;Q为单响药量，kg;R为爆心距，m;K、α为与爆破方法、场地条件相关系数，与爆破方式、装药结构、爆破点至计算点间的地形、地质条件密切相关。

图1 为爆破试验位置与测点布置。基于萨道夫斯基公式，回归分析了掏槽、崩落及光面爆破诱发的爆破振动传播与衰减规律，具体参数见表1。

3 爆破振动安全及地面沉降变形控制标准

爆破振动产生的冲击波经常危及周围建筑物的稳定和安全。根据国家及行业标准规范，并参考国内类似工程经验，针对引水隧洞爆破施工方案，确定了不同类型、不同安全状态房屋的振动安全控制标准以及G316国道的爆破振动安全控制标准[1]。

该工程参考GB 6722-2003《爆破安全规程》以及同类地下工程开挖所采用的地面沉降变形控制标准，并结合工程自身特点及地面沉降控制要求，确定地面沉降变形控制标准为15 mm（见表2）。

4 三维动力有限元分析法

在强烈的爆破作用下，爆破近区产生着复杂的变化过程。根据破坏程度将炮孔周围岩体划分为粉碎区、破碎区和弹性振动区[2]。为了采用基于连续介质力学的弹性本构关系，将整个非弹性区（粉碎区和破碎区）等效为爆破源，并将爆破荷载作用在等效弹性边界上。为方便计算，将爆破荷载的作用型式简化为三角形，计算所得作用于弹性边界的等效荷载峰值为33.6 MPa，见图2。

根据现场爆破试验，通过对岩体动力参数进行反演，对多组参数进行试算，选出1组与第一次试验吻合较好的参数，然后利用第二次和第三次试验对参数进行微调，如此反复调整和试算，反演推算岩体动力学参数。岩体反演参数成果见表3。

基于反演中的岩石动力学数据，模拟得到的爆破振动波形与实测波形具有较好的一致性，振动速度峰值、主频和持续时间的模拟值和实测值均符合较好，见图3。结果表明，反演所得的岩体动力参数可靠。

5 数值分析

5.1 有限元计算模型

工程采用CAD/CAE集成分析方法，通过对CAD软件中建立的整体三维模型做一定预处理，使其可直接作为CAE分析模型，应用于ANSYS-LSDYNA软件程序进行爆破计算。

根据优良隧洞结构横剖面图和地质纵剖面图，建立隧洞整体三维CAD模型，并依据三维设计的相关理论与方法[3]，将其导入到有限元软件中供CAE分析使用。

5.2 爆破振动对民房的影响

优良隧洞穿过G316国道（131+320）和民房正下方，见图4。隧洞埋深约14.5 m，保护对象路面和民房距离掏槽爆破爆源约18 m。在实际爆破开挖过程中，主要考虑其对民房的振动影响。通过数值模拟，分析民房正下方爆破作用下主要保护对象的振动响应。

为了准确细致地对公路和民房等建构筑物的动力响应进行分析，在對应的典型位置设置了计算测点，分别在国道路面和民房基础布置关键监测点S1和S2;另外通过一条测线上的监测点分析爆破振动的分布以及衰减规律。

依据常规的隧洞开挖工程经验，掏槽孔的爆破振动效应最为明显，因此考虑隧洞掏槽爆破开挖对工程区域保护对象爆破振动的最不利影响，主要选取距离保护对象最近的掏槽爆破工况进行计算。掏槽爆破的相关参数暂定为：炸药爆速3 600 m/s，密度1 030 kg/m3，炮孔孔径42 mm，炸药平均直径32 mm，孔深分为1 m和2 m，其中1 m孔深单响药量分0.6 kg和3.2 kg，2 m孔深单响药量6.4 kg。

根据不同孔深、药量拟定5种计算工况，见表4。

数值计算与爆破试验推算结论较为接近，证明岩体动力参数反演成果较为可靠。

（1）在爆心距小于70 m处，由于控制考察点距离爆源较近，振动速度随着单响药量的增加而明显增大，即爆源附近区域为药量敏感区;在爆心距大于70 m处，由于振动衰减较快，各测点的振速峰值在单响药量3.2 kg、6.4 kg时相差不大，即距爆源较远的区域为药量非敏感区。

（2）表5为在单响药量3.2 kg和6.4 kg的爆破振动荷载作用下各计算测点的振速峰值。工况1的 S1质点峰值振速为4.68 cm/s;工况3的 S2质点峰值振速为4.97 cm/s;工况2的S1质点峰值振速为7.12 cm/s;工况4的 S2质点峰值振速为7.32 cm/s;公路和民房的振动峰值分别达到4 cm/s和7 cm/s。

（3）表4中，单响药量为0.6 kg时，在民房正下方模拟的单孔单响爆破在民房基础处诱发的爆破振动竖向振速为1.65 cm/s。

5.3 隧洞开挖施工对民房沉降影响分析

隧洞开挖施工时会引起隧洞开挖区域局部范围内的沉降变形。考虑到开挖进尺的影响，分别选取民房正下方隧道的顶拱处和民房处地面为监测点布置区域，给出其竖向位移随开挖施工步的变化规律。顶拱监测点沿着隧洞轴线布置，间距为6 m;民房处地面监测点位于隧洞轴线与民房轴线相交的地表处;开挖施工步从掌子面开始进入民房影响区域，至掌子面经过民房的影响区域结束，相邻的开挖与衬砌施工步之间的沿洞轴线距离间隔为10 m。

5.3.1 计算边界及参数选择

优良隧洞沿轴线方向长度190 m，垂直洞轴线方向宽度130 m，地基深度取50 m。基础下表面进行全约束，四周采用法向约束，顶部自由。

隧洞开挖模拟方案，采用锚杆、钢筋网、钢拱架、喷混凝土和衬砌混凝土5种不同类型支护结构，隧洞支护结构见图5。

计算模型均采用线弹性本构模型。对于优良隧洞段，根据隧洞地质资料，计算中喷混、衬砌、建筑物和公路采用混凝土材料，钢拱架、钢筋网和锚杆采用钢材料，覆盖层采用黏土材料，围岩为白云钠长石英片岩且计算区域均属于V类围岩。围岩、覆盖层、建筑物、公路以及喷混、衬砌等支护结构的各项计算参数见表6。

5.3.2 不同开挖进尺对地面沉降影响

以额定车辆荷载作用、衬砌距掌子面间距为20 m为典型情况，分别考虑不同的开挖进尺，给出监测点D沉降量随施工步的变化曲线，见图6。

不同开挖进尺下隧洞顶拱监测点的沉降变化规律相同，每个顶拱监测点的竖向沉降位移曲线变化规律一致，即：①当开挖掌子面尚未到达监测点下方时，监测点的竖向沉降较小且相邻开挖步之间的沉降位移差很小;②当开挖掌子面接近监测点正下方时，相邻开挖步之间的沉降位移差明显增大;③当开挖掌子面经过监测点正下方，相邻开挖步之间的沉降位移差明显减小，监测点的沉降位移趋于稳定。监测点D在1 m的开挖进尺下最终沉降量为9.66 mm，在2 m的开挖进尺下最终沉降量为15.01 mm。

掌子面开始进入民房的影响区域时，建构筑物的竖向位移普遍较小;随着开挖的进行，建构筑物的竖向位移不断增加且相邻开挖步的竖向位移差在掌子面到达建构筑物的正下方时达到最大;当掌子面经过建构筑物的影响范围后，建构筑物的竖向位移变化较小，沉降量趋于稳定;不均匀沉降的最大值发生在隧洞顶部的桩基部位，1 m进尺工况时沉降量约为4.29 mm;2 m进尺工况时沉降量约为6.11 mm。

5.3.3 衬砌距掌子面距离的影响

以1 m开挖进尺为例，分析衬砌距掌子面距离对监测点沉降量和民房不均匀沉降最大值的影响。取隧洞顶拱监测点D和路面监测点进行分析。衬砌距掌子面距离对民房不均匀沉降最大值的影响曲线见图7。

由图7可知，衬砌距掌子面距离越大，民房的最大不均匀沉降也越大，衬砌距掌子面间距5，10，20 m和无衬砌时，其最大不均匀沉降值分别为3.44，3.87，4.29 mm和4.70 mm。

6 爆破振动及地面沉降影响评价

6.1 爆破振动影响评价

隧洞开挖至下穿各主要保护对象时，爆心距较小，且保护对象主要为公路、民房、厂房等重要建（构）筑物，为避免爆破振动对保护对象产生破坏，考虑隧洞开挖在1 m孔深、单孔单响药量0.6 kg的条件下进行初步评价。根据现场试验得到的爆破振动衰减参数，由公式推算得到优良隧洞爆破施工各保护对象在最小爆心距条件下的质点峰值振动速度，见表7。

在单响药量及保护对象相同的条件下，对于掏槽孔、崩落孔及光爆孔爆破，不同方向的爆破振动大小不同，其中保护对象竖直向的振动大于其水平切向和水平径向的振动。

由表8可知，掏槽孔5層居民楼在单响药量为0.6 kg的条件下振动峰值速度为1.98 cm/s，在单响药量为0.7 kg的条件下振动峰值速度为2.13 cm/s，可见隧洞开挖至下穿5层居民楼正下方时钻爆参数宜采用1 m孔深、单孔单响药量0.6 kg。

由表9可知，崩落孔5层居民楼在单响药量为0.6 kg的条件下，振动峰值速度为1.80 cm/s;在单响药量为1.2 kg的条件下振动峰值速度为2.57 cm/s，可见隧洞开挖至下穿5层居民楼正下方时钻爆参数宜采用1m进尺、单孔单响为0.6 kg。

由表10可知，5层居民楼在单响药量为4.8 kg及以下时，振动峰值速度均小于各自的振动控制标准;在单响药量6.0 kg的条件下振动峰值速度为2.04 cm/s，可见隧洞开挖至下穿5层居民楼下方时光面爆破孔可采用1 m孔深、10孔一响4.8 kg。

6.2 爆破施工导致地面沉降的影响评价

隧洞开挖过程中，对地表民房建筑物的不均匀沉降将产生一定的影响，影响范围主要集中在隧洞轴线所经过的区域。掌子面开始进入民房建筑物的影响区域时，建筑物的竖向位移普遍较小。随着开挖的进行，建筑物的竖向位移不断增加且相邻开挖步的竖向位移差在掌子面到达建筑物的正下方时达到最大;当掌子面经过建筑物的影响范围后，建筑物的竖向位移变化较小，沉降量趋于稳定。民房建筑物在1m开挖进尺下最终路面沉降量为3.80 mm，不均匀沉降的最大值为4.29 mm，满足地面沉降变形控制标准，能够保证民房建筑物的安全。

7 结 语

基于优良隧洞的现场爆破试验和数值模拟得到了爆破振动传播及衰减规律。结合公路及民房的爆破振动响应分析，以及隧洞开挖诱发的地面沉降分析，根据相关国家和行业标准规范并参考类似工程的经验，对鄂北工程下穿重要建（构）筑物的隧洞爆破施工影响进行深入研究和综合评价。根据现场爆破试验资料，合理控制爆破单响药量及钻孔深度，可使爆破振动控制在保护对象的振动控制标准之内，从而防止爆破振动对保护对象产生有害影响，有利于提升施工进度。

基于G316国道以及民房的沉降控制标准，结合地面沉降计算结果分析，认定G316国道及民房建筑物的最大沉降均满足地面沉降变形控制标准要求，隧洞开挖诱发的地面沉降不会影响保护对象的结构安全。

参考文献：

[1] 张玉成， 杨光华， 胡海英，等.  爆破振动对建（构）筑物影响数值计算模型及安全判据的研究[J]. 土木工程学报，2015（S2）：22-29.

[2] 李地元， 王涛.  浅埋隧道爆破施工对地表建筑物安全的试验和数值分析[J].  中国安全生产科学技术， 2015（11）：112-117.

[3] 王飞飞， 牛家永， 王学义，等.  基于不同上覆岩层的浅埋隧道动力响应特性研究[J].  湖南文理学院学报（自科版）， 2016（4）：49-53.

（编辑：李晓濛）