隧道爆破振動場中斷層對巖體遠(yuǎn)場振動特性影響研究

黃 強

(中鐵十七局集團城市建設(shè)有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

爆破工程因其振動大、影響區(qū)域廣、危險系數(shù)高等特點，易造成工程失穩(wěn)甚至危及周邊民眾安全。尤其在環(huán)境敏感區(qū)域，需要控制爆破地震強度以減輕對周圍建、構(gòu)筑物的影響。微差爆破是通過控制炮孔按照事先規(guī)劃好的順序并以極短時間間隔起爆的。微差爆破能有效控制爆破導(dǎo)致的振動，從而保護周邊構(gòu)筑物[1-3]。

愈來愈多的科研工作者通過試驗法、理論法等開展了一系列的研究。付天光等[4]以某采用礦山法施工的隧道工程為研究對象，通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得了逐孔起爆微差爆破施工下隧道圍巖的動力響應(yīng)?；诖耍槍υ摲椒ǖ年P(guān)鍵技術(shù)進行了完善。李啟月等[5]利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道爆破施工模型，研究了數(shù)值分析中等效施加微差爆破荷載的機理，以此完善了爆破施工技術(shù)。凌同華等[6]通過建立三維數(shù)值模型，分析了隧道采用多段微差爆破法的動力響應(yīng)。通過對加速度和頻率的分析，總結(jié)了振動信號頻帶能量分布特征。呂鑫等[7]以某公路隧道為工程背景，通過對隧道施工下的圍巖位移、加速度等現(xiàn)場監(jiān)測，分析了微差爆破的降振作用。葉海旺等[8]通過有限元軟件建立了隧道爆破施工的三維模型，以隧道圍巖的位移、加速度等為指標(biāo)，對比了不同巖體結(jié)構(gòu)面工況的結(jié)果，獲得了爆破施工下不同巖體結(jié)構(gòu)面對振動波傳播規(guī)律的影響。李新平等[9]以溪洛渡水電站出線豎井為研究對象，利用ABAQUS軟件建立三維數(shù)值模型，分析了爆破施工下豎井的振動響應(yīng)，評估了爆破施工的安全性。張玉成等[10]通過數(shù)值手段，建立了隧道-建筑物數(shù)值模型，分析了爆破施工對臨近建筑物的影響，并總結(jié)了安全判據(jù)。其他學(xué)者[11-12]也通過不同的方式對微差爆破在隧道中的應(yīng)用開展了研究。

以爆破隧道工程為研究對象，通過數(shù)值手段分析了隧道爆破施工引起的巖體的振動響應(yīng)，并對斷層重要參數(shù)的影響規(guī)律進行探討。

2 工程概況

貴安新區(qū)核心區(qū)段地下空間及聯(lián)絡(luò)通道配套工程起點位于濱湖路，下穿碧桂園房產(chǎn)開發(fā)區(qū)、湖林鐵路、金馬大道、下壩村集體林地，終點位于中心大道(京安大道)星湖社區(qū)，共2站1.5區(qū)間，區(qū)間為單線雙洞暗挖法施工，地下空間為明挖法施工。即百馬路～金馬中路聯(lián)絡(luò)通道、金馬中路地下空間、金馬中路～東縱線聯(lián)絡(luò)通道、東縱線地下空間。本次研究對象為百馬路～金馬中路聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道圍巖多為Ⅳ、Ⅴ圍巖，以灰?guī)r、白云巖為主，并穿越一寬度為12 m左右的斷層，斷層帶及附近巖石節(jié)理裂隙十分發(fā)育。該段隧道采用微差爆破法施工，單次掘進距離為1 m，炮孔進深和直徑分別為1.1 m和4.3 cm，炸藥藥卷直徑為3.3 cm。單次掘進所需炸藥量約105 kg。

3 三維有限元模型

3.1 有限元模型

依據(jù)地勘資料和隧道設(shè)計資料，建立寬度為120 m、縱深為130 m、高度為125 m的三維數(shù)值模型，如圖1所示。建模時斷層設(shè)置為90°，與隧道進深相互垂直。模型四周采用無限遠(yuǎn)邊界、模型底部采用固定邊界、模型頂部采用自由邊界。炸藥爆破點設(shè)置在西線隧洞四周，居斷層中間。爆破荷載均布于隧道四周，見圖2。

圖1 整體模型

圖2 爆破荷載

3.2 模型參數(shù)

根據(jù)地勘報告，表1給出了巖體的參數(shù)指標(biāo)。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

3.3 爆破荷載的模擬

爆炸荷載模擬為三角形脈沖波，爆破時長設(shè)置為7 ms，爆破荷載上升時長和下降時長分別設(shè)為2 ms和5 ms。表2給出了爆破的相關(guān)參數(shù)。

表2 爆破參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 遠(yuǎn)場振動的各向最大振速衰減規(guī)律

圖3給出了模型觀測點布置圖，以隧道掌子面拱頂所對應(yīng)的地表為原點(O點)，沿隧道縱深方向(軸向)和垂直縱深方向(橫向)進行觀測、觀測點間隔3 m。V1和V1max分別定義為坐標(biāo)1方向的振動速度和振動速度峰值、V2和V2max分別為坐標(biāo)2方向的振動速度和振動速度峰值、V3和V3max分別為坐標(biāo)1方向的振動速度和振動速度峰值、Vmax為觀測點總振動速度峰值。

圖3 觀測點布置

本節(jié)分析隧道爆破施工引起的圍巖的振動響應(yīng)，模型中未設(shè)置斷層。圖4給出了觀測點總振動速度峰值Vmax和三個方向上的振動速度峰值V1max、V2max和V3max的變化曲線。其中L為原點與觀測點在縱深方向上的距離，H為原點與觀測點在垂直縱深方向上的距離。

圖4 觀測點振動響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出，觀測點振動速度峰值沿著隧道軸向呈先減小后增大的趨勢，L＝15 m處觀測點處Vmax＝1.18 cm/s，較原點處觀測點處Vmax值減小了近20%，可見隧道施工對其有較為明顯的影響。隧道橫向觀測點振動速度峰值隨H的增大而逐漸減小，H＝60 m處觀測點處Vmax較H＝0 m處觀測點處Vmax值減小了約60%，可見隧道施工引起的影響較大。隨著H的增大，V1max值先略微減小隨后逐漸增大，當(dāng)H超過35 m后，V1max值隨著距離逐漸衰減。V1max值在H＝35 m處較原點處增大了約36%。而觀測點振動速度峰值在軸向上呈逐漸減小的趨勢，且總體比橫向上振動響應(yīng)大。進一步觀察，V1max在原點附近波動劇烈，說明隧道爆破施工在掌子面附近引起的振動波傳播具有隨機性。如圖4c所示，軸向上觀測點振動速度峰值V2max隨L的增大呈先減小后增大趨勢，而橫向上觀測點振動速度峰值V2max隨距離逐漸衰減，可見已開挖隧道對其影響有限。觀察V3max變化曲線可知，隧道爆破開挖對軸向觀測點V3max的影響較橫向觀測點V3max的影響更為顯著。

4.2 斷層彈性模量對巖體遠(yuǎn)場振動特性影響分析

斷層內(nèi)部含有大量碎塊眼巖，且節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖巖體出現(xiàn)張拉破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響斷層圍巖的彈性模量。為研究斷層不同彈性模量下隧道爆破引起的振動響應(yīng)影響，建立三種彈性模量工況:Ef＝0.5Er、Ef＝0.73Er和Ef＝1.0Er(其中Ef＝0.5Er為本工程工況；Ef為斷層彈性模量，Er為巖體完整狀態(tài)的彈性模量)。圖5給出了觀測點振動速度峰值變化曲線。L＝6 m為斷層邊界。從圖中可以看出，不同彈性模量下振動速度變化規(guī)律一致，都呈先減小后增大再衰減的趨勢。當(dāng)斷層彈性模量越低，爆破引起的振動響應(yīng)越大，且振動響應(yīng)衰減更快。

圖5 觀測點振動速度峰值變化曲線

圖6給出了不同彈性模量下V2max/V3max隨距離的變化曲線(定義N＝V2max/V3max，下同)。從圖中可以看出，N值隨著L距離的增大呈先減小后緩慢增大的趨勢。另一方面，隨著斷層彈性模量的減小，N值總體呈減小趨勢，但當(dāng)L距離很大時，這種由彈性模量引起的影響越來越弱。當(dāng)Ef＝1.0Er時，N值小于1(即V2max＜V3max)所對應(yīng)的L∥λ范圍很?。划?dāng)Ef＝0.73Er時，N值小于1所對應(yīng)的L∥λ范圍增大為4.3 ×10-3≤L/λ≤11.4 ×10-3；當(dāng)Ef＝0.5Er時，這種范圍進一步擴大。可見，隨著斷層彈性模量的減小，V2max＜V3max的區(qū)域越來越大。

圖6 不同斷層彈性模量下V2max/V3max變化曲線

圖7給出了不同彈性模量下V2max/V1max隨距離的變化曲線(定義M＝V2max/V1max，下同)。從圖中可以看出，不管斷層彈性模量大小，M值均大于1，可見軸向上觀測點的豎向振動速度峰值V2max均比徑向振動速度峰值V1max大。M值隨著L/λ的增大總體呈波動上升趨勢，這主要是因為軸向觀測點徑向振動速度峰值具有隨機波動性。

圖7 不同斷層彈性模量的V2max/V1max變化曲線

4.3 斷層寬度對巖體遠(yuǎn)場振動特性影響分析

為研究不同斷層寬度下隧道爆破引起的振動響應(yīng)影響，建立三種彈性模量工況:B＝6 m、B＝12 m和B＝24 m(其中B＝12 m為本工程工況)。圖8給出了觀測點振動速度峰值變化曲線。從圖中可以看出，在斷層范圍內(nèi)，斷層寬度對巖體振動響應(yīng)有顯著影響。當(dāng)斷層寬度為6 m時，第一個駐點處的振動速度峰值較原點處衰減了約10%；當(dāng)斷層寬度為12 m時，衰減幅度增大到約27%；當(dāng)斷層寬度為24 m時，衰減幅度進一步增大到約31%?？梢姡S著斷層寬度的增大，振動響應(yīng)衰減更快，且在斷層范圍內(nèi)波動性更大。

圖8 不同斷層寬度下振動速度峰值變化曲線

圖9給出了不同斷層寬度下V2max/V3max隨距離的變化曲線。從圖中可以看出，不同斷層寬度下N值的變化規(guī)律基本一致:隨著L距離的增大，N值先迅速減小，L/λ在7.5×10-3附近達(dá)到極小值；隨后迅速增大，L/λ在19×10-3附近達(dá)到極大值。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，斷層寬度對巖體振動響應(yīng)的影響主要集中在掌子面附近；斷層寬度越寬，影響越顯著。

圖9 不同斷層寬度下V2max/V3max變化曲線

圖10給出了不同斷層寬度下V2max/V1max隨距離的變化曲線。從圖中可以看出，軸向上觀測點的豎向振動速度峰值V2max同樣均比徑向振動速度峰值V1max大。且M值隨著L/λ的增大總體呈先增大后減小的趨勢；此外，隨著斷層寬度的減小，曲線的波動性更為顯著。

圖10 不同斷層寬度的V2max/V1max變化曲線

5 結(jié)論

以穿過斷層的聯(lián)絡(luò)通道爆破工程為背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了爆炸振動波在巖體中的遠(yuǎn)場振動規(guī)律。系統(tǒng)研究了斷層彈性模量、斷層寬度的影響。得到以下主要結(jié)論:

(1)隧道軸向上觀測點振動速度峰值呈先減小后增大的趨勢，橫向觀測點振動速度峰值隨H的增大而逐漸減小。兩個觀測方向上V3max值均大于V1max值，且爆破作用下掌子面附近圍巖波動性更顯著，尤其是V1。

(2)不同彈性模量下振動速度變化規(guī)律一致，都呈先減小后增大再衰減的趨勢。當(dāng)斷層彈性模量越低，爆破引起的振動響應(yīng)越大，且振動響應(yīng)衰減更快。隨著斷層彈性模量的減小，V2max/V3max值逐漸減小，且V2max＜V3max的區(qū)域越來越大。

(3)隨著斷層寬度的增大，振動響應(yīng)衰減更快，且在斷層范圍內(nèi)波動性更大。且斷層范圍內(nèi)，斷層寬度對巖體振動響應(yīng)有顯著影響。

(4)不同斷層寬度下，N值隨著L距離的增大先迅速減小后迅速增大。斷層寬度對巖體振動響應(yīng)的影響主要集中在掌子面附近。斷層寬度越寬，影響越顯著。