爆破试验(判断隧道扩挖安全性的依据是什么？)

原标题

隧道扩爆对既有衬砌的影响及安全标准

摘要

为了研究爆破振动对邻近既有隧道衬砌的影响，提出了合理的安全判据。以二庄科隧道扩建工程为背景，采用现场测试和三维数值模拟的方法，分析了爆破荷载作用下既有衬砌的峰值振动速度和应力。结果表明，在距爆破开挖面约1.5b为建筑净空宽度)范围内，既有衬砌爆破振动衰减速率较快，然后逐渐趋于平缓，两侧基本对称分布。而离爆源最近的既有衬砌边墙振动速度峰值约为背爆侧的5.6倍，其次是上拱和仰拱，背爆侧边墙最小，因此背爆侧边墙更容易损坏。数值模拟与现场试验结果吻合较好，也验证了现场试验结果的准确性和数值模拟的合理性。同时，建立了基于峰值振动速度和最大拉应力的安全准则，既有衬砌的安全振动速度准则为10.73 cm/s，确定了单节最大允许装药量应控制在41.05 kg以内，从而保证了既有隧道的运营安全。

关键字

隧道扩建；安全标准；爆破振动速度；现场测试；数值模拟；现有衬里；

作者简介

吴(1967 —)，男，高级工程师，学士，主要从事隧道及地下工程的科研与设计工作。E-mail:374662779@qq.com；*王伟(1991—)，男，助理工程师，硕士，主要从事隧道及地下工程的科研设计工作。E-mail:wangw2018@foxmail.com；

基金

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015 CB 057906)；

引用

吴，陈，王伟，等.扩建隧道爆破对既有衬砌的影响及安全判据[J].水利水电技术，2020，51 (5): 77-85。

吴，陈，王伟，等.隧道扩建爆破对既有隧道衬砌的影响及其安全判据[ J].水利水电工程，2020，51( 5) : 77-85。

0报价

随着爆破技术的提高，爆破灾害时有发生，尤其是爆破振动对邻近建筑物的破坏。按照爆破安全规程的控制标准，结构的安全性可能得不到保证。大多数情况下，当质点振速峰值达到安全控制标准时，结构没有明显的损伤或破坏，但当质点振速没有达到安全标准时，结构就破坏了。在隧道爆破开挖过程中，不同强度的爆破振动必然会对地下结构或相邻建(构)筑物造成宏观损伤或累积损伤，但爆破振动对结构的损伤程度难以评价和判断，因此引起了国内外众多学者的广泛关注。研究隧道爆破对既有建筑物的影响及安全控制问题的方法主要分为三类:(1)理论分析，其中应力波理论为研究爆破荷载对邻近建筑物的影响奠定了基础。易昌平根据应力波理论，采用复变函数法计算不同入射角下衬砌的临界振动速度。根据应力波理论和极限拉应力准则，江南等人建立了确保隧道衬砌安全的振动速度准则模型。(2)现场测试法。在爆破振动现场测试中，测振仪能更好地反映爆破振动的响应。根据现场试验，张青松等人探讨了小净距隧道中墙和开挖面爆破振动的特征和规律。程通过现场试验，验证了下匝道分步短进尺进出孔微差爆破控制技术的应用效果。(3)数值分析法，因其简单、快捷、精度高，在工程中应用广泛。凌华等人利用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件研究了第一隧道衬砌在后方隧道爆破作用下的动力特性，确定了支洞爆破的安全控制标准。雷佳通过三角形等效爆破荷载的数值计算模型，研究了不同埋深、间距和开挖进尺对既有衬砌的影响。

综上所述，关于近距离隧道爆破对既有隧道衬砌结构的影响和安全控制标准的研究并不多。因为不同的隧道工程有其独特性，没有类似的工程依据可供参考。鉴于此，本文以二庄科扩建隧道工程为背景，采用现场测试和数值模拟的方法，研究近景扩建开挖爆破作用下，应力波在既有衬砌结构中的衰减规律和影响，进而提出合理的爆破控制安全准则，既能保证既有隧道的安全运营，又能为工程设计和施工提供指导。

1项目概述

扩建隧道位于陕西省延安市二庄窠村附近，与既有二庄窠隧道平行，穿越同一座山体。既有隧道桩号为ZK2+027—ZK2+667，长度640 m，新建隧道桩号为YK2+015—YK2+645，长度630 m，最大埋深145 m，为中长隧道(> 500 m)。隧道场地上部为第四系上更新统(Q)马兰黄土，呈帽状覆盖表层。下部为第四系中更新统(Q)离石黄土，下部为侏罗系延安组(J y)砂岩、泥岩、泥质砂岩，薄层状构造，强-中风化，属软岩-硬岩。洞身围岩主要由强-中风化砂岩组成。地下水类型为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，第四系孔隙水主要赋存于第四系松散层中，基岩裂隙水主要分布于下伏基岩裂隙中，水量较少，对爆破影响不大。新建隧道为单向三车道城市主干道，设计速度为50 km/h，考虑边缘地带和安全宽度，建筑限界为b×h=15.5 m×5.0 m(宽×高)。现有隧道与新建隧道的位置关系如图1所示，两条测线之间的距离为25 ~ 42 m，净距为21 ~ 38 m。因此，如何控制扩建隧道爆破是本工程的重点。现有衬砌结构整体浇筑55 cm厚C25钢筋混凝土，局部有轻微裂缝，结构整体稳定性较好。根据我国《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，交通隧道的安全振动速度为10 ~ 20 cm/s，隧道内爆破孔布置见图2。隧道开挖采用台阶法，上台阶采用楔形掏槽孔。掏槽孔垂直深度为1.50 m，其他孔深度为1.30m，具体爆破施工参数见表1。每排炮孔之间采用毫秒延时爆破(不同颜色的炮孔代表不同的雷管段)，相邻雷管段之间的延时时间差为50 ms，实现了由内向外逐层起爆，消除了爆炸产生的应力波叠加效应，减少了爆破振动对相邻结构的影响。

图1新隧道和现有隧道的位置关系

2现场测试

2.1测点布局

在爆破振动测试过程中，采用了三矢量振动速度传感器和TC-4850自动采集系统(成都中科测控有限公司)。根据爆破振动监测原理和应力波传播规律，在既有隧道爆破面侧墙布置监测点。如图3所示，每次开挖爆破布置三个重点监测点，每个监测点配备一个三向速度传感器，用于测试水平径向、水平切向和垂直振动速度。由于各测点所在区域的地电位比较平坦，测点之间的相对高差很小，在试验数据分析中可以忽略高差对爆破地震波传播的影响。

图2隧道爆破孔布置图(单位:cm)

图3爆破振动监测点布置图

表1隧道爆破参数

2.2监测结果分析

目前许多学者提出的爆破振动速度预测公式，都是基于Sadowski的经验公式，并在实际爆破工程中对参数进行修正和改进。我国还提出了预测爆破震动速度、装药量和安全距离的计算公式，并编入了《爆破安全规程》(GB 6722—2014)。爆破振动速度可按下列公式计算

其中PPV为地震波质点振动速度的峰值(cm/s)；q为单节最大装药量(kg)；r为爆源至测点的直线距离(m)；k和α是与爆破振动有关的参数，与岩石特性、场地条件和爆破方法有关，一般根据不同条件选取；[PD]为比例距离(m/kg)。

选取四次现场试验结果，爆破开挖面桩号分别为YK2+558、YK2+550、YK2+546、YK2+541。共对12组数据进行回归分析。各监测点的爆破试验结果见表2。

根据表2中爆破振动速度的统计数据，将爆破振动速度与公式(1)中相应的比例距离进行非线性拟合，确定相应的应力波传播衰减参数K，α，从而得到各个方向的振动速度衰减曲线(见图4)。回归体验如下

从图4可以看出，三个方向的峰值振动速度随比例距离的变化规律是相似的。峰值振动速度先呈指数衰减规律，衰减速率快，然后趋于平缓。这主要是因为冲击波在爆源附近产生的压力远远超过岩石的抗拉强度，需要大部分能量来破碎岩石，导致振动速度急剧衰减。衰减规律基本符合萨多夫斯基的经验公式，即每个质点的振动速度随爆心距的增大而减小。从表2中爆破振动速度的统计可以发现，爆破振动速度的最大峰值为4.20 cm/s，小于《爆破安全规程》允许值10 cm/s，说明掘进爆破不会对既有隧道造成破坏或影响。比较各个方向的振动速度峰值可以看出，水平径向振动速度峰值PPV最大，垂直振动速度峰值PPV次之，水平切向振动速度峰值PPV最小，说明迎爆侧受爆炸引力波垂直入射的影响，水平径向振动速度占优势。另外，从表2中各方向主频的统计分析可以看出，爆破振动的主频是相当离散的，0 ~ 60 Hz占33.3%，60 ~ 120 Hz占30.6%，120 Hz以上占36.1%，普遍较高(≥19.51 Hz)，而大多数地下结构的固有频率较低，高频振动很难与结构相关。

图4爆破振动速度峰值回归曲线

3数值模拟

3.1模型建立

为了减少边界效应的影响，模型的左右边界分别约为隧道直径的3 ~ 5倍，如图5(a)所示，模型宽度为120m；根据隧道埋深，上界为55 m，下界为25m；长度为80 m，炮孔装药段位于中间位置，整个模型尺寸为80 m×120 m×80 m(长×宽×高)。由于掏槽孔的装药量最大，爆破引起的震动也最大，因此在建立模型时只考虑掏槽孔，掏槽孔直径为0.045 m，长度为1.5 m，间距布置与现场实际情况相同[见图5(b)]。此外，为便于分析，将隧道围岩视为同一均质岩体，不考虑围岩中节理裂隙、断层破碎带和围岩损伤的影响。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行复杂动力学非线性有限元分析，三维有限元模型主要由四部分组成，即岩体、炸药、既有隧道衬砌和空瓦斯。Solid164实体单元用于网格划分，划分为190，869个节点和181，620个单元。其中，岩石和既有衬砌采用拉格朗日算法，炸药和空气体采用ALE多材料算法，避免了爆炸引起的网格严重畸变，实现了流固耦合的动态分析。数值模型采用m-kg-s单位制，隧道开挖部分和既有隧道均填充空气体介质。除了模型顶部的自由边界，其他曲面都是非反射边界。

表2爆破试验结果

图5三维有限元模型(尺寸单位:厘米)

3.2参数选择

岩体与既有衬砌之间的本构关系为* MAT _ Plastic _ Kinetic，既能考虑岩石介质的弹塑性，又能描述材料的动力强化、应变率变化效应和破坏应变。塑性随动材料的本构关系基于Cowper-Symonds模型，该模型反映了动态极限屈服应力与应变率因子之间的关系如下

其中σ是动态极限屈服应力；ε是应变率；ε是塑性应变率；σ是初始屈服应力；e是弹性模量；e是切线模量；c和p是与材料性质有关的常数；调整强化的参数，β=0表示塑性随动强化材料，β=1表示各向同性强化材料。

根据隧道设计资料和相关规范，选用的模型参数见表3。

空气体用*MAT_NULL空材料模型和* EOS _ LINEAR _多项式状态方程模拟，其表达式为

式中，p为爆炸压力；e是初始能量密度；μ是比容；C ~ c是状态方程的常数。

表4列出了空气体材料的具体参数。

2岩石乳化炸药用*EOS_JWL状态方程和*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药模型描述，故爆炸压力计算如下

其中V’是初始相对体积；a、B、R、R、ω为炸药材料参数，爆破参数由现场爆破振动测量结果修正；ρ为爆炸密度；d是爆速。

表3围岩参数和现有衬砌模型

表4 空气体材料模型参数

表5.2岩石乳化炸药模型参数

2岩石乳化炸药的具体参数列于表5。

3.3计算结果分析

3.3.1振动速度的分布规律

为了研究扩建隧道爆炸荷载作用下既有衬砌结构中各质点的振动速度和应力变化规律，提取既有隧道衬砌的单元节点，每2 m选取一个试验段，共选取40组试验段。每个试验段设在左拱脚、左墙、左拱腰、拱顶、右拱脚、右墙、右拱腰、仰拱中心等八个位置，每个试验选取一个试验节点。由于篇幅所限，本文只列出了图5(a)中侧壁位置测点(95654号)各方向振动速度的时程曲线，如图6所示。定义平行于隧道的方向为负，开挖方向为正。

图6既有隧道衬砌边墙节点振动速度时程曲线

从图6中可以看出，在同一试验段中，既有衬砌侧墙面对爆炸的位置离爆源最近，爆破振动速度峰值最高，各方向振动速度峰值分别为3.79cm/s (PPV)、0.92cm/s (PPV)和1.90cm/s (PPV)，其中:PPV >PPV >PPV，这主要是由于柱状装药的缘故。因此，水平径向振动速度占主导地位，这与现场测试结果中的振动速度分布特征一致，表明数值模拟能更好地反映既有衬砌的动力响应特征。

图7显示了现有衬砌爆破振动速度的峰值分布特征。从图7(a)可以看出，既有衬砌不同位置的振动速度峰值变化曲线与爆破中心距的变化曲线相似。总体来看，在与爆破开挖面相同的断面位置，振动速度峰值最大，随着爆破中心距的增大，振动速度峰值逐渐衰减。距断面1.5b(约20 m)范围内，衰减速率较快，随后逐渐平缓，基本呈关于开挖面对称分布状态。对比开挖面前后既有衬砌的振动速度可以看出，爆破开挖面前方的方振速度峰值衰减率略低于开挖面后方，这主要是由于爆破开挖面后方相邻空面的形成。爆炸应力波不能直接进入开挖面后的衬砌，只能通过衍射到达，因此损失了一部分能量，导致振动速度迅速衰减。另外，从图7(b)可以看出，既有衬砌断面的质点振动速度峰值主要在迎爆侧最大，其次是上拱和仰拱，背爆侧边墙最小，其迎爆侧约为背爆侧的5.6倍，其中水平径向振动速度峰值尤为突出，说明迎爆侧受邻近爆破荷载影响较大，而背爆侧受爆破应力波绕射影响相对较小。

图7振动速度峰值分布特征

3.3.2应力分布规律

图8显示了现有衬砌的纵向应力分布。既有衬砌不同位置的应力分布特征与振动速度分布特征基本一致。在与爆破开挖面相同的1.5b断面，既有衬砌的拉应力较大，最大值为0.285 MPa，远小于衬砌混凝土的极限抗拉强度。因此，邻近的扩挖爆破不会破坏既有衬砌。而爆侧的应力分布规律是:左墙>左拱腰>左拱脚>拱顶，爆侧直墙中间到拱线的部分是振动速度峰值最高的位置，也是最大拉应力集中的位置。这部分主要受应力波的垂直反射和拉伸作用，容易产生拉伸裂纹。

图8现有衬砌的纵向应力分布

图9显示了现有衬砌在不同时间的应力云图。从图9可以看出，在爆破荷载作用下，t=10 ms时，应力峰值出现在左壁，最大值为0.285 MPat =15 ms时，拱顶处出现应力波，最大值为0.173mpa，应力峰值区域逐渐向背爆侧移动，应力峰值明显减小，因此背爆侧应力达到最大值会有一定的延迟，这表明了应力波沿衬砌径向传播的时间历程。随着爆破中心距的增大，由于应力波的斜入射，既有衬砌的应力从爆破中心向外逐渐衰减，爆破开挖面两侧基本呈对称分布状态，而既有衬砌面向爆破侧的断面应力最大，背爆侧应力响应不明显。

图9既有衬砌应力分布云图(单位:Pa)

图10现场试验与数值模拟结果对比

3.3.3对比验证分析

为了验证扩建隧道爆破振动数值模拟的准确性，提取了既有衬砌侧墙位置(与现场测试位置相同)各监测点的最大振动速度峰值PPV，并将现场测试结果与数值模拟结果进行对比，如图10所示。从图10中可以看出，数值模拟与现场试验结果呈线性正相关，两者吻合较好，相对误差小于12.1%。考虑到工程地质的复杂性和数值模拟的理想化，两者在允许范围内有一定的偏差是合理的。此外，数值模拟忽略了岩体不均匀性和节理断层的影响，而实际隧道围岩存在节理裂隙和软弱夹层，岩性不均匀，力学性能差，会导致应力波在传播过程中不断反射和折射，造成能量损失较大，导致数值模拟结果中各节点的峰值振动速度略大于现场测试结果。

4现有衬砌安全控制标准

4.1安全振动速度标准

为了探讨峰值振动速度和拉应力对隧道衬砌结构安全性的影响，对既有隧道衬砌侧墙的最大应力和峰值振动速度进行了统计分析(见图11)，得到最大拉应力和峰值振动速度之间的线性拟合关系如下

其中σ为最大拉应力峰值(MPa)，其他符号的物理意义与上式(8)相同。拟合相关系数接近1，表明峰值振动速度与峰值拉应力之间存在线性关系。根据极限拉应力准则，当拉应力峰值大于衬砌混凝土的极限抗拉强度时，衬砌将发生受拉破坏。现有隧道衬砌采用厚度为55 cm的C25钢筋混凝土，在爆炸荷载作用下，混凝土结构的动态弹性模量和动态抗拉强度增加。但考虑到既有衬砌使用寿命、爆破累积损伤等不利因素，确定既有衬砌极限抗拉强度为1.30 MPa。即当峰值振动速度超过18.24 c·m/s时，既有隧道衬砌结构的峰值拉应力将达到极限抗拉强度，衬砌结构将被破坏。为保证隧道衬砌结构的安全，根据规范要求，工程重要性修正系数为1.7，既有衬砌振动速度的安全判据为10.73 cm/s，另外，由于爆破应力波的频率较高，对混凝土衬砌的影响有限，可以不考虑爆破应力波频率对衬砌结构的影响。

图11现有衬砌结构最大拉应力与峰值振动速度的关系

4.2安全费用控制

当地质条件与岩石性质相似时，爆破振动的相关参数K和α基本相同。因此，从振动速度峰值的最大拟合曲线公式(4)中选取K=206.02，α=1.636。相邻结构位置确定后，该段最大装药量主要由爆破的安全振动速度决定，即安全振动速度峰值(PPV=10.73 cm/s)固定时，该段最大装药量与爆破中心距的关系曲线可由公式(3)得到，如图12所示。从图12可以看出，当新建隧道逐渐接近既有隧道时，为了减少爆破施工对既有衬砌结构的危害，应严格控制爆破震动强度。当爆源与既有衬砌距离为21 m时，单段最大允许装药量应控制在41.05 kg以内，说明爆破网路设计中单段装药量在允许范围内，不会影响既有隧道衬砌结构的安全。

图12最大充电控制曲线

5结论

本文以二庄科隧道扩建工程为背景，通过现场试验和数值模拟，研究了近距离爆破荷载作用下对既有隧道衬砌的影响，并得出以下主要结论:

(1)通过对现场测试数据的回归分析，确定了相应的应力波衰减参数K和α，得到了不同方向的峰值振动速度衰减方程。因此，爆破的峰值振动速度主要取决于最大装药量和爆破中心距。而爆破振动的主频是离散的，由于主频较高，很难与结构发生共振，所以结构的安全性主要取决于振动速度。

(2)三维有限元模拟结果表明，与爆源位于同一断面的既有衬砌结构振动速度峰值最大，并随着爆心距的增大而逐渐减小，且两侧基本对称分布在爆破开挖面附近，而距断面约1.5b范围内的既有衬砌受扩挖爆破影响较大。既有衬砌爆破侧振动速度和应力峰值明显高于背爆侧，约为背爆侧的5.6倍，应采取措施重点防护。径向振动速度峰值高于其他方向，且占主导地位。现场试验结果也验证了数值模拟结果的正确性。

(3)建立了基于峰值振动速度和最大拉应力的安全判据，结合混凝土极限拉应力判据，得出既有衬砌结构的安全振动速度判据为10.73 cm/s，满足爆破规范要求。为保证近接扩建隧道爆破作用下既有隧道的安全运行，单段最大允许装药量应控制在41.05 kg以内。

(4)根据研究结论进行后续爆破设计和施工控制，取得了良好的爆破控制效果，确保了既有隧道内人车的交通安全。然而，本文在研究过程中也存在一些不足之处。从数值模拟来看，假定岩体为均质岩体，不考虑岩体中裂隙带和节理的影响。下一步可以使用离散元软件模拟节理岩体。此外，还可以研究不同距离处既有隧道衬砌结构的动力特性。

水利水电工程

水利部《水利水电技术学报》是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊)。它是中国的核心中文期刊，在国内外公开发行。本刊主要介绍我国水资源的开发、利用、管理、调配、节约和保护，以及水利水电工程勘察、设计、施工、运行管理和科学研究方面的技术经验，也报道国外的先进技术。该刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程建设、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、实验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防洪抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

以上就是由优质生活领域创作者 嘉文社百科网小编 整理编辑的，如果觉得有帮助欢迎收藏转发~