TBM導洞擴挖法爆破減振效果模擬研究★

游龍飛 張曉強

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063; 2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國基礎設施建設步伐的加快、設計理念的轉變及技術裝備水平的提高，以鉆爆法、TBM法、盾構法為代表的許多長大隧道掘進方法已得到廣泛運用[1,2]。

為了充分發(fā)揮TBM法和鉆爆法的優(yōu)勢，許多專家學者對“TBM法導洞+擴挖”法(即采用TBM法開挖導洞，然后采用鉆爆法擴挖的方法)進行了深入研究，并把這種方法廣泛應用于隧道設計、施工中。李圍等[3]以廣州地鐵3號線林和西路站為工程對象，重點研究了擴挖施工的可行性、地表沉降和地中位移規(guī)律，并提出了相應的圍巖加固處理措施。劉曉梁[4]利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA建立三維模型，研究了隧道爆破施工引起地表高層框架結構的動力響應規(guī)律。王文韜[5]以實際爆破工程為依托，利用MIDAS-GTS模擬分析高層框架結構在爆破振動作用下的動力響應，并重點探討了隧道埋深、巖土參數(shù)對結構動力響應的影響。本文基于ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，分別對上、下臺階爆破開挖法以及導洞擴挖法對已開挖地段建筑和未開挖地段建筑的結構動力響應特征進行了數(shù)值模擬研究，綜合對比了三種開挖方法對緊鄰建筑物的減震效果，為大長隧道施工的減震措施提供理論參考。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 工程概況

青島第二海底隧道穿越膠州灣，全長15.8 km，雙向六車道標準，設計車速80 km/h。本工程施工難點為黃島側沿著劉公島路下方敷設的隧道，道路兩側多為5層～7層住宅樓。

1.2 模型及基本參數(shù)

模型材料由巖石、炸藥、堵塞、房屋建筑和空氣5個部分組成，均選用實體單元Solid164進行網(wǎng)格劃分。其中巖石采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥和空氣兩種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質ALE算法。

根據(jù)爆破設計方案，分別選取上下臺階最大單段藥量段作為研究工況，上下臺階均以最外圍輔助孔作為研究工況。模型孔深為3 m，炮孔直徑為47 mm，裝藥直徑為32 mm，裝藥深度為2.5 m，堵塞0.5 m，裝藥使用2號巖石乳化炸藥。輔助孔采用連續(xù)裝藥結構，起爆位置設置在炸藥中心處。根據(jù)隧道埋設路線地表重點保護小高層建筑物位置，隧道埋深30 m，上覆圍巖取至地表30 m，下覆圍巖邊界取為3倍洞高，基于工程經驗，爆破對3倍～5倍洞徑區(qū)域影響較為明顯，故取模型寬度為90 m，模型沿隧道進尺方向取63 m，模型中已開挖隧道填充為空氣。導洞擴挖法模型基于臺階法模型尺寸及材料參數(shù)相同條件，并結合優(yōu)化方案中導洞尺寸和導洞位置，本方案導洞直徑為4.5 m，導洞圓心位于隧道豎直對稱軸上，導洞圓心距離拱頂4.85 m。地表小高層三維尺寸X×Y×Z為15 m×20 m×30 m。模型圖如圖1～圖3所示，炮孔個數(shù)及裝藥量如表1所示。模型采用自帶LS-DYNA Solver進行求解運算，使用LS-PREPOST軟件進行后處理。數(shù)值模擬中所有參數(shù)均統(tǒng)一使用cm-g-μs單位制。

表1 三種工況爆破裝藥參數(shù)

工況炮孔數(shù)/個總藥量/kg上臺階開挖1734下臺階開挖2346TBM導洞擴挖3276.8

1.3 材料模型

本文巖石及堵塞采用LS-DYNA提供的MAT_PLASTIC_KINEMATIC來模擬，此模型考慮了巖石介質的彈塑性特性。

為定義2號巖石乳化炸藥材料模型，采用LS-DYNA手冊中提供的高能炸藥材料關鍵字MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆轟產生的壓力?？諝獠牧蠣顟B(tài)方程采用*EOS LINEAR POLYNOMIAL。重點保護、監(jiān)測對象——地上小高層的材料物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 房屋建筑材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬及分析

由于地表建筑在沿隧道走向方向峰值合成振動速度均大于其垂直方向的峰值合成振動速度，表明在爆破振動作用下，地表建筑在隧道走向方向結構易發(fā)生破壞。因此，為研究爆破振動下，地表小高層建筑振動速度分布規(guī)律，在上臺階、下臺階和導洞擴挖法三種模擬工況下選取隧道走向方向建筑近爆源側進行監(jiān)測點布置，測點沿隧道掘進方向依次編號為A～K號，監(jiān)測測點位置示意圖如圖4所示，其中A～F為已開挖段監(jiān)測點，G～K為未開挖段監(jiān)測點。為節(jié)省篇幅，僅以上臺階數(shù)值模型計算結果為例，監(jiān)測點的振動速度時程曲線見圖5。

由圖5可知，爆破振動速度總體上隨著時間呈衰減趨勢。根據(jù)已開挖段和未開挖段地表建筑物監(jiān)測點合成峰值速度和監(jiān)測點與爆源之間的水平距離統(tǒng)計關系，可得圖6。由圖6可知，距起爆點水平距離均為1.5 m處的未開挖段建筑物監(jiān)測點的峰值合成振動速度比已開挖段測點要大6.68%，這可能是因為爆炸應力波傳至隧道已開挖空氣介質而產生空氣壓力，出現(xiàn)了減震效應，而隨著與爆源水平距離的增加，未開挖段峰值振動速度和已開挖段之間的差距逐漸減小，當距爆源水平距離為13.5 m時，此時未開挖段和已開挖段峰值合成振動速度基本相等，表明在本工程中當距離起爆點水平距離增大到13.5 m及以上時已開挖段的爆破減震效應逐漸消失。

用相同方法獲得下臺階爆破開挖法和導洞擴挖法的監(jiān)測點A～K的峰值合成振動速度如表3所示。

表3 三種工況沿隧道爆破開挖方向建筑物測點峰值合成振動速度 cm/s

由表3建筑物測點峰值合成振動速度分布可繪制圖7。由圖7可以看出，導洞擴挖法爆破開挖引起建筑物質點合成峰值振動速度明顯小于上臺階，略高于下臺階。由表3可知，對比分析導洞擴挖法與上臺階爆破振動效應，可計算各監(jiān)測點峰值合成振動速度相對誤差，從測點A到測點K，導洞擴挖法較上臺階法可以降低峰值合成振動速度分別為：20.65%，20.82%，23.80%，24.50%，29.90%，31.51%，30.26%，30.24%，30.81%，24.87%，19.35%，在裝藥量提高了125.88%的情況下峰值合成振動速度平均降低26.06%，相比于上臺階法，導洞擴挖法因增加了爆破自由面，呈現(xiàn)出良好的減震效果。而導洞擴挖法的用藥量相比下臺階爆破開挖法增加了66.96%，而平均峰值振速僅提高了4.73%。因此，綜合來看，導洞擴挖法的減震效果最佳。

3 結語

1)從模擬結果中可以看出，三種開挖方法在起爆的初始時刻應力值即達到峰值，后呈衰減，距起爆點水平距離均為1.5 m處的未開挖段建筑物監(jiān)測點的峰值合成振動速度比已開挖段測點要大，當距離起爆點水平距離增大到13.5 m及以上時已開挖段的爆破減震效應逐漸消失；

2)在裝藥量提高了125.88%的情況下導洞擴挖法爆破開挖相比上臺階開挖法引起建筑物測點峰值合成振動速度平均降低26.06%，裝藥量相比下臺階開挖法提高66.96%的情況下，峰值振速僅高出下臺階開挖法4.73%，TBM導洞擴挖法減震效果最佳；

3)TBM導洞擴挖法能有效的降低爆破振動，減小對緊鄰建(構)筑物的影響，在其他類似的工程項目中可采用導洞擴挖法以達到降低炸藥用量，提升爆破效果的作用。