浅埋隧道爆破施工对地表建筑物安全的试验和数值分析

作者：涨婷

     本文以沪昆高铁黄鹤堡隧道为研究背景，根据现场实际情况提出了减震方案，利用FLAC3D对地表震动进行模拟，并将数值计算结果与现场监测结果进行对比分析，为工程条件相近的隧道建设提供参考。

1  工程概况

黄鹤堡隧道属于沪昆高铁长沙至昆明段，位于湖南省邵阳市隆回县境内。隧道开挖半径为7. 48m、净空高为11. 91m，开挖断面约为153 m 2，为特大断面隧道。隧道出口浅埋段设计起始里程DK226 +150，结束里程为DK226 +030，全长120m。该隧道位于山丘地带，地形起伏较大，围岩大部分为IV级和V级强风化围岩，围岩级别为V级时采用3台阶七步开挖法进行爆破开挖。在里程DK226+170 -150地表线路轮廓内有木质结构房屋一座，砖砌房屋两座，位于隧道正上方，垂直距离40~50m左右，如图1所示。洞内爆破开挖时，地表扰动较大，会对房屋造成一定影响。

2  爆破方案及震动分析

2.1  爆破方案

    隧道原爆破方案的单位装药量为0.3~0.5kg/m3。根据施工情况，钻孔深度1~1. 6m，孔径45 mm；计算炮孔间距50~60cm，线装药密度为120 g/m。根据现场监测的地表最大振速，比对爆破安全规程，发现对地表建筑物的影响会比较大，严重时会影响建筑物的安全。

    新爆破方案采用预裂爆破技术。在设计开挖轮廓线上钻凿出一排孔距合适的预裂孔，并采用不耦合装药或其他特殊的装药结构，在开挖主体爆破之前，同时起爆预裂炮孔内的装药，从而形成一条贯穿预裂炮孔的裂缝，通过这条裂缝降低开挖主体爆破时对岩体的破坏，以达到减震目的，使掌子面安全通过危险地带。其上台阶减震爆破炮孔布置如图2所示。预裂孔直径40mm，不耦合系数为1.82，线装药密度150g/m，预裂孔之间孔距0.45m，预裂孔与辅助眼间距0. 6m。上台阶预裂孔深度为1.2m，掏槽眼钻眼深度为Im，预裂孔孔口必须用炮泥堵塞0.5m。上台阶预裂孔装药量为0. 15kg，掏槽眼装药量约为0. 6kg。

2.2震动分析

根据现场各次测震所获得的数据，结合爆破安全规程，将新旧爆破方案的最大振速和主频做于图2中。图2中a代表安全振速区，图2中b代表允许振速区，c代表不允许振速区。为了叙述方便，X向为隧道掘进方向，Z向为竖直方向。从图中可以看出，原有爆破方案的振动数据有部分落在不允许振速区，而新的爆破方案实施后，只有一个数据点落在不允许振速区，但是超出允许振速上限值不多。因此可以认为，采用新的爆破方案是满足爆破安全规程的要求。

    上述分析是对规程中一般建筑物的安全标准，若地表建筑物是稳定性较差的建筑（土窑洞、土坯房、毛石房屋），其允许的安全质点振动速度远远低于一般民用建筑，因此，当地表建筑物稳定性较差时，则还需要修改爆破技术。

3数值模型

3.1  FLAC3D计算模型

    本次模拟区域选为里程DK226 +160 - 140的隧道。首先利用ANSYS进行建模和网格单元划分，然后导人到FLAC3D中进行模拟计算。模型尺寸为100m×20m×100m，共有84 240个单元和97 475个节点。上边界距隧道拱顶42. 5m，左右边界取隧道最大洞跨的3倍，沿隧道开挖方向（Y方向）取20m。

该隧道的围岩主要为IV和V级围岩，数值计算中围岩物理力学性质指标由工程地质勘察报告提供，并对照铁路隧道设计规范提供的各级围岩物理力学指标标准值，给出了围岩物理力学参数，如表1所示。

    计算模型底部和四周设置为黏性边界来吸收入射波，模型顶部设置为能反射爆破地震波的自由表面边界。爆破开挖面洞壁为荷载边界，施加脉冲爆破荷载。

    围岩和混凝土的力学模型采用FLAC3D中的Mohr - Coulomb弹塑性模型。隧道开挖后根据施工实际情况，立即进行初期支护，数值计算中考虑了喷射混凝土的力学作用（没有考虑工字钢和二次衬砌的作用），用FLAC3D中的shell单元进行模拟。

    为了和现场实测数据进行对比分析，在模型里选取相应的节点，对其地表沉降、拱顶沉降以及地表振动速度进行监测。监测点主要位于DK226 +150和DK226 +159断面，前者主要进行沉降监测，后者主要对地表质点振动速度进行监测。

3.2爆破震动输入

FLAC3D可以在模型边界或内部节点施加动荷载来模拟材料受到外部或内部动力作用下的反应，程序允许的动力荷载可以是：加速度时程、速度时程、应力（压力）时程、集中力时程。由于岩体爆破是一个比较复杂的过程，炸药在炮孔中爆炸时瞬间产生高温、高压气体，在狭小的空间里急剧膨胀并产生爆炸冲击波，作用于周围岩体上，而且很快衰减为应力波，整个过程持续时间很短。本次将采用应力时程，将爆破荷载直接施加在洞壁表面。在缺少现场第一手资料的情况下，通常在数值分析中假定爆破荷载为三角形脉冲波，如图3所示。荷载峰值由式(1)确定：

    式中：p。为炸药密度，装药量为36. 4kg;D为炸药的爆轰速度，3 600m/s;K为等熵系数，与炸药密度有关，当p。<1. 2g/crri3时，K =2.1，JD。>1.2g/crr13时，K =3;r为粉碎区半径与装药半径之比，一般为2～3;a为与岩石及炸药种类有关的常数，对于大多数岩石，a一1.5。通过计算，爆破峰值荷载大约为2. 29MPa。设爆破荷载上升时间为80us，下降时间为750us。爆破荷载以压力形式均匀地作用在隧道洞壁各单元上，作用方向为洞周法线方向。

3.3  阻尼系数和振动频率

在岩体的力学响应分析中引进阻尼的目的，就是模拟真实岩体受动荷载作用时能量衰减过程，但是在岩体介质中，这种运动和能量衰减具有明显的滞后性。但实际岩体受动荷载作用时都存在多个不同频率的荷载的影响，一般形式的阻尼函数不能同时考虑这些因素，所以要在数值计算中精确地模拟岩体振动的阻尼效果很困难，计算时要通过反复的试算并和已知实测结果对比来确定。FLAC3D内部提供了两种阻尼进行选择，瑞利阻尼和局部阻尼。采用瑞利阻尼需要确定2个参数：临界阻尼比孝。和中心频率fi。。本模拟分析中，临界阻尼比通过试算确定为0. 05，输入动荷载的主频为28. 4Hz，中心频率fm,。为4.52。

4结果分析

4.1  位移分析

图4为IV级和V级围岩条件下上导洞开挖拱顶沉降和地表下沉位移曲线。可以看出，IV级围岩条件下，拱顶最终沉降量为19mm，地表最终沉降量为15mm。V级围岩条件下，拱顶最终沉降量为24mm，地表最终沉降量为18mm。在相同支护条件下，围岩等级越高，其自稳能力也越强，地表沉降也比较小。现场实测的地表沉降值为25mm，与模拟IV级围岩等级的地表沉降值接近，表明现场进行位移沉降监测的区间以V级围岩为主，而实际情况远比数值模拟情况复杂，因此数值模拟结果可以为工程施工提供参考，并结合实测数值进行判定。

4.2质点振速分析

将数值模拟结果与现场实测的地表振速结果进行对比分析。图5是V级围岩条件下DK226 +159断面地表实测和数值模型地表振速对比图。可见，地表质点受到爆破荷载作用下振动的时间不超过1s，且总体呈衰减趋势。

    实测振动波与模拟振动波的最大振动速度相差不大。质点X方向上，实测最大振动速度为1. 49cm/s，而模拟得到的最大振速为1.54cm/s，相对误差为3.4%；Z方向上，实测最大振动速度为1. 65 cm/s．而模拟得到的最大振速为1.71cm/s，相对误差为3.6 010。存在误差的原因，一是因为爆破过程是一个很复杂的过程，爆破荷载对隧道的影响远比假设的三角形荷载复杂；二是实际的地质条件也比模拟情况下的地质条件复杂。

5结论

    1)因原爆破方案会对地表建筑物产生较大的影响，因此将预裂爆破技术引入隧道开挖过程中，以达到减震的效果，保护地表建筑物。通过对现场地表质点振动的监测，新1日两种爆破方案下，爆破震动的主频大多集中在10~50Hz之间，最大振速也多集中在允许安全振速区，但是新方案明显降低了质点的最大振速，一定程度上更能保护地表建筑物的安全。

2)利用FLAC3D对隧道爆破开挖进行模拟，发现单一围岩等级情况下，岩体稳定性越好，其地表沉降值越低。通过和现场实测数据对比分析，质点振动速度的变化规律比较吻合，振动时间少于1s，最大振速也比较接近，说明数值模拟技术对隧道爆破开挖有较好的参考价值。

6摘要：以沪昆高铁黄鹤堡隧道工程为研究对象，针对地表建筑物受大跨度浅埋隧道爆破开挖震动影响的情况，采用预裂爆破技术保护地表建筑物的安全。结合爆破震动监测，并利用FLAC，。进行隧道爆破开挖数值模拟，对隧道地表沉降及建筑物所处位置的质点振动速度进行分析，通过与现场实测数据进行对比发现：采用预裂爆破技术能够显著降低隧道地表质点最大振速，有效保护地表建筑物安全；隧道围岩等级越高，隧道地表沉降值越小，地表建筑物越安全；数值模拟监测点质点振动速度与现场实测的质点振动速度变化规律基本一致，振动时间少于1。，水平方向最大振速约为1.5 cm/S，垂直方向最大振速为1.6~1.7 cm/s，最大振速也比较接近。