隧道扩挖既有衬砌的爆破拆除.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2019. 06. 010 隧道扩挖既有衬砌的爆破拆除 ❋ 彭泽森① 倪 迪② 陶小钧② 朱爱山③ ①中国地质大学武汉湖北武汉，430074 ②台州市交通投资集团有限公司浙江台州，318000 ③浙江省隧道工程集团有限公司浙江杭州，310005 [摘 要] 以浙江温岭楼山隧道扩挖工程为背景，采用 ANSYS 数值模拟软件对两种工法下隧道拱顶既有衬砌的 爆破拆除方案进行对比，研究不同的爆破开挖方案对隧道周边岩土体及既有隧道产生的影响。 其中，工法一对隧 道 I 部分衬砌及上方 I 部分岩土体同时进行开挖；工法二则对上述两部分进行分部开挖。 通过对两种工法下监测 点的振动速度进行研究分析，并参考 GB 67222014爆破安全规程，对比选出合适的爆破拆除方法。 结果表明 两种工法左侧未开挖隧道的振动速度均低于安全标准；工法一的爆破振动速度相对较大，隧道右洞质点振动速度 大于安全允许值；采用 Matlab 对右洞监测点的振动速度进行拟合，获得了爆破振动衰减规律。 [关键词] 隧道工程；方案比选；爆破拆除；振动速度；数值模拟 [分类号] U457 ＋ . 6 Blasting Demolition of Existing Lining in Tunnel Expansion Excavation PENG Zesen①， NI Di②， TAO Xiaojun②，ZHU Aishan③ ① China University of Geosciences Wuhan Hubei Wuhan， 430074 ② Taizhou Communications Investment Group Zhejiang Taizhou， 318000 ③ Zhejiang Tunnel Engineering Group Zhejiang Hangzhou，310005 [ABSTRACT] Based on the project of expanding and digging Wenling Loushan Tunnel in Zhejiang， the blasting demoli- tion schemes of existing lining of tunnel arch roof under two engineering options were compared by ANSYS numerical simu- lation software， and the influences of different blasting excavation schemes on surrounding rock and soil mass and existing tunnels were studied. In construction 1， the lining of part I of the tunnel and the rock and soil mass of part I above the tunnel are excavated at the same time. In construction 2， the above two parts are excavated by segments. Vibra- tion velocity of monitoring points under the two construction s were analyzed. According to Safty Regulations for Blasting GB 67222014， it was concluded that blasting vibration velocities in the two construction s meet the standard. Vibration velocity in construction 1 is relatively large， and that of the particle point in the right hole of the tunnel using engineering 1 is greater than the safety allowable value. Matlab was used to fit the vibration velocity of the monitoring point in the right hole， and the blasting vibration attenuation tendency was obtained. [KEYWORDS] tunnel engineering； scheme comparison； blasting demolition； vibration velocity； numerical simulation 引言 爆破拆除技术在建构筑物的拆除中被广泛 应用[1]。 然而，爆破方案的选定和参数设计仍不够 准确，仅采用工程类比及经验进行设计的风险较高， 仍需要进行深入细致的分析来保证爆破的成功[2-4]。 目前，数值模拟已成为拆除爆破方案设计及分析的 重要方法。 国内学者通过数值模拟对实际爆破过程 进行再现和分析，开展了大量与爆破拆除相关的研 究[5-7]，包括隧道爆破振动、施工方法优化以及安全 爆破控制等 [8-13]。 本文中，采用数值模拟对两种工 法下的隧道衬砌爆破拆除方案的安全性进行研究， 并对监测数据进行拟合、比较，得出合适的爆破拆除 第 48 卷 第 6 期 爆 破 器 材 Vol. 48 No. 6 2019 年 12 月 Explosive Materials Dec. 2019 ❋ 收稿日期2019-06-14 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 第一作者彭泽森1995 － ，男，硕士研究生，主要从事爆破技术相关的研究。 E-mail1774783464＠ qq. com 方案及爆破振动的衰减规律。 1 爆破方案 楼山隧道位于浙江省温岭市楼山村，为分离式 隧道，是台州市通往温岭市的主要交通要道。 目前 正在使用，交通流量较大。 现需对既有双向四车道 隧道原位扩建为双向八车道隧道。 为了保证交通， 实行一洞改建，另一洞保持交通通行，要求在实施爆 破作业时，保证通行隧道的安全。 根据工程实际情况，楼山隧道拟定两种不同的 爆破方法进行既有钢筋混凝土衬砌的爆破拆除。 隧 道模型示意图见图 1，罗马数字表示隧道开挖顺序。 1 － 岩土体；2 － 钢架；3 － 衬砌。 图 1 计算模型示意图 Fig. 1 Schematic diagram of calculation model I 部分及既有衬砌炮孔参数如表 1 所示。 表 1 中，衬砌炮孔共 21 个，计算得到每个炮眼装药量取 整为 150 g。 1. 1 整体开挖工法一 工法一为整体开挖。 在第 I 部分岩土体及衬砌 处都安放了炸药，采用毫秒微差爆破一次爆破开挖， 设置 4 个段别起爆，顺序依次为掏槽眼、辅助眼、周 边眼、衬砌炮眼。 炮眼布置如图 2 所示。 1. 2 分部开挖工法二 工法二为分部开挖。 利用钢架对岩土体进行加 固，同样采用毫秒微差爆破。 但 1 阶段只在第 I 部 分岩土体中放置了炸药，设置 3 个段别起爆，顺序依 次为掏槽眼、辅助眼、周边眼；2 阶段 I 部分岩土体 已经开挖完毕，因此只对既有衬砌进行爆破。 炮眼 布置如图 3 所示。 图 2 工法一炮眼布置图 Fig. 2 Perforation design in 1 a1 阶段 b 2 阶段 图 3 工法二炮眼布置图 Fig. 3 Perforation design in 2 2 有限元模拟 对两种不同工法下的既有钢筋混凝土衬砌爆破 拆除过程进行数值模拟，对模型中相同位置监测点 的振动速度进行比较，并与 GB 67222014爆破安 全规程 [14]进行对比分析，选择合适的爆破方法。 2. 1 模型及参数设定 以楼山隧道的起止桩号为右线 K19 ＋ 446. 4 K19 ＋956. 0全长 509. 6 m、左线 ZK19 ＋ 442. 5 ZK19 ＋973. 0 段为背景建模。 原隧道的净断面为 10. 25 m 5 m，隧道两幅最小间距 29 35 m，总宽 度为10. 25 m，隧道净空高 5 m。 扩建后的楼山隧道 表 1 I 部分炮孔参数取值 Tab. 1 Hole parameters of part I 单位药量/ kg��m －1 装药长度/ cm 堵塞长度/ cm 循环药量/ kg 炮孔数量 周边孔抑槽孔辅助孔 单孔药量/ kg 周边孔抑槽孔辅助孔 0. 281505010. 9225480. 250. 600. 40 ��94��2019 年 12 月 隧道扩挖既有衬砌的爆破拆除 彭泽森，等 起止桩号为右线 K19 ＋ 468 K19 ＋ 955，全长 487 m；左线 ZK19 ＋462 K19 ＋970，全长 508 m。 隧道 净断面为 17. 25 m 5 m，隧道两幅最小间距25 31 m，总宽度 17. 25 m，隧道净空高 5 m。 该隧道模型以隧道横向为 X 轴，轴线方向为 Z 轴。 综合考虑计算精度和效率，在 X 方向上，由隧 道轴线向 X 轴负方向取 65. 8 m，向 X 轴正方向取 30. 0 m；在 Y 方向上，由隧道轴线向 Y 轴负方向取 25. 0 m，向 Y 轴正方向取 60. 0 m；在 Z 方向上，由隧 道轴线向 Z 轴负方向取 7. 0 m，向 Z 轴正方向取0. 5 m。 因此，本隧道衬砌爆破拆除数值计算模型三维 尺寸为 95. 8 m 85. 0 m 7. 5 m。 模型图见图 4。 爆破部位见图 5。 图 4 数值模拟模型 Fig. 4 Numerical simulation model 图 5 爆破部位示意图 Fig. 5 Schematic diagram of blasting site 模型材料主要由炸药、岩土体、衬砌、空气和钢 架 5 个部分组成，均选用实体单元 Solid164 进行网 格划分。 其中，2＃岩石乳化炸药采用 Mat High Explosive Burn 材料模型，参数如表 2 所示；岩土体 及衬砌采用 Mat Plastic Kinematic 材料模型，参数 如表 3 和表 4 所示；空气采用 Eos Linear Polynomial 材料模型，参数如表 5 所示；钢架采用 Mat Johnson Cook 材料模型，参数如表 6 所示。 岩石、衬砌和钢 架采用拉格朗日网格建模，炸药和空气采用流固耦 合建模，单元使用多物质 ALE 算法。 为了模拟无限 大岩体，外边界均采用无反射边界条件。 考虑工程实际情况，同时为了便于数值模 拟，模型炮孔深度为2. 0 m，炮孔直径为4. 5 cm，炮 表 2 炸药的计算参数 Tab. 2 Parameters of the explosive 密度 ρ/ kg��m －3 爆速 D/ m��s －1 A/ PaB/ Pa 1 6404 0003. 74 10110. 323 108 R1R2ωE/ PaV 4. 150. 950. 37 1091. 0 表 3 岩土体的计算参数 Tab. 3 Parameters of rock masses 密度 ρ/ kg��m －3 泊松比 屈服 强度/ MPa 弹性 模量/ GPa 剪切 模量/ MPa 硬化 系数 2 6800. 225. 50. 228220. 5 表 4 衬砌的计算参数 Tab. 4 Parameters of lining 密度/ g��m －3 泊松比 弹性模量/ GPa 剪切模量/ MPa 2. 670. 250. 20222 表 5 空气的计算参数 Tab. 5 Parameters of air 密度/ kg��m －3 μC0C1 1. 291. 0－1. 0 10 －6 0 C2C3C4C5C6E/ Pa 000. 40. 402. 5 10 －6 表 6 钢架的计算参数 Tab. 6 Parameters of steel frame 密度/ kg��m －3 剪切 模量/ MPa 弹性 模量/ GPa 硬化 指数 初始内部 能量/ J 7. 830. 7700. 260 孔间距为 50 cm，装药使用 2＃岩石乳化炸药。 炮孔 起爆位置在炸药中间处。 采用 LS-DYNA Solver 进 行求解，使用 LS-Prepost 软件进行后处理。 数值模 拟中，所有参数均统一使用 cm-g-μs 单位制。 2. 2 计算方案 爆破拆除的过程具有高速、复杂的特点，在数值 模拟中很难将所有因素都考虑进去。 因此，只考虑 影响爆破效果的主要因素，简化次要因素。 模拟中 做出假设 1既有衬砌、岩石、炸药等材料性质均连续且 具有各向同性； 2模型任意两种介质的接触面上位移及速度 ��05�� 爆 破 器 材 第 48 卷第 6 期 万方数据 连续条件均得到满足； 3爆破拆除过程为绝热过程，热力学参量的影 响不作考虑； 4不考虑岩石中裂隙的影响。 采用多物质材料与拉格朗日结构耦合算法来满 足涉及两种以上物质的计算。 2. 3 有限元模拟结果 模拟在各个工法下爆破振动速度的变化情况以 及峰值大小。 由于隧道模型右洞对称，结合温州绕 城高速屏山隧道小净距段发现，在爆破施工中先行 隧道迎爆侧边墙处应为重点监控范围[15]。 因此，分 别取拱顶、拱腰、拱脚及拱底中的点研究爆破振动速 度随时间变化的规律及振动速度的最大值。 其中， 右洞监测点位置取距离爆破掌子面 30 m 的既有隧 道二衬位置处；左洞监测点所在面则与爆破掌子面 平行。 结果如表 7 表 9、图 6 所示。 图 6 中，A F 分别为各监测点的编号。 表 7 右洞监测点主振频率 Tab. 7 Main vibration frequency of monitoring points in the right hole Hz 工法一工法二 1 阶段工法二 2 阶段 91. 50373. 00564. 943 3 爆破方案优选 3. 1 整体开挖方案工法一 工法一的主振频率为91. 503 Hz，振动速度为 101. 400 cm/ s，造成这种现象的原因是第I部分岩 土体中的炸药以及衬砌中的炸药同时引爆，导致炸 药同时产生的压缩应力波叠加，在波阵面的切线 a工法一 b工法二 1 阶段 c工法二 2 阶段 图 6 爆破振动速度随时间的变化趋势 Fig. 6 Blasting vibration velocity changing with time 表 8 右洞各点振动速度 Tab. 8 Vibration velocity of each point in the right holecm/ s 爆破方法拱顶左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚拱底 工法一101. 4008. 0528. 6454. 2704. 7032. 132 工法二 1 阶段18. 5047. 0586. 7473. 6483. 8411. 569 工法二 2 阶段14. 4302. 5652. 2901. 2641. 3400. 860 表 9 左洞各点振动速度 Tab. 9 Vibration velocity of each point in the left holecm/ s 爆破方法拱顶左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚拱底 工法一0. 5970. 1531. 2330. 1171. 1290. 357 工法二 1 阶段0. 4400. 1150. 9270. 0900. 8340. 262 工法二 2 阶段0. 1710. 0580. 3850. 0410. 3130. 132 ��15��2019 年 12 月 隧道扩挖既有衬砌的爆破拆除 彭泽森，等 万方数据 方向上的拉伸应力增大，形成应力增高现象。 由此 使得岩土体局部应力过大，稳定性变小，导致了岩土 体出现过大的变形，甚至产生裂缝。 此时，岩土体抵 抗爆炸冲击波的能力下降，使得岩土体振动速度 增大。 3. 2 分部开挖方案工法二 工法二的 1 阶段和 2 阶段的主振频率分别为 73. 005 Hz 和 64. 943 Hz，振动速度分别为 18. 504 cm/ s 和 14. 430 cm/ s。 由于对岩土体和衬砌分别进 行爆破开挖，单次爆破药量减少，振动频率与速度也 相应减少；并且在 1 阶段开挖岩土体之后，对开挖轮 廓用钢架进行了加固，从而有效地减小了对周围岩 土体的破坏。 3. 3 隧道左洞模拟结果 由表 9 可知，隧道左洞在两种工法下振动速度 都很低，说明两种工法所产生的地震波或冲击波在 传递的过程中都有很大程度的衰减，对左洞影响甚 微。 因此，在右洞进行爆破拆除的施工过程中，隧道 左洞能够保持正常通车。 3. 4 爆破方案对比 从楼山隧道振动速度随时间变化的模拟结果可 以看出，楼山隧道爆破振动速度在爆破时达到了峰 值，随后呈波浪状下降并最终平稳地趋于 0。 隧道 爆破振动速度的最大值均分布在拱顶位置，且各监 测点的振动速度满足从拱顶到拱底逐渐减小的规 律，模拟结果与实际情况相似。 右洞进行爆破时对 楼山隧洞左洞的影响远低于安全允许标准，能够满 足在右洞进行爆破的同时左洞正常交通的要求。 采用 GB 67222014爆破安全规程 [14] 建议 的临界振动速度作为评判隧道破坏的标准，即邻近 隧道爆破施工引起的在不同的振动频率下既有隧道 破坏的临界振动速度为 10 20 cm/ s。 而从模拟结 果中可以得出，工法一的振动速度远大于工法二，且 超出了安全允许范围；采用工法二对隧道进行开挖， 即先开挖第 I 部分岩土体，再对衬砌进行爆破拆除 的分部开挖法能够满足安全要求。 4 工程应用 在实际施工过程中采用工法二对楼山隧道既有 衬砌进行爆破拆除并监测。 由于隧道爆破直接作用 于岩土层，所产生的地震波对岩土层造成了一定的 破坏。 工程上一般采用萨道夫斯基经验公式进行爆 破振动评价 v ＝ K Q 1 3 R α 。1 式中v 为质点峰值振速，cm/ s；Q 为单次爆破装药 量，kg；R 为测点距爆破等效中心距离，m；K 和 α 为 由地质条件决定的系数和指数，一般情况下，K、α 取 值如表 10 所示。 表 10 K、α 值与岩性的关系 Tab. 10 Relationship between K or α and lithology 岩性Kα 坚硬岩石50 1501. 3 1. 5 中硬岩石150 2501. 5 1. 8 软岩石250 3501. 8 2. 0 在进行爆破拆除施工时，沿隧道轴线方向，在右 洞扩挖部分隧道顶部选取监测点，记录监测点与隧 道爆破掌子面的距离 R。 爆破监测示意图见图 7。 图 7 爆破监测示意图 Fig. 7 schematic diagram of blasting monitoring 选取 5 个节点，各监测点 R 值以及从数据采集 软件中导出各观测点最大合成振动速度 v 见表 11。 表 11 测点最大振速 v 及对应的 R 值 Tab. 11 Maximum vibration velocity and its corresponding R at the measuring points 测点编号R/ mv/ cm��s －1 3160938. 2715. 932 3159743. 2112. 516 3158548. 1510. 742 3157353. 089. 331 3156158. 029. 016 从表 11 中可知，实测最大振速满足 GB 6722 2014爆破安全规程所规定的安全振速。 通过对 比发现，数值模拟的结果整体上小于实际监测结果。 这是由于数值模拟是基于有限元理论进行计算的， 其计算过程做了许多假设并忽略了一些复杂的因 素，简化了运算，导致与实测结果有一定的差异。 但 总体来说，数值模拟的结果为实际施工提供了理论 参考与指导作用，使爆破产生的实际振速控制在安 全允许范围内。 此外，为验证实测数据的准确性，将萨道夫斯基 ��25�� 爆 破 器 材 第 48 卷第 6 期 万方数据 经验公式进行变换，可得 lnv ＝ αln Q 1 3 R ＋ lnK。2 对应的自变量和因变量数据如表 12 所示。 表 12 测点对应变量统计 Tab. 12 Statistics of corresponding variables of measurement points 测点编号lnvlnQ1/3/ R 316092. 72－1. 51 315972. 55－1. 63 315852. 40－1. 74 315732. 27－1. 84 315612. 14－1. 93 将表 12 的数据带入式2，利用 Matlab 软件对 式2进行线性拟合，可获取线性回归分析图，如图 8 所示。 图 8 萨道夫斯基公式线性变换拟合 Fig. 8 Linear transation fitting of Sadov’s ula 从拟合结果可知拟合曲线斜率 α ＝1. 39，截距 lnK ＝4. 83，即 K ＝ 125。 现场待爆破区主要为凝灰 岩，获取的 K、α 值在表 10 所示范围内，符合设定。 由此即可确定出萨道夫斯基经验公式中两个未知参 数 K、α，该公式可优化为 v ＝125 Q 1 3 R 1. 39 。3 楼山隧道按分部开挖法成功实施爆破，实际开 挖情况如图 9 所示。 爆破后，隧道岩土体整体性较 好，不平整度以及平均超欠挖量在允许范围以内，岩 面上用肉眼看不见明显裂缝；爆破后的岩石块体及 衬砌大小适中，易于搬运。 5 结论 对楼山隧道爆破进行数值模拟并应用于实际工 程中，得到以下结论 图 9 爆破拆除施工现场 Fig. 9 Blasting demolition site 1楼山隧道工法一监测点爆破振动速度大于 工法二下两个爆破开挖步骤对应位置监测点爆破振 动速度。 2两种工法下左侧未开挖隧道质点振动速度 均符合安全标准，可正常通车。 3工法一隧道拱顶处振动速度大于安全允许 值，而工法二质点振动速度均符合安全标准，隧道模 型模拟质点振动速度满足拱顶至拱底逐渐减小的规 律，因此在实际工程中采用了分部开挖法工法 二。 4采用 Matlab 对右洞的 5 个监测点的振动速 度进行拟合，得到萨道夫斯基公式的两个未知参数， 获得了隧道右洞爆破振动衰减规律。 参 考 文 献 [1] 汪旭光. 爆破设计与施工[M]. 北京冶金工业出版 社，2011201-203. 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