小近距隧道扩挖爆破作用下邻洞振动响应研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487 X. 2020.01 ・ 021 小近距隧道扩挖爆破作用下邻洞振动响应研究* 林立宏倪『朱刻2,彭亚崔,吴立“ 1.台州市交通投资集团有限公司冶州318000；2,浙江省隧道工程集团有限公司，杭州310005； 3.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湘潭411201; 4.中国地质大学武汉工程学院，武汉430074 摘要在小近距隧道扩挖工程中，隧道爆破引起邻洞振动，对既有隧道结构稳定性造成较大影响。为研 究爆破作用下邻洞隧道振动响应特征，依托浙江省温岭市楼山隧道扩挖工程，采用现场振动测试试验和数值 模拟方法，研究爆破作用下邻洞隧道振动特征及衰减规律，并对比了爆破隧道与邻洞隧道振动响应差异性。 结果表明爆破掏槽段炸药引起的隧道振动最大。在爆破近区，隧道扩挖爆破对邻洞隧道振动响应的影响更 大。邻洞隧道的迎爆侧离爆源近，隧道振动强度大;既有隧道空间对振动衰减作用较大，背爆侧的振动强度 相对较小。 关键词 小近距隧道；扩挖；爆破作用；邻洞隧道；振动速度 中图分类号TD235.1 文献标识码A 文章编号1001 -487 X202001 -0141 -06 Study on Vibration Response of Adjacent Tunnel Induced by Expansion Excavation Blasting of Closely-spaced Tunnels L IN L i-h o ng ,NI Di1 ,Z HU Ai-sh an ,PENG Ya-xio ng , WU L i4 1. Ta izho u Co mmun ic a t io n s In vest men t Gro up,Ta izho u 318000,Chin a； 2. Zhejia n g Tun n el En gin eerin g Gro up, Ha n gzho u 310005 , Chin a ； 3. Hun a n Pro vin c ia l Key La bo ra t o ry o f Geo t ec hn ic a l En gin eerin g fo r S t a bil it y Co n t ro l a n d Hea l t h Mo n it o rin g, Hun a n Un iversit y o f S c ien c e a n d Tec hn o l o gy, Xia n gt a n 411201, Chin a ； 4. Fa c ul t y o f En gin eerin g, Chin a Un iversit y o f Geo sc ien ec es, Wuha n 43007 4, Chin a Abstract In t he exp a n sio n exc a va t io n p ro jec t o f c l o sel y -sp a c ed t un n el s, t he bl a st vibra t io n s fro m t he t un n el un der c o n st ruc t io n ha ve a grea t in fl uen c e o n t he st a bil it y o f t he exist in g a dja c en t t un n el . Ba sed o n t he exp a n sio n exc a va t io n p ro jec t o f Lo usha n Tun n el in Wen l in g Cit y, Zhejia n g Pro vin c e, t he vibra t io n c ha ra c t erist ic s a n d a t t en ua t io n l a w o f t he a dja c en t t un n el un der bl a st in g effec t s were st udied by fiel d vibra t io n t est s a n d n umeric a l simul a t io n . In a ddit io n, t he vibra t io n resp o n se fro m t he t un n el un der bl a st in g c o n st ruc t io n wa s c o mp a red wit h t ha t o f t he a dja c en t t un n el . The resul t s sho w t ha t t he vibra t io n s in duc ed by c ut ho l es ha ve t he l a rgest a mp l it udes. The vibra t io n resp o n se o f t he a dja c en t t un n el is mo re in fl uen c ed by t he n ea r-a rea bl a st in g. The vibra t io n in t en sit y o f t he a dja c en t t un n el is higher o n t he side c l o ser t o t he bl a st in g sit e. Wherea s t he vibra t io n in t en sit y o reverse side is rel a t ivel y l o wer fo r t he exist in g t un n el sp a c e ha s a grea t a t t en ua t io n effec t o n vibra t io n . Key Words c l o sel y -sp a c ed t un n el s； exp a n sio n exc a va t io n； bl a st in g effec t； a dja c en t t un n el； vibra t io n vel o c it y 收稿日期2019-12-16 作者简介林立宏1975 -，男，高级工程师，主要从事公路工程建 设管理，E-mail 1059309247 qq. como 通讯作者g 立1963 男，湖南株洲人，教授，主要研究爆破与 岩石动力学,E-mail lwu。 基金项目浙江省交通运输厅科研计划项目2018013；国家自然科 学基金41672260 随着我国经济的高速发展和城市建设的不断完 善，已有双向四车道隧道已经无法满足现有交通的 需要。对既有隧道进行原位扩建，是一种相对经济 且有效的方法，可以满足现在的交通流量及需求。 142爆破2020年3月 意大利和日本最早开始探索既有隧道扩挖改造工程 及相关研究，意大利的纳扎诺公路隧道扩挖成3车 道；日本提出了一套适用于多种岩性、各类断面的隧 道扩挖施工方法3〕。我国近年来也逐步开展了隧 道扩挖工程及相关研究。杨小礼等对比分析了 既有隧道扩挖和新建隧道施工的力学差异同，从位 移、应力和安全系数方面分析了既有隧道扩挖的稳 定性。彭泽森等采用数值模拟方法研究不同的爆破 开挖方案对隧道周边岩土体的影响切。吴慧等针 对复杂环境下既有浅埋隧道扩挖工程特点,提出了 隧道超前开挖、台阶钻爆法、光面爆破技术等爆破安 全措施国，并应用于实际工程。 由于既有隧道建设年代较为久远,存在衬砌弱 化、背面空洞、围岩变形等问题，隧道结构可靠性降 低⑼。爆破振动将对既有隧道稳定性产生较大威 胁孟凡兵等和郑明新等均采用数值方法研 究了爆破振动对邻近隧道衬砌结构的影响[1213] O 李凤等研究T隧道开挖引起的围岩振速和拉应力的 关系及其分布规律「⑷。汪波等模拟岩溶地区衬砌 背后有可能存在大型空洞的现象，研究了爆破作用 下含空洞隧道结构的动力响应「切。 小近距隧道扩挖爆破对邻洞隧道影响较大。本 文依托浙江省温岭市楼山隧道扩建工程，通过现场 测试试验和数值模拟,研究爆破作用下邻洞隧道振 动响应特征及衰减规律。 1工程概况 11工程简介工程简介 楼山隧道位于浙江省温岭市楼山村，是温岭市 路泽太一级公路的重要组成部分。为有效缓解公路 交通压力，发挥省级干线公路的联通优势和整体效 益,建设综合性城市交通网络。需对路泽太一级公 路进行改扩建工程，将既有双向四车道的楼山隧道， 原位扩建为双向八车道隧道。该工程是目前国内最 大断面的二扩四车道隧道施工项目。 既有楼山隧道是温岭市的主要交通要道，目前 正在使用且交通流量较大。为了保证交通，隧道扩 挖采用一洞改建，另一洞保持交通的施工方案。扩 建隧道的爆破作业必须确保通行隧道的安全。 12隧道及爆破设计隧道及爆破设计 既有楼山隧道为分离式小近距隧道，左线实际长 度530.5m，右线实际长度509.6 m,隧道净断面为 10.25 mx5 m,隧道两幅最小间距29 35 m。改扩 建后的楼山隧道全长508 m,隧道断面为17 .25 mx 5 m,隧道两幅最小间距25 31 m。隧道区域内揭 露的地层属于前第四纪地层主要为侏罗纪西山头组 （厶）。岩性以紫红色晶屑、玻屑凝灰岩为主，岩体 质硬而较破碎。地下水的化学成分均以Na HCO3为 主,对既有隧道衬砌具一定的腐蚀性;在长期浸水或 干湿循环条件下可能导致衬砌强度降低。 隧道扩挖施工前,对既有隧道下半断面进行回 填压实，形成临时底板,并在底板上设置临时仰拱。 施工采用括弧双侧壁分部开挖方法,首先对上台阶 I部分的岩体及既有衬砌进行爆破开挖，然后依次 开挖出整个断面，开挖过程及I部分炮孔布置如图1 所示。开挖参数见表1。 2振动测试试验 2.1试验方案试验方案 工程采用一洞改建，另一洞保持交通的施工方 案;同时由于既有隧道已经服役多年,隧道衬砌本身 可能存在脱空、裂纹等,爆破作用下邻洞隧道动力响 应必须重点关注,以确保隧道安全及稳定。为了研究 爆破作用下邻洞隧道振动特性及衰减规律，并有效地 控制爆破地震波有害效应，开展了现场试验及监测。 在邻洞靠近爆破隧道一侧的拱墙下部,设置一条共5 个监测点水平测线。从与爆破面平行位置起,每间隔 20 m设置一个测点，监测点布置如图2所示。 图1开挖流程与爆破设计 Fig. 1 Exc a va t io n p ro c edure a n d bl a st in g design 第37卷第1期林立宏，倪迪,朱爱山，等小近距隧道扩挖爆破作用下邻洞振动响应研究143 表1分部开挖爆破设计参数 Table 1 Blasting desig n parameters of each section 扩挖分部孔深An单孔药量/k g单段最大药量/k g总药量/k g爆破延时 I （围岩） 1.1 〜1.70.15 〜0.904.5023.10MS 1 〜MS 15 I （衬砌） 1.10.604.8015.60MS 1 〜MS 7 II和川1.1 〜1.30.15 〜0.7 54.8025.50MS 1 〜MS 15 W和V1.8 〜2.00.30 〜1.206.7 536.00MS 1 〜MS 13 VI1.80.7 5 〜0.906.7 552.95MS 1 〜MS 15 图2监测点布置示意图 Fig. 2 The p o sit io n o mo n it o rin g p o in t 2.2试验结果及分析试验结果及分析 现场测试试验采用UBOX-5016爆破振动智能 监测仪，仪器测试频率为3200 sp s,测试持续时间 1.0 s ,负延时为50 ms。通过3次测试试验,获得了 15组爆破振动测试数据。邻洞隧道的振动时程典 型曲线如图3所示,监测数据如图4所示。 从图3可以明显分辨出各延时爆破引起的振动 历程及峰值振速。由于各段装药量和自由面的影 响，各延时爆破引起的峰值振速差异明显。对比水 平径向、水平切向和垂直方向三个方向的振动时程 特征，峰值振速的最大值均由MS 1段引起，这是因 为MS 1段为掏槽眼，装药密度和药量最大,且自由 面最少。三个方向分另为1.532 c m/s、1.062 c m/s、 1.182 c m/s ,水平径向峰值振速最大,而水平切向峰 值振速最小。 r乞 2 p MS l 0 200 400 600 800 1000 时间/ms a水平径向 a Horizontal radial q 1.0 r 0.5 S 0 壬-0.5 ft -l .o 竖-1.5 时间/ms 0 200 400 600 800 1000 b水平切向 b Horizontal tangential S S 2 2 。 嘯 5 0 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 0 5 时间/ms e直方向 c vertical direction 图3振动时程典型曲线 Fig. 3 The t y p ic a l c urve o f t he vibra t io n t ime hist o ry 采用萨道夫斯基公式对现场监测结果进行拟 合［如，监测数据及拟合结果如图4所示。拟合决定 系数/为0.901,说明拟合精确度较好，能够较好地 反映爆破作用下邻洞振动衰减规律。 S S w w - - 刚粵赳雪蚯、唄 比例药量/kg“‘ m- 图4峰值振速拟合曲线 Fig. 4 Fit t in g c urve o f p ea k p ressure o f wa t er sho c k wa ve 式中”为峰值合速度,c m/s；Q为单段最大药 量,k g；R为爆心距,m；21/3/7 为距离比例药量，其 取值范围为0.0185 0.0482。 3数值模拟分析 3.1数值模型数值模型 为了进一步研究爆破作用下邻洞隧道的振动响 应特征，采用Ls-dy n a建立了小近距隧道扩挖动力 有限元模型。数值计算模型三维尺寸为95.83 mx 85 mx 120 mo模型材料由岩土体、炸药、衬砌、钢拱 架和空气5个部分组成，采用c m-g屮s单位制。根 据上述现场试验结果，爆破作用下邻洞隧道的峰值 振速由掏槽眼（MS 1）引起，为了简化计算，本模型研 究上台阶I部分掏槽眼爆破。见图5。 144爆破2020年3月 图5数值模拟模型图 Fig. 5 Numeric a l simul a t io n mo del dia gra m 模型中2号岩石乳化炸药采用MAT_HIGH_ EXPLOS IVE_BURN模型,参数如表2所示；围岩及 衬砌采用* MAT_PLAS TIC_KINEMATIC模型，参数 如表3和表4所示;空气采用* MAT_NULL模型，参 数如表5所示；钢架采用* MAT_JOHNS ON_COOK 模型，参数如表6所示。岩石、衬砌和钢拱架使用 La gra n ge网格，炸药和空气使用Eul er网格,边界条 件这是为No n -refl ec t io n边界。 表2炸药的计算参数 Table 2 Parameters of explosive 表3岩土体的计算参数 密度卩/ g c m-3 爆速0/ m ■ s 1 人/GPaB/GPa随爆心距的增加,爆破隧 道和邻洞隧道的峰值振速均而减小；在爆心距 100 m位置,爆破隧道峰值振速大于邻洞隧道。说 明在爆破近区,隧道扩挖爆破对邻洞隧道振动响应 的影响更大，随着爆心距的增加其振动衰减也更快。 与爆破断面平行位置是邻洞隧道最危险断面, 爆破施工中应为重点监控范围。分别取拱顶、拱腰、 拱脚及拱底单元为监测点,获得各点的峰值振速如 表8和图7所示。 第37卷第1期林立宏，倪迪,朱爱山，等小近距隧道扩挖爆破作用下邻洞振动响应研究145 LS -DYNAn sermp ui Eieuiefit t w. - ； 701190 J .3.17 04190 f 17 07 190 ；■ P17 13190 17 1.9190 L4 1.2 1.0 0.8 0.6 0,4 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0,10 Time/E-v6 a爆破隧道 a Blasting Turmel 2. L5 L0 0.5 0.0 LS -DYNA a wr in p ut El emen t n o . “ 506396 .必 506096 』 C5057 96 s； K15G.5196 - H. .1504596 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 27me/E-b6 b邻洞隧道 b Adjacent Turmel 图6振速时程曲线图 Fig. 6 Time hist o ry c urve o vibra t io n vel o c it y 图7最危险断面峰值振速图 Fig. 7 Time hist o ry c urve o f vibra t io n vel o c it y 由表8和图7可知，邻洞隧道最危险断面上，峰 值振速最小值出现在左侧拱脚位置，为0.17 1 c m/s； 最大值在右侧拱腰位置，为1.7 61 c m/s ,小于爆破设 计要求的振速安全控制值2. 5 c m/s。隧道断面右 侧为迎爆面，其峰值振速均大于隧道左侧。由于数 值模型模拟的是上台阶I部分掏槽眼爆破，因此拱 顶峰值振速大于拱底，同侧拱腰峰值振速大于拱脚。 因此，可知邻洞隧道迎爆侧为爆破影响最大的部位, 其原因是迎爆侧离爆源最近,爆破地震波携带能量 大,的隧道振动强度大。而背爆侧离爆源远,既有隧 道空间对振动衰减作用较大，地震波能量损耗大,所 引起的振动强度相对较小。 表8最危险断面峰值振速 Table 8 Peak vibration velocity of the most dang erous surface 位置拱顶右侧拱腰右侧拱脚拱底左侧拱脚左侧拱腰 峰值振速/c m s 1 0.8361.7 611.6090.4980.17 10.219 4结论 通过对小近距隧道扩挖爆破现场测试试验和数 值模拟，重点研究了爆破作用下邻洞隧道振动响应 特征及衰减规律。主要研究结论如下 1 爆破振动强度随爆心距的增加不断降低。 爆破掏槽段炸药引起的隧道振动最大，其原因是炸 药药量大以及围岩夹制作用大。 2 在爆破近区，隧道扩挖爆破对邻洞隧道振 动响应的影响更大，随着爆心距的增加其振动衰减 也更快。 3 邻洞隧道迎爆侧离爆源近,爆破地震波携 带能量大，隧道振动强度大。背爆侧离爆源远，既有 隧道空间对振动衰减作用较大,地震波能量损耗大, 所引起的振动强度相对较小。 参考文献参考文献References [1] MAS HIMO H, IS HIMURA T. 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