仰天洞隧道爆破掘进对邻近引水渠的影响分析*

王佳辉，周晗赟，任科亮，符瞻远

(1.浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310051； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

0 引言

随着国家交通运输工程建设的快速发展，长大隧道不断涌现。新建隧道爆破掘进产生的振动易对邻近建筑物产生危害[1]，学者们对此进行了大量研究，如石连松等[2]通过对地铁浅埋隧道爆破振动的监测，发现空洞效应现象，并给出了爆破减振措施；张鹏[3]通过现场监测与数值模拟，研究了隧道爆破振动对上覆高压铁塔塔基的影响；杨俊[4]结合理论研究、数值模拟与现场监测，研究了隧道爆破振动对邻近楼房的影响，给出了减隔振措施；张浩等[5]基于康坂隧道与下方杭深高铁温福段东盛隧道之间的位置关系，制定了专项爆破施工方案和监测方案，分析了爆破振动对下方东盛隧道稳定性的影响；赵凯等[6]以南京市地铁4号线鼓楼站工程为依托，研究了隧道爆破对邻近文物建筑鼓楼振动响应的影响；白宇辉[7]以长春市地铁3号线隧道工程为依托，应用LS-DYNA软件对上部结构振动响应进行了数值模拟分析；张立人等[8]以翻坝高速公路寨子包隧道爆破施工为依托，进行了隧道爆破振动测试分析，得到爆破振动规律经验公式；郭伟平[9]基于下营隧道工程现场爆破情况、监测数据与爆破振动速度，研究了新建隧道爆破振动对邻近既有隧道的影响；为避免隧道爆破对环境造成影响，吴跃光[10]通过采取增加雷管段位、延长爆破时间、减少掏槽眼数量和装药量、减少同段装药量等优化措施，降低爆破振动速度。

仰天洞隧道爆破掘进过程中，需保证隧道附近引水渠的安全，但目前对类似工程的研究较少，为此，采用现场监测与数值模拟相结合的方法，对爆破振动响应进行研究。结合邻近引水渠振动速度监测结果，通过MIDAS GTS NX软件模拟得到引水渠振动速度云图，并据此提出减振措施。对爆破方案合理性进行验证，为隧道爆破施工提供依据。

1 工程概况

仰天洞隧道为分离式隧道，净高10.75m，洞口形式为削竹式。隧道所处地段属浙西中山丘陵区，沿线山峰连绵起伏。左线起讫里程为ZK56+820—ZK58+330，长1 510m。右线起讫里程为K56+831—K58+350，长1 519m。根据现场地质勘察资料，隧址区岩性主要为石英砂岩、砂岩，隧道围岩长度如表1所示。隧道进口位于引水渠上方，与引水渠水平距离约为37m，距隧道左洞200m处为引水隧洞进口，如图1所示。

表1 隧道围岩长度 m

图1 隧道位置

2 爆破方案设计

以隧道右线Ⅳ级围岩为例，阐述爆破方案设计。隧道进洞60m后进入Ⅳ级围岩，采用上下台阶法开挖，由于上台阶最大单孔装药量、总装药量均大于下台阶，且下台阶爆破时上方已形成临空面，因此主要监测上台阶爆破振动。为保证施工安全，并控制邻近引水渠等建(构)筑物振动响应，采取控制装药量与爆破时间间隔等措施。

上台阶爆破参数如表2所示，循环进尺约为2m，炮眼布置如图2所示。为降低爆破振动速度，爆破孔内采用不同段别毫秒导爆雷管延期爆破，爆破孔外采用同段雷管簇连一次性同时起爆。按延时顺序设置爆破孔内电子雷管延期时间，其中1，3，5段雷管延期时间均为50ms，7～10段雷管延期时间分别为60，70，80，90ms。

表2 上台阶爆破参数

图2 炮眼布置

3 爆破振动监测

3.1 监测方案

由于引水渠距仰天洞隧道较近，本文主要监测引水渠振动响应，监测点布置如图3所示，监测仪器采用L20型智能爆破测振仪，为避免环境因素的干扰，经多次试验验证后将触发电平设为0.1cm/s，考虑上、下台阶分别爆破，将记录时长设为10s，采样率设为10 240sps，负延时设为0.25s。

图3 监测点布置

3.2 监测结果分析

Ⅳ级围岩第1次爆破1号监测点最大振动速度如表3所示。由表3可知，各方向主振频率为20～50Hz；各方向最大振动速度均较小，其中切向最大，径向次之，垂向最小，满足GB 6722—2014《爆破安全规程》[11]的有关规定，可知爆破振动对引水渠的影响较小，证明了爆破方案合理可行。

表3 1号监测点最大振动速度

1号监测点振动速度时程曲线如图4所示。由图4可知，各方向振动速度时程曲线具有多个峰值，且最大振动速度出现时刻不同，掏槽眼爆破时振动速度最大，这是因为岩石夹制作用较大，自由面条件差，需通过控制掏槽眼装药量降低振动速度；周边眼、底板眼由于炮眼数目较多，出现波形叠加现象，但振动速度峰值未明显增大；底板眼单段总装药量虽最大，但振动速度较小，这是由于掏槽眼爆破后形成临空面，使底板眼爆破形成的爆破波较小。

图4 1号监测点振动速度时程曲线

3.3 安全允许振动速度预测

采用最大径向振动速度确定萨道夫斯基公式衰减系数，进而预测其他方向最大振动速度。监测点最大径向振动速度如表4所示。由表4可知，随着爆心距的增加，最大径向振动速度逐渐减小。为提供爆破安全振动速度预测依据，利用表4数据进行拟合，得到引水渠所处地质条件下的萨道夫斯基公式为：

表4 监测点最大径向振动速度

(1)

式中：V为安全允许振动速度；Q为最大单孔装药量；R为安全允许距离。

4 有限元分析

为进一步分析仰天洞隧道爆破振动对引水渠的影响，利用有限元软件MIDAS GTS NX开展数值模拟研究。

4.1 计算模型与参数

有限元模型宽度、长度分别取350，500m，结合隧道所处地形情况，模型高度取50～150m，如图5所示，围岩断面如图6所示。围岩采用基于莫尔-库仑屈服准则的弹塑性本构模型模拟，弹性和黏性边界通过地层弹簧直接生成，共划分约12万个单元。

图5 有限元模型

图6 围岩断面

结合地质勘察资料和JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[12]选取隧道物理力学参数，如表5所示。

采用三角形加载方式，爆破荷载上升时间为12ms，总时间为120ms，火药密度为0.8g/m3，炸药直径为32mm，炮眼直径为42mm，砂岩横向波速为3 050m/s，按一级掏槽眼6孔、单段总装药量8.4kg考虑。

4.2 结果分析

引水渠振动速度云图如图7所示。由图7可知，径向、垂向、切向最大绝对振动速度分别为0.325，0.303，0.394cm/s，引水渠切向振动响应最显著，说明切向爆破波的影响最大，径向爆破波的影响次之，但其引起引水渠径向振动速度出现2个峰值带，现场监测时应注意径向振动速度的变化。

图7 引水渠振动速度云图(单位：mm·s-1)

5 结语

1)仰天洞隧道Ⅳ级围岩爆破对邻近引水渠振动响应具有一定影响，现场监测与数值模拟结果均表明引水渠切向振动速度最大，说明切向爆破波为主要影响来源。通过采取控制装药量与爆破时间间隔等措施后，引水渠各方向最大振动速度均满足规范限值要求，结构未受到严重伤害。

2)径向、垂向、切向最大振动速度均出现在掏槽眼爆破段位，可通过控制掏槽眼装药量减小隧道爆破振动的影响。同时，应设置合理的延期时间，避免一级掏槽眼与二级掏槽眼爆破产生的振动叠加。

3)爆心距越大，最大径向振动速度越小，利用本文给出的萨道夫斯基公式可预测类似工程地质条件下的安全允许振动速度，以保证结构安全。

4)数值模拟结果与现场监测结果误差较小，可知本文建立的有限元模型合理，可采用有限元数值模拟进行隧道爆破振动影响分析。