贺伟奇 HE Wei-qi

（中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄 050081）

0 引言

麻拉寨隧道位于贵州省麻江县境内，洞身穿越多处可溶岩地层，岩溶较发育。由于集中径流带的溶蚀裂隙排泄能力有限，暴雨期间裂隙水头急剧抬升，水压增大，从而造成隧道底中心水沟及边墙等薄弱部位局部破裂涌水[1]。为降低运营期间水害风险，确保隧道衬砌结构及长期运营的安全，于左线线路中线左侧新增泄水洞一座，起到排水降压作用。泄水洞的起点里程为XSD1K609+456，终点里程为XSD1K610+950，全长1494m。泄水洞洞身与隧道平行，于XSD1K609+850处左偏，在XSD1K609+456处沟槽出洞。泄水洞与隧道的位置关系见图1。

泄水洞开挖采用光面爆破，进行钻爆设计时，需严格控制装药参数，除了减少自身的超欠挖，还要降低爆破振动对隧道内衬砌结构及接触网的影响，确保不发生破坏。

关于临近既有隧道进行爆破施工，张文新、李顺波等人已经进行过相关研究[2，3]。论文以麻拉寨泄水洞爆破施工为背景，通过现场测振与数值模拟，研究隧道衬砌结构的应力、位移、振速分布情况和围岩中振速的衰减规律，并以此对集水廊道的最大单段药量进行优化，降低振速影响，为项目的安全施工提供参考。

1 现场测振分析

本次监测位置选取Ⅳ级围岩分布段。泄水洞正洞进行爆破开挖时，在隧道同里程位置迎爆侧靠近拱脚处布置测振传感器，X方向与衬砌面垂直、水平指向爆源，Y方向与隧道轴线一致，Z方向垂直向上。泄水洞爆破后，最大振速在X方向上，为1.28cm/s，Y方向振速为0.88cm/s，Z方向振速为0.68cm/s，均低于设计要求振速5cm/s（考虑到隧道内接触网的安全，要求振速降低为3.5cm/s，并以2.5cm/s作为预警值），能够保证隧道内混凝土衬砌结构和其他设备的安全。振动过程中出现多个波形，且最大振速出现在较早时刻，表明掏槽爆破的最大单段药量对振速的峰值起主导作用。

2 数值模拟研究

2.1 构建有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序进行数值模拟。考虑到实际爆破环境的复杂性，在建模过程中需要进行必要的处理[4]：①将围岩视为各向同性的连续均匀介质；②结合爆破设计方案，将采用最大单段药量的掏槽眼简化为11cm×11cm×300cm的方形炮孔布置在断面中心，其中装药段为150cm，炸药量共18kg；③采用cm-g-us单位制，其他物理量单位均由cm-g-us转换而来。

模型建立后，总体尺寸为7200cm×3200cm×4000cm，共划分45万个单元，如图2所示。

2.2 材料模型及参数

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL状态方程模拟岩石乳化炸药爆炸过程，各参数见表1；围岩以灰岩为主，采用PLASTIC_KINEMATIC弹塑性材料，各参数见表2；混凝土衬砌结构离爆源较远，采用ELASTIC弹性材料，密度取2.40g/cm3，弹性模量取30GPa，泊松比取0.20。

表1 炸药参数

表2 围岩主要参数

2.3 模拟结果分析

2.3.1 模拟可靠性分析

参照现场测振的布点位置，提取模拟中相同位置的X、Y、Z方向最大振速值分别为1.36cm/s、0.60cm/s、0.38cm/s。与现场测振数据比较，X方向最大振速相近，Y、Z方向振速较小。通过分析，与传感器布置在排水管沟的沟沿上，未固定在衬砌表面有关。总体上误差在允许范围内，从而证明了数值模拟的可靠性和准确性。

2.3.2 应力分析

为明确应力波对衬砌的影响，需要分析不同时刻的衬砌最大应力云图。限于篇幅，仅截取20ms时应力云图如图3所示，并在拱脚处选取310638#单元，提取应力时程曲线如图4所示。

分析可知，应力波在17ms到达迎爆侧拱腰处，以压应力为主，仅为1.53E-4MPa。至20ms，衬砌中出现拉应力，且大于压应力，为7.72E-3MPa。随后应力峰值向四周传播，在衬砌下部的拱脚处出现较大的拉应力集中，至26ms时达到最大值0.105MPa。由于混凝土抗拉强度大于1.5MPa，因此爆破产生的应力对衬砌结构影响较小。

2.3.3 位移分析

泄水洞爆破可能引起隧道位移变形，为了明确变形程度和发展规律，需要分析不同时刻的衬砌合位移云图。限于篇幅，仅截取20ms时合位移云图如图5所示，并在迎爆侧拱腰处选取317819#单元，提取合位移时程曲线如图6所示。

分析可知，最大位移首先发生在迎爆侧拱腰中心处，随后沿隧道轴线向两侧移动。衬砌位移值呈周期性变化，最大约为1E-3cm，最终逐渐衰减至0。因此由爆破引起的衬砌位移变形对结构稳定性影响较小。

2.3.4 振速分析

2.3.4.1 衬砌最大振速区域分析

在泄水洞装药端对应的隧道断面上，选取拱顶、迎爆侧拱腰上部、迎爆侧拱腰中心、迎爆侧拱脚、拱底处共5个测点进行分析，各测点的振速计算结果见表3。

表3 隧道断面测点振动速度统计表

由表3可知，在拱腰和拱脚处，X方向振速为最大值，在拱顶和拱底，Y方向振速大于X方向。所有测点中，Z方向振速均为最小值。分析可知，振速最大区域位于拱腰中心和拱脚之间。

2.3.4.2 围岩中振速衰减规律分析

为明确围岩中振动速度的衰减规律，在爆源与隧道衬砌振速最大区域之间选取5个测点提取其振速峰值，见表4。由于爆源与振速最大区域的高程差较小，运用公式进行回归分析时不予考虑，最后得出最大单段药量、爆心距与振速的关系。

表4 各测点爆心距与振速

测点距爆源较远时，可采用萨道夫斯基公式拟合最大单段药量、爆心距与振速之间的关系[5]。将数据带入公式，回归分析后可得K=162.73，α=1.96，具体表示为：

另外，测点5振速小于距爆源较远的衬砌最大振速，分析可知，主要是由混凝土衬砌的弹性模量大于围岩造成。

3 集水廊道最大单段药量优化

泄水洞施工至K610+410里程后，垂直洞身开挖集水廊道，掌子面距离隧道衬砌结构由35m逐渐减小至5m。结合上述萨道夫斯基公式，根据掌子面至衬砌距离划分为35～20m、20～10m、10～7m、7～5m四个区段，并分别采用不同的最大单段药量见表5，能够确保振速峰值控制在安全值3.5cm/s以下。

表5 不同区段最大单段药量与振速预测

4 结论

通过对比数值模拟结果与现场测振数据，验证了数值模拟的可靠性和准确性，进而分析应力、位移、振速多个参数，得出以下结论，为项目的安全施工提供理论依据。

①迎爆侧衬砌的拱脚处出现较大的拉应力集中，最大值为0.105MPa，小于混凝土抗拉强度，爆破产生的应力对衬砌结构影响较小；

②由爆破引起的衬砌位移最大值为1E-3cm，并且呈周期性增大，最终逐渐衰减至0，因此不影响衬砌结构的稳定性；

③泄水洞正洞爆破时，隧道衬砌的最大振速出现在与装药底部对应的拱腰中心至拱脚之间的区域，约为1.56cm/s，小于安全振速，能够保证隧道结构及设备的安全。爆破振动在围岩中的衰减规律可用以下公式来表示：

④针对集水廊道爆破的最大单段药量，采用分区段、逐段减少的方法，能够确保振速峰值控制在3.5cm/s以下。爆破施工后应根据实测数据对公式进行调整，为后续判断提供准确依据。