鄂北地區(qū)水資源配置工程淺埋隧洞爆破振動和地面沉降數(shù)值分析及影響評價

潘亞輝 饒霈 楊靜蕓 付海峰

摘要：鄂北地區(qū)水資源配置工程優(yōu)良隧洞為淺埋隧洞，隧洞下穿國道、居民樓等既有建（構(gòu)）筑物。隧洞施工過程中，爆破施工對居民樓產(chǎn)生了爆破振動影響，利用有限元方法對爆破振動及地面沉降影響進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：數(shù)值計算結(jié)果與爆破試驗測試成果偏差不大，通過優(yōu)化施工參數(shù)可以有效減少居民樓振動及沉降帶來的安全風險。

關鍵詞：淺埋隧洞;隧洞開挖;爆破振動;地面沉降;有限元數(shù)值分析;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：U456.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.019

Abstract： Youliang Tunnel， a part of the North Hubei Water Transfer Project， is a shallow tunnel， and it lies underneath a national highway， residential buildings and other existing buildings and structures. Tunnel blasting construction affected the nearby residential buildings， thus we employed the Finite Element method to conduct numerical analysis on blasting vibrations and ground subsidence. The results showed that the calculated results were not deviate much from the actual results， optimizing construction parameters can effectively reduce safety risks regarding blasting vibrations and ground subsidence.

Key words： shallow tunnel; tunnel excavation; blasting vibration; ground subsidence; finite element analysis; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）以丹江口水庫為水源，自丹江口水庫清泉溝取水，自西北向東南橫穿鄂北崗地。工程輸水線路總長267.67 km，其中隧洞長119.43 km，工程設計年引水量7.7億m3，設計供水人口482萬人，灌溉面積約24.23 萬hm2 （363.5萬畝）。

優(yōu)良隧洞（131+215～131+945）位于棗陽市劉河村以東約260 m，長0.73 km，直線布置。隧洞圍巖為中元古界白云鈉長石英片巖，為中硬巖，屬Ⅳ～Ⅴ類圍巖，極不穩(wěn)定，隧洞淺表覆蓋有第四系坡積物。隧洞設計引水流量26.7 m3/s，設計縱坡1∶11 000，斷面為馬蹄形，凈空尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高）。

隧洞沿線地表附近的建（構(gòu)）筑物有各類民房、工業(yè)廠房、加氣站及G316國道，自西向東依次下穿G316國道、5層居民樓、廠房以及化工廠。隧洞進口開挖邊線距離G316國道道路邊緣最小距離為16.48 m。地表一處加氣站到隧洞軸線最小水平距離僅7.20 m，距離隧洞開挖頂部高程14.00 m。

為確保優(yōu)良隧洞施工安全順利地進行，減少施工過程中爆破的干擾，要考慮隧洞爆破振動和爆破開挖誘發(fā)的地面沉降可能對這些建（構(gòu)）筑物等保護對象安全造成的影響。

2 現(xiàn)場爆破試驗

優(yōu)良隧洞爆破開挖施工環(huán)境復雜，需保證引水隧洞沿線地面建（構(gòu)）筑物的安全，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)爆破，開展現(xiàn)場爆破試驗。測試隧洞掏槽孔爆破、輔助孔爆破及光面孔爆破誘發(fā)的爆破振動，分析爆破振動的傳播與衰減規(guī)律。

通過兩次爆破試驗，獲得了20個監(jiān)測點的水平徑向、水平切向和豎直向峰值振動及其對應的主頻率數(shù)據(jù)。

爆破地震波衰減及爆源參數(shù)與場地條件有關，目前國內(nèi)普遍采用薩道夫斯基公式預測爆破地震波衰減規(guī)律，即

[v=K（Q1/3R）α] ? ?（1）

式中，[v]為峰值質(zhì)點振動速度，cm/s;Q為單響藥量，kg;R為爆心距，m;K、α為與爆破方法、場地條件相關系數(shù)，與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破點至計算點間的地形、地質(zhì)條件密切相關。

圖1 為爆破試驗位置與測點布置?；谒_道夫斯基公式，回歸分析了掏槽、崩落及光面爆破誘發(fā)的爆破振動傳播與衰減規(guī)律，具體參數(shù)見表1。

3 爆破振動安全及地面沉降變形控制標準

爆破振動產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)常危及周圍建筑物的穩(wěn)定和安全。根據(jù)國家及行業(yè)標準規(guī)范，并參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，針對引水隧洞爆破施工方案，確定了不同類型、不同安全狀態(tài)房屋的振動安全控制標準以及G316國道的爆破振動安全控制標準[1]。

該工程參考GB 6722-2003《爆破安全規(guī)程》以及同類地下工程開挖所采用的地面沉降變形控制標準，并結(jié)合工程自身特點及地面沉降控制要求，確定地面沉降變形控制標準為15 mm（見表2）。

4 三維動力有限元分析法

在強烈的爆破作用下，爆破近區(qū)產(chǎn)生著復雜的變化過程。根據(jù)破壞程度將炮孔周圍巖體劃分為粉碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性振動區(qū)[2]。為了采用基于連續(xù)介質(zhì)力學的彈性本構(gòu)關系，將整個非彈性區(qū)（粉碎區(qū)和破碎區(qū)）等效為爆破源，并將爆破荷載作用在等效彈性邊界上。為方便計算，將爆破荷載的作用型式簡化為三角形，計算所得作用于彈性邊界的等效荷載峰值為33.6 MPa，見圖2。

根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗，通過對巖體動力參數(shù)進行反演，對多組參數(shù)進行試算，選出1組與第一次試驗吻合較好的參數(shù)，然后利用第二次和第三次試驗對參數(shù)進行微調(diào)，如此反復調(diào)整和試算，反演推算巖體動力學參數(shù)。巖體反演參數(shù)成果見表3。

基于反演中的巖石動力學數(shù)據(jù)，模擬得到的爆破振動波形與實測波形具有較好的一致性，振動速度峰值、主頻和持續(xù)時間的模擬值和實測值均符合較好，見圖3。結(jié)果表明，反演所得的巖體動力參數(shù)可靠。

5 數(shù)值分析

5.1 有限元計算模型

工程采用CAD/CAE集成分析方法，通過對CAD軟件中建立的整體三維模型做一定預處理，使其可直接作為CAE分析模型，應用于ANSYS-LSDYNA軟件程序進行爆破計算。

根據(jù)優(yōu)良隧洞結(jié)構(gòu)橫剖面圖和地質(zhì)縱剖面圖，建立隧洞整體三維CAD模型，并依據(jù)三維設計的相關理論與方法[3]，將其導入到有限元軟件中供CAE分析使用。

5.2 爆破振動對民房的影響

優(yōu)良隧洞穿過G316國道（131+320）和民房正下方，見圖4。隧洞埋深約14.5 m，保護對象路面和民房距離掏槽爆破爆源約18 m。在實際爆破開挖過程中，主要考慮其對民房的振動影響。通過數(shù)值模擬，分析民房正下方爆破作用下主要保護對象的振動響應。

為了準確細致地對公路和民房等建構(gòu)筑物的動力響應進行分析，在對應的典型位置設置了計算測點，分別在國道路面和民房基礎布置關鍵監(jiān)測點S1和S2;另外通過一條測線上的監(jiān)測點分析爆破振動的分布以及衰減規(guī)律。

依據(jù)常規(guī)的隧洞開挖工程經(jīng)驗，掏槽孔的爆破振動效應最為明顯，因此考慮隧洞掏槽爆破開挖對工程區(qū)域保護對象爆破振動的最不利影響，主要選取距離保護對象最近的掏槽爆破工況進行計算。掏槽爆破的相關參數(shù)暫定為：炸藥爆速3 600 m/s，密度1 030 kg/m3，炮孔孔徑42 mm，炸藥平均直徑32 mm，孔深分為1 m和2 m，其中1 m孔深單響藥量分0.6 kg和3.2 kg，2 m孔深單響藥量6.4 kg。

根據(jù)不同孔深、藥量擬定5種計算工況，見表4。

數(shù)值計算與爆破試驗推算結(jié)論較為接近，證明巖體動力參數(shù)反演成果較為可靠。

（1）在爆心距小于70 m處，由于控制考察點距離爆源較近，振動速度隨著單響藥量的增加而明顯增大，即爆源附近區(qū)域為藥量敏感區(qū);在爆心距大于70 m處，由于振動衰減較快，各測點的振速峰值在單響藥量3.2 kg、6.4 kg時相差不大，即距爆源較遠的區(qū)域為藥量非敏感區(qū)。

（2）表5為在單響藥量3.2 kg和6.4 kg的爆破振動荷載作用下各計算測點的振速峰值。工況1的 S1質(zhì)點峰值振速為4.68 cm/s;工況3的 S2質(zhì)點峰值振速為4.97 cm/s;工況2的S1質(zhì)點峰值振速為7.12 cm/s;工況4的 S2質(zhì)點峰值振速為7.32 cm/s;公路和民房的振動峰值分別達到4 cm/s和7 cm/s。

（3）表4中，單響藥量為0.6 kg時，在民房正下方模擬的單孔單響爆破在民房基礎處誘發(fā)的爆破振動豎向振速為1.65 cm/s。

5.3 隧洞開挖施工對民房沉降影響分析

隧洞開挖施工時會引起隧洞開挖區(qū)域局部范圍內(nèi)的沉降變形?？紤]到開挖進尺的影響，分別選取民房正下方隧道的頂拱處和民房處地面為監(jiān)測點布置區(qū)域，給出其豎向位移隨開挖施工步的變化規(guī)律。頂拱監(jiān)測點沿著隧洞軸線布置，間距為6 m;民房處地面監(jiān)測點位于隧洞軸線與民房軸線相交的地表處;開挖施工步從掌子面開始進入民房影響區(qū)域，至掌子面經(jīng)過民房的影響區(qū)域結(jié)束，相鄰的開挖與襯砌施工步之間的沿洞軸線距離間隔為10 m。

5.3.1 計算邊界及參數(shù)選擇

優(yōu)良隧洞沿軸線方向長度190 m，垂直洞軸線方向?qū)挾?30 m，地基深度取50 m。基礎下表面進行全約束，四周采用法向約束，頂部自由。

隧洞開挖模擬方案，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、噴混凝土和襯砌混凝土5種不同類型支護結(jié)構(gòu)，隧洞支護結(jié)構(gòu)見圖5。

計算模型均采用線彈性本構(gòu)模型。對于優(yōu)良隧洞段，根據(jù)隧洞地質(zhì)資料，計算中噴混、襯砌、建筑物和公路采用混凝土材料，鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和錨桿采用鋼材料，覆蓋層采用黏土材料，圍巖為白云鈉長石英片巖且計算區(qū)域均屬于V類圍巖。圍巖、覆蓋層、建筑物、公路以及噴混、襯砌等支護結(jié)構(gòu)的各項計算參數(shù)見表6。

5.3.2 不同開挖進尺對地面沉降影響

以額定車輛荷載作用、襯砌距掌子面間距為20 m為典型情況，分別考慮不同的開挖進尺，給出監(jiān)測點D沉降量隨施工步的變化曲線，見圖6。

不同開挖進尺下隧洞頂拱監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律相同，每個頂拱監(jiān)測點的豎向沉降位移曲線變化規(guī)律一致，即：①當開挖掌子面尚未到達監(jiān)測點下方時，監(jiān)測點的豎向沉降較小且相鄰開挖步之間的沉降位移差很小;②當開挖掌子面接近監(jiān)測點正下方時，相鄰開挖步之間的沉降位移差明顯增大;③當開挖掌子面經(jīng)過監(jiān)測點正下方，相鄰開挖步之間的沉降位移差明顯減小，監(jiān)測點的沉降位移趨于穩(wěn)定。監(jiān)測點D在1 m的開挖進尺下最終沉降量為9.66 mm，在2 m的開挖進尺下最終沉降量為15.01 mm。

掌子面開始進入民房的影響區(qū)域時，建構(gòu)筑物的豎向位移普遍較小;隨著開挖的進行，建構(gòu)筑物的豎向位移不斷增加且相鄰開挖步的豎向位移差在掌子面到達建構(gòu)筑物的正下方時達到最大;當掌子面經(jīng)過建構(gòu)筑物的影響范圍后，建構(gòu)筑物的豎向位移變化較小，沉降量趨于穩(wěn)定;不均勻沉降的最大值發(fā)生在隧洞頂部的樁基部位，1 m進尺工況時沉降量約為4.29 mm;2 m進尺工況時沉降量約為6.11 mm。

5.3.3 襯砌距掌子面距離的影響

以1 m開挖進尺為例，分析襯砌距掌子面距離對監(jiān)測點沉降量和民房不均勻沉降最大值的影響。取隧洞頂拱監(jiān)測點D和路面監(jiān)測點進行分析。襯砌距掌子面距離對民房不均勻沉降最大值的影響曲線見圖7。

由圖7可知，襯砌距掌子面距離越大，民房的最大不均勻沉降也越大，襯砌距掌子面間距5，10，20 m和無襯砌時，其最大不均勻沉降值分別為3.44，3.87，4.29 mm和4.70 mm。

6 爆破振動及地面沉降影響評價

6.1 爆破振動影響評價

隧洞開挖至下穿各主要保護對象時，爆心距較小，且保護對象主要為公路、民房、廠房等重要建（構(gòu)）筑物，為避免爆破振動對保護對象產(chǎn)生破壞，考慮隧洞開挖在1 m孔深、單孔單響藥量0.6 kg的條件下進行初步評價。根據(jù)現(xiàn)場試驗得到的爆破振動衰減參數(shù)，由公式推算得到優(yōu)良隧洞爆破施工各保護對象在最小爆心距條件下的質(zhì)點峰值振動速度，見表7。

在單響藥量及保護對象相同的條件下，對于掏槽孔、崩落孔及光爆孔爆破，不同方向的爆破振動大小不同，其中保護對象豎直向的振動大于其水平切向和水平徑向的振動。

由表8可知，掏槽孔5層居民樓在單響藥量為0.6 kg的條件下振動峰值速度為1.98 cm/s，在單響藥量為0.7 kg的條件下振動峰值速度為2.13 cm/s，可見隧洞開挖至下穿5層居民樓正下方時鉆爆參數(shù)宜采用1 m孔深、單孔單響藥量0.6 kg。

由表9可知，崩落孔5層居民樓在單響藥量為0.6 kg的條件下，振動峰值速度為1.80 cm/s;在單響藥量為1.2 kg的條件下振動峰值速度為2.57 cm/s，可見隧洞開挖至下穿5層居民樓正下方時鉆爆參數(shù)宜采用1m進尺、單孔單響為0.6 kg。

由表10可知，5層居民樓在單響藥量為4.8 kg及以下時，振動峰值速度均小于各自的振動控制標準;在單響藥量6.0 kg的條件下振動峰值速度為2.04 cm/s，可見隧洞開挖至下穿5層居民樓下方時光面爆破孔可采用1 m孔深、10孔一響4.8 kg。

6.2 爆破施工導致地面沉降的影響評價

隧洞開挖過程中，對地表民房建筑物的不均勻沉降將產(chǎn)生一定的影響，影響范圍主要集中在隧洞軸線所經(jīng)過的區(qū)域。掌子面開始進入民房建筑物的影響區(qū)域時，建筑物的豎向位移普遍較小。隨著開挖的進行，建筑物的豎向位移不斷增加且相鄰開挖步的豎向位移差在掌子面到達建筑物的正下方時達到最大;當掌子面經(jīng)過建筑物的影響范圍后，建筑物的豎向位移變化較小，沉降量趨于穩(wěn)定。民房建筑物在1m開挖進尺下最終路面沉降量為3.80 mm，不均勻沉降的最大值為4.29 mm，滿足地面沉降變形控制標準，能夠保證民房建筑物的安全。

7 結(jié) 語

基于優(yōu)良隧洞的現(xiàn)場爆破試驗和數(shù)值模擬得到了爆破振動傳播及衰減規(guī)律。結(jié)合公路及民房的爆破振動響應分析，以及隧洞開挖誘發(fā)的地面沉降分析，根據(jù)相關國家和行業(yè)標準規(guī)范并參考類似工程的經(jīng)驗，對鄂北工程下穿重要建（構(gòu)）筑物的隧洞爆破施工影響進行深入研究和綜合評價。根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗資料，合理控制爆破單響藥量及鉆孔深度，可使爆破振動控制在保護對象的振動控制標準之內(nèi)，從而防止爆破振動對保護對象產(chǎn)生有害影響，有利于提升施工進度。

基于G316國道以及民房的沉降控制標準，結(jié)合地面沉降計算結(jié)果分析，認定G316國道及民房建筑物的最大沉降均滿足地面沉降變形控制標準要求，隧洞開挖誘發(fā)的地面沉降不會影響保護對象的結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻：

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（編輯：李曉濛）