城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學(xué)振動研究

【摘要】在巖溶地層采用爆破施工修建地鐵隧道具有較大風(fēng)險。以貴陽市軌道交通3號線一期工程某工程段為依托，對城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學(xué)振動特性進行了研究，利用數(shù)值模擬的方法，對在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層內(nèi)的速度及應(yīng)力波的時空特性進行分析，探明了巖溶地層下地鐵隧道爆破施工時的力學(xué)振動規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】地鐵隧道；巖溶地層；爆破施工；數(shù)值模擬；擾動影響規(guī)律

【中圖分類號】U455.6A

0 引言

在巖溶環(huán)境下修建地鐵一直都是隧道施工中的重點問題之一［1］。由于巖溶地層地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且對于現(xiàn)階段施工技術(shù)來說，想要確定巖溶地層準確的地質(zhì)情況還較為困難，這使得在施工階段穿越巖溶地層時容易發(fā)生突水、突泥及涌水等施工災(zāi)害［2-3］。對于巖石地層的掘進通常采用爆破施工，但由于巖溶地層的特殊性，需要對巖溶地層條件下的爆破施工進行力學(xué)特性及規(guī)律研究，以確保施工的安全進行。

陳先國等［4］從炮孔設(shè)置、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔堵塞以及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計4個方面，詳細說明并改進了穿越巖溶地層隧道的爆破設(shè)計方案。趙國祝［5］詳細介紹了在宜萬鐵路金子山隧道中，針對不同地質(zhì)條件和不同級別的圍巖開挖施工中使用的光面爆破技術(shù)，并討論了在各種圍巖類別中的爆破參數(shù)、施工工藝和爆破效果。劉家明等［6］對新建隧道在不同情況下的爆破振動規(guī)律進行了研究，確定了爆破振動的影響分區(qū)，并通過三維有限元模型，研究了新建隧道在既有隧道正下方爆破時既有隧道的動力響應(yīng)規(guī)律。涂穎等［7］通過應(yīng)用變分模態(tài)分解（VMD）方法，將爆破荷載引起的巖石振動和地應(yīng)力快速釋放引發(fā)的巖石振動進行了分離，利用小波包分解方法研究了爆破振動和誘發(fā)振動的能量分布特征以及其影響因素，并建立了一個用于預(yù)測深埋隧洞爆破挖掘中爆破荷載和地應(yīng)力快速釋放共同作用下引發(fā)的巖石振動的模型。歐陽林等［8］梳理了深埋隧洞施工期巖爆的分類、機制、評價預(yù)警方法及防控原則后，對巖爆的防控措施進行了整理，著重分析其作用原理、適用范圍和防控效果，對比了鉆爆法和全斷面隧道掘進機（TBM）法在施工過程中巖爆的不同特征規(guī)律和防控重點。曹孝君等［9］通過數(shù)值模擬研究了淺埋隧道爆破施工時的地表震動效應(yīng)，模擬取得的振動曲線與實際測量的曲線相似，振動速度隨著時間和距離的減小趨勢也與現(xiàn)場實測基本相同。郭東明等［10］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隔較小時，迎爆側(cè)呈三角形破壞形態(tài)，背爆側(cè)則出現(xiàn)從起拱點到底角的裂紋擴展，隨著間隔的增加，破壞程度逐漸減弱。虞程林［11］結(jié)合具體工程案例，探明了工程范圍內(nèi)巖溶分布及填充情況，確定了處理范圍，并制定了安全可靠且經(jīng)濟高效的處理方案。杜紅波［12］針對復(fù)雜巖溶地層中盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響及相應(yīng)施工關(guān)鍵技術(shù)難題，探討了灰?guī)r上覆粉細砂地層巖溶段巖溶處理技術(shù)以及盾構(gòu)掘進施工技術(shù)。

本文依托貴陽市軌道交通3號線一期工程，闡述了該工程概況以及所處的不良地質(zhì)情況，利用ANSYS有限元分析軟件對爆破施工進行數(shù)值模擬，對爆破施工下地層內(nèi)的振速及應(yīng)力進行分析，相關(guān)研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

松花路站—浣紗路站區(qū)間隧道起點位于松花路與中山南路交叉“十字路口”，終點位于棗山路與延安西路十字交叉路口。區(qū)間出松花路站后沿中山南路走行，穿越道路兩側(cè)建筑物，至中山南路與浣紗路路口沿浣紗路向北走行，接入活塞風(fēng)井，出活塞風(fēng)井后向北穿越市西河、過街通道后直至浣紗路站。右隧區(qū)間設(shè)計起止里程：YDK30+653.911～YDK32+303.069，長1644.657 m；左隧區(qū)間設(shè)計起止里程：ZDK30+653.911～ZDK32+306.750，長1630.992 m。其中包含兩個聯(lián)絡(luò)通道和一個2號線和3號線聯(lián)絡(luò)線，施工方法為礦山法，為雙洞單線型式，單洞截面寬度6.52 m。其設(shè)計平面示意如圖1所示。

1.2 不良地質(zhì)

擬建場地為可溶巖分布區(qū)，碳酸鹽巖分布較廣，據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及相關(guān)資料表明，本次勘察的范圍內(nèi)可溶巖分布地段巖溶形態(tài)主要以溶洞、溶溝（槽）、裂隙為主，巖體內(nèi)主要為溶孔、垂直溶洞（隙）等，溶洞被粘土呈全充填狀態(tài)。區(qū)間存在大量開采地下水和建筑基坑及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等大量抽排水降低地下水位的工程活動，這些活動導(dǎo)致場區(qū)地下水動力條件改變，破壞了地下水的平衡，致使地下水反復(fù)在巖土交界面附近頻繁降升，造成塌陷區(qū)及鄰區(qū)土體的負壓吸蝕，是土體被地下水帶走形成土洞，加劇了土體的淘蝕和土洞的發(fā)展，最終土洞頂板土體不足以支撐上部荷載形成路面塌陷［13］。

2 有限元模型概況

2.1 數(shù)值模擬的建立及參數(shù)選取

為研究分布式巖溶發(fā)育情況下爆破振動波的傳播規(guī)律，探明附近隧道爆破開挖時溶洞質(zhì)點安全振動速度標(biāo)準。建立如圖2所示有限元模型，模型尺寸為：90 m（橫向）×60 m（縱向）×50 m（豎向），隧道拱頂埋深13.5 m。隨機分布巖溶位于左線隧道拱頂，隨機巖溶底部距隧道拱頂1 m，初支厚度為0.26 m，隧道截面面積為32.25 m2。模型中地層采用solid45單元，隧道初期支護采用shell63單元，模型左右側(cè)、前后側(cè)及底端截斷處為COMBIN14單元模擬的粘彈性人工邊界，地表為自由邊界。模型地層材料參數(shù)值見表1。

2.2 爆破荷載的確定

根據(jù)依托工程地勘報告，統(tǒng)計區(qū)間最小埋深，并假設(shè)地層均以覆蓋層加基巖形式存在，考慮隱伏巖溶發(fā)育于巖土分界面位置，計算所選取地質(zhì)斷面為松花路站—浣紗路站區(qū)間，里程YDK30+739.466，隧頂埋深13.5 m，雙線隧道間距采用區(qū)間均值且均只考慮初期支護。以此工況作為最危工況并借助于GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中對地表振速的理論公式計算模擬裝藥量。以地面及周圍建筑物基礎(chǔ)底部（或地面）至爆源中心的距離R為安全控制半徑，運用薩道夫斯基經(jīng)驗公式有：

R=（K/V）1/аQ1/3

式中：V為保護對象的安全允許震動速度；Q為炸藥量；R為爆破地震安全距離；K、а為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，中硬巖石K=150～250，=1.5～1.8。

工程結(jié)構(gòu)施偉， 廖永鵬： 城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學(xué)振動研究

3 計算結(jié)果分析

3.1 振速分析

為明確在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層內(nèi)速度在地層內(nèi)的時空特性，取爆破開挖隧道中心縱向軸線的剖面和過爆破施工掌子面的橫剖面做質(zhì)點速度分析。其中，圖3、圖4為地層縱剖面、橫剖面總速度云圖。

由圖3可知爆破機械波在0.03 s就傳播至巖溶底部并引起質(zhì)點震動，之后繼續(xù)沿隧道掌子面前方及周邊圍巖傳播，并且振速分布出現(xiàn)明顯的分條狀，前后兩條波帶間隔距離大致在6～8 m。在0.1 s時機械波傳播至巖溶頂部并在0.14 s傳播至地面，此時地層中最大振速為3.54 cm/s。機械波在未接觸地表前，會呈現(xiàn)出如空氣中無約束爆炸后所示的“球?qū)ΨQ”形式向前方和上下傳播。在接觸模型底部經(jīng)模型底部反射后沖擊波開始變得紊亂。在0.4 s時，地表振速表現(xiàn)出較大范圍的高位為3.69 cm/s，而地層質(zhì)點振速維持在較低水平，0.4～0.8 s最大振速出現(xiàn)在地表較近處。在1.2 s以后沖擊波衰減，各質(zhì)點振速降低到較低水平。

從波形分布特征來看，爆破產(chǎn)生的縱波首先在巖層中傳播，到達巖土分界面后折射進入土層，最后傳播到地表。巖土分界面的存在對其分布及傳播有較大影響，由于覆蓋層主要為泥質(zhì)土層，其壓縮性、可變形性更高，機械波于其中的傳播速度更小，導(dǎo)致波形分布出現(xiàn)畸形，同時位于巖土分界面的溶腔也增加了溶腔周邊圍巖的振動響應(yīng)，因此隧道爆破施工要特別關(guān)注溶腔圍巖的穩(wěn)定性。

地層中橫剖面總速度云圖和縱剖面有著相似的規(guī)律，在圖4中可以更加清楚地看到機械波在0.04 s傳播至巖土分界面。從波形分布上看，巖土分界面對機械波的傳播有著一定的折減作用，對波的傳播范圍有抑制作用。在0.2 s左右傳播至地表。機械波在未接觸地表前，會呈現(xiàn)出如空氣中無約束爆炸后所示的“球?qū)ΨQ”形式向周圍傳播。在起爆到機械波傳播到地表這段時間中，質(zhì)點振速最大值逐漸從爆心向地表移動，在0.4 s時在地表一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較高水平的振速，此時最大振速就在起爆點最上方地表處為3.70 cm/s。

3.2 地層應(yīng)力分析

為明確在隧道頂部賦存分布式巖溶空腔時，爆破施工下地層應(yīng)力波在地層內(nèi)的時空特性，取爆破開挖隧道中心縱向軸線的剖面和過爆破施工掌子面的橫剖面做質(zhì)點應(yīng)力傳播分析，圖5為地層橫剖面Mises應(yīng)力云圖。

在爆破荷載作用下，巖石的破壞形式為拉伸破壞。由圖5可知在0.1 s之前機械波傳遞至巖土分界面，在0.3 s傳播至右線隧道并到達地表。從波形分布上看，機械波的傳播具有明顯的帶狀傳播，以爆源為中心向四周擴散。1 s以后地層中各質(zhì)點應(yīng)力開始消散，波形由帶狀變得開始紊亂，地層中Mises應(yīng)力到達比較低的水平。

4 結(jié)論

本文依托貴陽城市地質(zhì)及城市巖溶典型發(fā)育特征，利用數(shù)值模擬的方法，對城市淺埋分布式巖溶地層地鐵隧道爆破施工力學(xué)振動特性進行了研究，主要得到以下結(jié)論。

（1）機械波在未接觸地表前，會呈現(xiàn)出如空氣中無約束爆炸后所示的“球?qū)ΨQ”形式向前方和上下傳播，在接觸模型底部經(jīng)模型底部反射后沖擊波開始變得紊亂，振速分布出現(xiàn)明顯的分條狀，前后兩條波帶間隔距離在6～8 m之間。在1.2 s以后沖擊波衰減，各質(zhì)點振速降低到較低水平。

（2）爆破產(chǎn)生的縱波首先在巖層中傳播，到達巖土分界面后折射進入土層，最后傳播到地表。機械波于泥質(zhì)土層中的傳播速度更小，導(dǎo)致波形分布出現(xiàn)畸形，同時位于巖土分界面的溶腔也增加了溶腔周邊圍巖的振動響應(yīng)。

（3）在爆破荷載作用下，巖石的破壞形式為拉伸破壞，機械波的傳播具有明顯的帶狀傳播，以爆源為中心向四周擴散，消散后波形由帶狀變得開始紊亂，地層中Mises應(yīng)力到達比較低的水平。

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