下穿隧洞爆破掘进对既有隧洞的振动影响.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 6 年9 月 爆破 B L A S T D 呵G V 0 1 ．3 3N o ．3 S e p ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 0 2 下穿隧洞爆破掘进对既有隧洞的振动影响 杨成全，舒大强，陈明，张浩 武汉大学水资源与水C a T _ 程科学国家重点实验室，武汉4 3 0 0 7 2 木 摘要结合福建晋江隧洞小角度下穿既有上行隧洞的工程施工，采用爆破振动监测和数值模拟方法，研 究在建隧洞相对空间变化条件下邻近既有洞的动力响应与振动影响。结果表明距爆源3 0m 以内，结构部 位和爆心距共同影响振速分布；3 0m 以外区域，以爆心距影响为主。指出既有隧洞最大振速出现于爆源前 方5m 范围内迎爆侧底板高程上，爆源近区的竖直向峰值质点振动速度是控制结构安全的主要监测指标，提 出适用于不同监测区域的振速控制值的选取方法。 关键词下穿隧洞；爆破振动；数值模拟；振动响应 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 0 0 5 0 5 V i b r a t i o nE f f e c t so nE x i s t i n gT u n n e lI n d u c e db y B l a s t i n gE x c a v a t i o no fU n d e r p a s sT u n n e l Y A N GC h e n g q u a r t ，S H UD a q i a n g ，C H E N 施愕，Z H A N GH a o S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n s i n e e f i n gS c i e n c e ， W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fF u j i a nJ i n j i a n gt u n n e lp a s s i n gu n d e rt h eu p p e re x i s t i n gt u n n e la tas m a l l n n s l e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n dv i b r a t i o ne f f e c to fa a j a e e n te x i s t i n gt u n n e lu n d e rt h ec o n d i f i o mo fr e l a t i v es p a t i a l v a r i a t i o no fn e w l y ．b u i l tt u n n e lw e r es t u d i e db yu s i n gm e t h o d so fb l a s t i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a - t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts t r u c t u r a lp a r t sa n dt h ed i s t a n c ef r o mt h ee x p l o s i o ns o u r c ec o l l e c t i v e l ya f f e c tt h ev i b r a t i o n v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fe x i s t i n gt u n n e lw i t h i n3 0mr a n g e ，m e a n w h i l e ，t h em a i ne f f e c tf a c t o rc h a n g e st o t h ed i s t a n c e f r o mt h ee x p l o s i o ns o u r c eo u t s i d e3 0m r a n g e ．A n dt h em a x i m u mv e l o c i t yo ft h ee x i s t i n gt u n n e lo c c u r sa tt h ee l e v a t i o n o ft u n n e lf l o o rf a c i n gt h eb l a s t i n gs i d ew i t h i n5ma h e a do ft h ee x p l o s i o ns o u r c e ．t h ev e r t i c a lP P vi nt h en e a rf i e l do f t h ee x p l o s i o ns o u r c ei st h em a i nm o n i t o r i n gi n d e xi nt h es a f e t yc o n t r o lo fs t r u c t u r e ．T h em e t h o do fs e l e c t i n gt h ec o n - t r o lv a l u ea p p l i e dt od i f f e r e n tm o n i t o r i n ga r e a si sp r o p o s e d ． K e yw o r d s u n d e r p a s st u n n e l ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v i b r a t i o nr e s p o n s e 在市政、交通及水利等行业的工程建设中，有关 在建隧洞邻近既有建 构 筑物、小净距平行隧洞、 上下交叉隧洞等一类施工条件极为复杂的近接工程 收稿日期2 0 1 6 0 6 一1 5 作者简介杨成全 1 9 9 1 一 ，男，武汉大学水利水电学院硕士研究 生，主要从事水利水电工程施工技术方面的研究， E - m a i l y c q 9 l1 5 w h u ．e d u ．c n 。 通讯作者舒大强 1 9 6 2 一 ，男，教授，主要从事水利水电工程施工 技术方面的研究和教学， E m a i l 1 6 6 0 9 2 4 3 3 5 q q ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金面上项目 5 1 2 7 9 1 4 6 、5 1 4 7 9 1 4 7 越来越多，由隧洞钻爆开挖引发的振动安全问题也 进一步凸显。关于近接隧洞爆破振动响应、振动控 制措施和振动安全评价指标及控制标准等课题得到 广大工程爆破领域学者及工程技术人员的持续关注 和研究‘1 - 6 1 。 在福建晋江实施的台湾金门供水第二通道引水 隧洞的建设项目，针对既有隧洞下方6m 处小角度 穿过的隧洞钻爆施工，通过既有洞处的爆破振动监 测，获得了既有洞振动响应特点因爆源与既有洞空 万方数据 6 爆破 2 0 1 6 年9 月 间相对位置关系不断变化而存在较大差异的认知。 为全面探究既有洞的振动响应规律及优化爆破振动 监测方案，以现场监测基本认识为基础，采取数值模 拟方法对下穿隧洞在不同部位爆破作为振动源，期 望对既有洞的动力响应和振动影响进行深入研究， 并能够取得一定理论意义和工程应用价值的认识。 1 工程施工环境及爆破振动监测 1 ．1 工程施工环境 晋江引水隧洞工程位于福建泉州市金鸡山一级 水源保护区，受空间布置和走向要求的限制，需以 1 5 。夹角下穿既有的石狮专用引水隧洞。两条隧洞 交叉段长度为6 0m ，隧洞间竖直向夹岩层净距仅 6m ，不足l 倍开挖洞径，属近接隧洞工程，其空间位 置关系见图l 。设计沿线地层多为Ⅳ一V 类花岗 岩，局部岩体破碎，稳定性较差；既有洞衬砌采用厚 度0 ．5m 的C 2 5 混凝土，运行期间局部混凝土衬砌 发生了开裂和剥落。在下穿隧洞爆破开挖初期，过 大的爆破振动严重影响了既有隧洞的正常供水，并 由此导致了下穿隧洞钻爆施工的停工。引水隧洞钻 爆施工对运营中的上行既有洞的振动效应及如何实 施有效的振动控制是亟待解决的问题。 图1 交叉隧洞空间关系 单位m F i g ．1S p a t i Mp o s i t i o no fc r o s st u n n e l s u n i t m 1 ．2 爆破振动监测 根据隧洞下穿过程中爆源与既有洞之间空间位 置的不同，选取爆源在交叉点后方Z 一7m 、交叉 中心Z 0m 及交叉点前方Z 2 5m 时进行爆破振 动观测试验。针对不同爆次特点，分别在上洞近爆 源底板轴线及墙脚选定6 个控制监测点，每个监测 点同时拾取水平切向、水平径向和竖直向峰值质点 振动速度及主振频率。测点布置如图2 所示。 一3 0 m一2 0 m一1 0 m0n 11 0n 12 0 m3 0 m 图2 测点布置图 F i g ．2A r r a n g e m e n to fm o n i t o r i n gp o i n t s 观测试验的爆破方案为同一断面分部反台阶 开挖，各台阶分次起爆。其微差起爆顺序为下台阶 掏槽斜孔楔形爆破- 崩落孑L 爆破一底孔、周边孔爆 破，而上台阶自下而上崩落孔爆破一周边孔光面爆 破。炮孔布置与起爆网路如图3 所示，炮孔直径d 4 2m m ，孔深f 1 ．5 2 ．0m ，最大单响药量Q 苴 4 ．8k g ，总药量Q 趋 3 6 ．0k g 。 图3 炮孔布置与起爆网路 单位m F i g ．3A r r a n g e m e n to fb l a s t i n gh o l e sa n d i n i t i a t i o nn e t w o r k u n i t m 将3 次试验爆破实测振动数据列于表l 一表3 ， 其中测点位置坐标Z 小于爆源坐标的区域属工作 面后侧已开挖区，反之为未开挖区。 由振动监测数据可知，所有测点振动速度均控 制在7 ．2 0c m s 。1 以内，且对应主振频率分布于 8 0 1 5 0H z 之间，控制在爆破安全规程“ 1 安全标 准以内。 在爆源近区，各测点竖直向振速明显大于水平 切向与径向振速，如8 。一1 0 。测点，而远区测点三向 振速趋于平均，如7 4 、1 1 ’及1 2 ”。而爆源近区振动 万方数据 第3 3 卷第3 期 杨成全，舒大强，陈明，等下穿隧洞爆破掘进对既有隧洞的振动影响 7 强度往往比远区大，因此，爆源近区的竖直向振速是 控制结构安全的主要观测数据。 表1 爆源Z 一7m 断面实测振速 T a b l elM e a s u r e dv i b r a t i o ni n d u c e db y t h eb l a s ta tt h es e c t i o nZ 一7m 表2 爆源Z 0m 断面实测振速 T a b l e2M e a s u r e dv i b r a t i o ni n d u c e db yt h eb l a s t a tm es e c t i o nZ 0 m 表3 爆源Z 2 5m 断面实测振速 T a b l e3M e a s u r e dv i b r a t i o ni n d u c e db yt h e b l a s ta tt l l es e c t i o nZ 2 5m 试验1 与3 的结果显示同一断面上的迎爆侧 测点振动速度比背爆侧振速大，如l 。是2 8 测点的 1 ．4 6 倍，3 8 是4 。测点的1 ．3 0 倍，1 6 。迎爆测点分别为 1 7 。轴线、1 8 。背爆测点的1 ．3 4 倍和1 ．7 2 倍。在爆 心距差别较小的情况下，迎爆侧测点振速较背爆侧 有明显的提高，说明结构迎背爆侧部位及爆心距都 会影响振速大小和响应。 将试验2 中相同爆心距的两个测点振动速度对 比爆源后侧振速略小于前侧，如8 ’振速小于1 0 8 振 速，7 8 振速小于118 振速。说明开挖区介质的变化会 对轴线方向振动传播产生影响。 此外，对同断面分部开挖实测竖直向振动波形 图4 、图5 进行分析可知分部开挖中最大振速均出 现在下台阶爆破阶段，其中各梯段爆破中又以掏槽 孑L 爆破振动速度最大。由于掏槽爆破时仅存在一个 自由面，岩石受到较大的夹制作用，导致振动能量增 大。陈星明等研究也显示旧’9J ，在单响药量等条件 一致时，自由面条件对振动强度影响显著，自由面越 充分，其爆破有害效应越低。可见，控制掏槽爆破振 动是近接隧洞工程掘进中的关键因素。 ， ∞ ● g 3 釜 越 制一0 幅 烂 j 。 4 ／掏槽孔爆破 3 2 ／崩落孔爆鼍 周边孔爆破＼ 1 ．J l L 儿．I L ．．| I l L ．1 ．“| 1L v 旷K 矿甲3l r0 ‘5 r 叮 | 5 ．7 r0 ．9 旷1 l l - 2 一3 时间T ／s 图4 下台阶爆破实测波形图 F i g ．4 W 7 a v e f o F mg r a p hi nl o w e rb e n c hb l a s t i n g j 2．崩落孔爆破 1 夕 1 1 ．．．| I l l L l h ．勰＼kk ． “山．．L 。．1 u旷h r I P “ 0 ．3『啊”5 手 0 9r 1 l l 时间T ／s 图5 上台阶爆破实测波形图 F i g ．5 W a v e f o r mg r a p hi nu p p e rb e n c hb l a s t i n g 通过现场爆破监测工作，有如下认识 1 下穿隧洞对邻近既有洞的振动影响，竖直 向的振速具有控制性；振动强度则以掏槽爆破阶段 为主导。 2 既有洞振动响应因爆源相对其位置的变化 而不断改变，其中，以邻近爆源的未开挖区迎爆侧控 制点振动速度最大。 2 数值计算模型 在复杂施工和监测环境下，由于需要进行谨慎 的钻爆参数施工以及振动监测控制点的局限性，监 测结果往往缺乏对振动响应特性全方位认识。在晋 江隧洞工程爆破振动监测成果的基础上，运用数值 方法，就下穿隧洞掏槽条件下的既有洞各结构特征 点的动力响应和振动影响等问题，开展进一步的探 索与研究。 参考实际工程建立图6 所示三维有限元模型。 万方数据 爆破 2 0 1 6 年9 月 其中Z 轴沿下洞轴线且经过拱心，Y 轴垂直于地表， 交点0 位于交叉断面上。计算模型尺寸取7 0m 7 0m 6 0m ，夹岩厚度取6 ．0m ，两洞轴线夹角1 5 。。 六个边界设置为无反射边界，已开挖区为自由边界。 采用S O L I D l 6 4 实体单元个数2 7 0 4 3 2 ，节点个数 2 8 2 4 2 4 。材料类型均设定为线弹性 M A T E L A S ． T I C ，物理力学参数取值见表4 。 图6 数值计算模型 F i g ．6 N u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l 表4 围岩与衬砌物理力学参数 T a b l e4M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fw a l l r o c ka n dc o n c r e t el i n i n g 部位材料。署群，燃／u r a 洲竺比蕊／M F 字a 【K g mJ正“L 围岩Ⅳ类花岗岩 2 5 0 03 50 ．1 81 ．0 衬砌C 2 5 混凝土 2 7 0 02 00 ．2 2／ 考虑迎爆侧的不同，采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 动 力有限元软件就爆源坐标z 为一1 0i n 、0I n 和1 0I n 三种工况 依次为工况1 、2 、3 的掏槽爆破过程中的 既有洞特征部位响应进行计算，如图7 所示。各工 况除爆源位置不同外，其余参数均不变。 注 1 一底板 2 一左墙脚 3 一右墙脚 4 一左直墙 5 一右直墙 6 一左拱底 7 一右拱底 8 一拱顶 图7 既有隧搁特征部位 F i g ．7T y p i c a lp a r t so fe x i s t i n gt u n n e l 为便于研究，采用简化的等效三角形荷载替代 爆炸荷载，并根据爆破荷载衰减规律推求得到等效 荷载‘1 0 。2 | 峰值荷载P 0 8 。 2 5M P a ，荷载作用总 时间T 1 0m s ，并垂直施加于半径r O ．5m 的弹性 区槽腔壁上。 3 计算结果及分析 爆炸荷载动力作用诱发周围岩体及结构振动， 因实际爆破中同段别雷管存在延时误差、施工工艺 及地质等因素的影响，往往使实测波形与模拟计算 波形存在一定差异。但从波形对比图8 上看，两条 振动波形速度幅值处于同一量级，频率差别较小，且 衰减过程基本相似，故认为爆炸荷载等效模拟适用 于爆破开挖中的振动计算与分析。 f ∞ ● 巨 。 孓 蜊 恻 帽 媸 ；_ 瓤⋯⋯ 1 V 嘶3 ～7 n I 图8 掏槽爆破振动波形对比 F i g ．8C o m p a r i s o no fv i b r a t i o nw a v e f o r m si nc u tb l a s t i n g 3 种工况下的计算结果表明表面特征部位竖 直向峰值质点振动速度均大于水平向，与实测结果 较吻合。说明上下交叉隧洞中各向振速与爆源和控 制点相对位置有关，而在爆源近区两点上下位置决 定了竖直向振动强于水平向。 不同工况下振速分布沿轴线变化规律基本相 同。以工况2 中特征部位振速分布图9 为例，同一 部位振速基本呈现出由爆源断面沿轴线向两侧递减 趋势，距离爆源3 0m 内，不同部位振动速度差别较 大，隧洞部位和爆心距共同影响振速分布；3 0 m 以外 区域，不同部位振动速度均衰减为一个稳定的较小 值，振速分布以爆心距影响为主，结构位置影响不 显著。 逖／3 ／／瓮遘 支／ 毯，／ _ | l f l ． 霭 ／／， ．．羔≤羹簪翟 一3 0一2 0一1 0O1 02 03 0 断面Z ／m 图9 竖直向振速沿轴线变化曲线 F i g ．9 V e r t i c a lv e l o c i t yc h a n g ec u r v e sa l o n gt h ea x i s 在工作面前后的较小区域上，后侧开挖区振速 万方数据 第3 3 卷第3 期杨成全，舒大强，陈明，等下穿隧洞爆破掘进对既有隧洞的振动影响 9 略小于与之相同爆心距的前侧未开挖区振速，此特 征与试验2 数据基本吻合。因为开挖区削弱了原有 岩体的整体结构，其振动衰减程度比岩体较完整的 未开挖区大。但该特征仅在工作面前后5 m 尺度内 表现，随着爆心距增大，衰减程度增加，距离成为影 响振动强度的主要因素，因而导致爆源前方振速先 4 ．4 5 a 工况1 a C o n d i t i o n1 增后减。 相对于轴向分布规律，不同工况下隧洞横断面 振速分布因迎爆侧位置的改变而各不相同。选取3 种工况中与爆源同桩号的断面振速分布特性进行分 析，如图1 0 所示。 6 ．2 6 b 工况2 b C o n d i t i o n2 5 ．1 25 ．1 7 c C 工况3 c C o n d i t i o n3 图1 0 隧洞断面振速分布图 单位c m s 。1 F i g ．1 0 D i s t r i b u t i o no fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yi nt u n n e ls e c t i o n u n i t c a s ‘1 在工况l 与工况3 中，爆源位于既有洞侧下方， 断面迎爆侧振动速度一般为背爆侧对应部位的2 3 倍，并在迎爆侧墙脚出现最大振速值；工况2 的爆 源位于交叉点正下方，迎爆侧底板轴线上振动速度 最大，且振速呈对称分布。上方直墙与拱结构振动 相比底板振动具有不同程度的衰减，一般可达到同 断面最大振速的1 ／3 1 ／1 0 。因为迎爆侧相对于背 爆侧的爆心距小，更主要的是既有洞中空腔因素使 振动强度在传向背爆侧和上方部位过程中得到了很 大程度的衰减。 由3 种工况掏槽爆破振动响应数值模拟与分析 取得如下认识 1 受两洞空间位置影响，爆源近区竖直向振 速是控制性的，其振动强度也反映了整个构筑物的 动力响应水平。 2 轴线方向上，距爆源3 0m 范围内，隧洞结 构部位和爆心距共同影响各点振动强度；3 0m 以 外，以爆心距影响为主。最大振速往往出现在爆源 前方5m 范围内的未开挖区。 3 横断面上，振速分布随迎爆侧位置的改变 而变化，其中底板高程上迎爆部位振速是该断面振 速的最大值。 基于有关下穿条件下的既有洞振动响应特性与 规律的认识，可对下穿隧洞施工提出进一步的建议 1 在距离爆源3 0 m 尺度内实施振动监测可以 满足对振动安全影响的掌控，同时控制点应从爆源 断面向两侧由密到疏布置。 2 场地条件无限制的工程，横断面上测点应 主要分布在底板高程上，并重点监测迎爆侧振动响 应，直墙及拱结构进行选择性监测或不测。考虑在 底板及迎爆侧可测得最大振速值，对整个区域可采 用统一的振动控制指标。 3 因场地条件限制而无法对潜在最大振速部 位监控的工程，如交通隧洞轴线布点限制、无压引水 隧洞底板布点限制等，可将测点调整到邻近特征部 位，选择只监测局部特征点，通过试爆等方法确定各 部位振速比值关系，以此求得测区相对于潜在最大 振速的折减系数，通过最大振速的控制标准值乘以 折减系数的形式确定不同监测区域对应的振动控制 指标。 4 结论 在对晋江隧洞下穿施工的爆破振动监测取得基 本认识基础上，就不同空间关系的爆源对既有洞的 振动响应进行数值计算，取得了如下认识与结论 1 距离爆源3 0m 范围内，结构部位和爆心距 共同影响振速分布；3 0m 以外区域，以爆心距影响 为主。 下转第5 2 页 万方数据 5 2爆破 2 0 1 6 年9 月 上接第9 页 2 小净距下穿工程中，既有洞最大振动速度位于 爆源前方5m 范围内未开挖区迎爆侧底板高程部位。 3 在实际现场监测时，应考虑不同振动监控 区域的最大峰值振速的方向差异，这有利于最大振 动量的监控，并有目的地降低监测工程量与监测难 度，对复杂场地条件下的现场爆破振动监测具有一 定的参考价值。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 王明年，潘晓马，张成满，等．邻近隧道爆破振动响应 研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 4 ，2 5 3 4 1 2 ．4 1 4 ． W A N GM i n g - 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