爆破振动测试（隧道扩建判断安全的依据是什么？）
原标题
扩建隧道爆破对既有衬砌的影响及安全判据
摘要
为了研究扩建隧道爆破振动对邻近既有隧道衬砌的影响,提出合理的安全判据,以二庄科隧道扩建工程为依托,采用现场测试与三维数值模拟相结合的方法,对近距离既有衬砌在爆破荷载作用下的振速峰值和应力进行分析。结果表明:距离爆破开挖面约1.5b范围内(b为建筑限界宽),既有衬砌的爆破振动衰减速率较快,然后逐渐趋于平缓,两侧基本呈对称分布规律;而距离爆破源最近的既有衬砌迎爆侧边墙振速峰值最大约为背爆侧的5.6倍,上拱部和仰拱其次,背爆侧边墙最小,因此迎爆侧更容易发生破坏。数值模拟与现场测试结果具有很好的一致性,也验证了现场测试结果的准确性和数值模拟的合理性。同时建立了基于振速峰值和最大拉应力的安全准则,得出既有衬砌安全振速判据为10.73 cm/s,从而确定单段最大允许装药量应控制在41.05 kg以内,保证了既有隧道的运营安全。
关键词
扩建隧道; 安全判据; 爆破振速; 现场测试; 数值模拟; 既有衬砌;
作者简介
吴忠仕(1967—),男,高级工程师,学士,主要从事隧道与地下工程方面科研设计工作。E-mail:374662779@qq.com; *王伟(1991—),男,助 理工程师,硕士,主要从事隧道与地下工程方面科研设计工作。E-mail:wangw2018@foxmail.com;
基金
国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB057906)；
引用
吴忠仕，陈培帅，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.
WU Zhongshi，CHEN Peishuai，WANG Wei，et al． Impact from blasting for tunnel expansion on existed tunnel lining and its safety criterion［ J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 5) : 77-85.
0 引 言
爆破技术日趋完善,而爆破灾害却时有发生,特别是爆破振动对邻近建(构)筑物造成的损害。根据爆破安全规程的控制标准并不一定能确保结构 的安全,在多数情况下,当质点振速峰值达到安全控制标准时,结构并没有发现明显的损伤或破坏,而质点振速未达到安全标准时,结构却发生破坏 。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邻近的建(构)筑物造成宏观破坏或累积损伤,对评估和判断爆破振动对结构造成 的损害程度却很难 ,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(构)筑物的影响及安全控制问题的方法主要分为三类:(1)理 论分析法,其中应力波理论为研究爆破荷载作用对邻近结构的影响奠定了基础。易长平等 根据应力波理论,采用复变函数法,求出了不同入射角度 下衬砌的临界振速;蒋楠等 根据应力波理论和极限拉应力准则,建立了确保隧道衬砌安全的振速判据模型。(2)现场测试法,在爆破振动现场测试中, 通过测振仪能够较好地反映现场爆破振动响应情况。张庆松等 根据现场测试探讨了小间距隧道中隔墙及开挖掌子面的爆破振动特征及规律;程跃 辉 通过现场测试验证了分台阶短进尺和孔内外微差爆破控制技术在下穿匝道中的应用效果。(3)数值分析法,该方法以其简便快捷,准确性高等特 点被广泛应用于工程中。凌同华等 运用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件,对后行隧道爆破作用下先行隧道衬砌动力特性进行研究,确定了分 岔隧道爆破安全控制标准;贾磊等 通过三角形等效爆破荷载数值计算模型,研究了不同埋深、间距、开挖进尺对既有衬砌的影响。
综上所述,针对近距扩建隧道爆破对既有隧道衬砌结构的影响及安全控制标准的研究并不多,由于不同隧道工程具有自身的独特性,也没有类似 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相结合的方法,对近距离扩建开挖爆破作用下应力波在既 有衬砌结构中衰减规律及影响进行研究,进而提出合理的爆破控制安全判据,既能够保证既有隧道的安全运营,又可以为工程设计和施工提供指导。
1 工程概况
扩建隧道位于陕西省延安市二庄科村附近,与既有二庄科隧道平行,穿越同一山体,既有隧道起讫桩号为ZK2+027—ZK2+667,长度640 m;新建隧 道起讫桩号为YK2+015—YK2+645,长度630 m,最大埋深145 m,属中长隧道(>500 m)。隧址区上部为第四系上更新统(Q )马兰黄土,呈帽状覆盖 于表层,其下为第四系中更新统(Q )离石黄土,下伏侏罗系下统延安组(J y)砂岩、泥岩、泥质砂岩,薄层构造,强-中风化,属于软岩-较硬岩,洞身围 岩主要由强-中风化砂岩组成,围岩完整性一般。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 裂隙水主要分布在下伏基岩裂隙中,水量较小,因此对爆破影响较小。新建隧道为单向三车道城市主干道,设计车速50 km/h,考虑路缘带和安全宽度, 建筑限界为b×h=15.5 m×5.0 m(宽×高),既有隧道与新建隧道位置关系如图1所示,两测线之间距离为25～42 m,净距为21～38 m,因此该工程的重难 点是如何控制扩建隧道爆破对邻近既有隧道衬砌结构的影响。既有衬砌结构采用55 cm厚的C25钢筋混凝土整体浇筑,局部存在细微裂缝,结构整体 稳定较好。根据我国《爆破安全规程》(GB 6722—2014) 中有关交通隧道的安全振速为10～20 cm/s。隧道爆破炮孔布置如图2所示,隧道开挖 采用台阶法,上台阶掏槽孔采用楔形掏槽形式,掏槽孔的垂直深度为1.50 m,其他炮眼深度为1.30 m,具体的爆破施工参数如表1所列。每排炮孔之间 采用微差延时爆破(不同颜色的炮孔代表不同段别的雷管),相邻雷管段别之间的延时时差为50 ms,实现由内向外逐层起爆,从而消除爆炸引起的应力 波叠加效应,减小了爆破振动对邻近结构的影响。
图1 新建隧道与既有隧道位置关系
2 现场测试
2.1 测点布置
在爆破振动测试过程中,采用三矢量振速传感器和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则和应力波的传播规律 ,将监测点布设在既有隧道迎爆面一侧边墙位置。如图3所示,每次掘进爆破时,共布设3个重点监测点,每个监测点安装1个三向速度传感器,分 别用于测试水平径向、水平切向、垂向振动速度。由于各测点所在区域内地势较平坦,测点与测点之间的相对高差很小,故在进行测试数据分析时可 以不考虑高程差对爆破地震波传播的影响 。
图2 隧道爆破炮孔布置(单位:cm)
图3 爆破振动监测点布置
表1 隧道爆破参数
2.2 监测结果分析
目前,众多学者提出了有关爆破振动速度的预测公式 ,均以萨道夫斯基经验公式为基础,在实际爆破工程中进行参数修正完善。我国也提 出了用于预测爆破振动速度与装药量和安全距离的计算公式,并且己编入《爆破安全规程》(GB 6722—2014) ,爆破振速可按下式计算
式中,PPV为地震波质点振动速度峰值(cm/s);Q为单段最大装药量(kg);R为爆破源到测点的直线距离(m);K、α为爆破振动相关参数,与岩石特 性、场地条件、爆破方式等有关,一般根据不同条件选取;[PD]为比例距离(m/kg )。
选取其中4次现场测试结果,爆破开挖面桩号分别为YK2+558、YK2+550、YK2+546、YK2+541,共12组数据进行回归分析。各监测点的爆破 测试结果如表2所列。
根据表2中爆破振速统计数据,按式(1)中爆破振动速度与相应的比例距离之间作非线性拟合,并确定相应的应力波传播衰减参数K,α,从而得到各 方向振速衰减曲线(见图4),其回归经验如下
由图4可知,三个方向的振速峰值随着比例距离的变化规律相近,振速峰值先整体呈现出指数衰减规律,衰减速率较快,后趋于平缓,这主要是由于 爆破源近区冲击波产生的压力远超过岩石的抗拉强度,用于破岩需消耗大部分能量,导致振动速度急剧衰减,其衰减规律与萨道夫斯基经验公式基本 一致,即各质点振速随着爆心距的增大而减小。从表2中的爆破振速统计中可以发现,爆破振速峰值最大为4.20 cm/s,均小于爆破安全规程中的允许 值10 cm/s,说明了掘进爆破不会对既有隧道产生损伤或影响。对比各向振速峰值可知,水平径向振速峰值PPV 最大,垂向振速峰值PPV 次之,水平 切向振速峰值PPV 最小,表明迎爆侧受到爆炸引力波的垂直入射作用,水平径向振速占主导地位。此外,由表2中各向主频率的统计分析可知,爆破振 动主频率离散性较大,0～60 Hz的占33.3%,60～120 Hz的占30.6%,120 Hz以上的占36.1%,且普遍较高(≥19.51 Hz),而大多数地下结构物的固有频 率较低 ,因此高频振动不易与结构产生共振现象,结构的安全性主要取决于振速峰值的大小。
图4 爆破振速峰值回归曲线
3 数值模拟
3.1 模型建立
为减小边界效应的影响,模型左、右侧边界分别约为隧道开挖洞径的3～5倍,因此如图5(a)所示,模型宽度取为120 m;上边界按隧道埋深取55 m, 下边界取为25 m;长度取80 m,炮孔装药段位于中间位置,整个模型的尺寸为80 m×120 m×80 m(长×宽×高)。由于掏槽孔的装药量最大,爆破产生的 振动影响最大,故建立模型时仅考虑掏槽孔,且掏槽孔的直径为0.045 m,长度为1.5 m,间距布置等与现场实际情况相同[见图5(b)]。此外,为便于分析, 将隧道周边围岩视为同种均匀岩质体,不考虑围岩中的节理裂隙、断层破碎带及围岩损伤的影响。应用ANSYS/LS-DYNA复杂动力学非线性有限元 分析软件,三维有限元模型主要由4部分组成,分别为岩体、炸药、既有隧道衬砌及空气,均采用Solid164实体单元进行网格划分,共划分为190 869节 点,181 620个单元。其中,岩石和既有衬砌采用Lagrange算法,炸药和空气采用ALE多物质算法,可以避免爆炸引起网格严重畸变,并实现流固耦合的 动态分析。数值计算模型中,采用m-kg-s单位制,隧道中已开挖部分和既有隧道均填充空气介质。除了模型顶部为自由边界外,其余表面均为无反射 边界。
表2 爆破测试结果
图5 三维有限元模型(尺寸单位:cm)
3.2 参数选取
岩体与既有衬砌采用塑性随动模型本构关系为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,该模型不仅可以考虑岩石介质的弹塑性性质,还可以对材料的随 动强化、应变率变化效应及失效应变进行描述 。塑性随动材料本构关系建立在Cowper-Symonds模型基础上,反映出动态极限屈服应力和应变 率因数之间的关系如下
式中,σ 为动态极限屈服应力;ε为应变率;ε 为塑性应变率;σ 为初始屈服应力;E 为弹性模量;E 为切线模量;C、p为与材料性质有关的常数;β为 强化调整参数,β=0表示塑性随动强化材料,β=1表示等向强化材料。
根据隧道设计资料,结合相关规范选取的模型参数如表3所列。
空气选择*MAT_NULL空材料模型和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程来模拟,其表达式为
式中,P为爆炸作用压力;E 为初始能量密度;μ为比体积;C ～C 为状态方程常数。
空气材料具体参数如表4所列。
2 岩石乳化炸药采用*EOS_JWL状态方程和*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药模型来描述 ,故爆炸作用压力计算如下
式中,V′为初始相对体积;A、B、R 、R 、ω为炸药材料参数,并通过现场爆破振动实测结果对爆破参数进行修正;ρ为炸药密度;D为爆速。
表3 围岩及既有衬砌模型参数
表4 空气材料模型参数
表5 2 岩石乳化炸药模型参数
2 岩石乳化炸药具体参数取值如表5所列。
3.3 计算结果分析
3.3.1 振速分布规律
为研究扩建隧道爆炸荷载作用下既有衬砌结构各质点的振动速度及应力变化规律,对既有隧道衬砌的单元节点进行提取,每隔2 m选取一个测试 断面,共选取了40组测试横断面,且每个测试断面上分别在左拱脚、左边墙、左拱腰、拱顶、右拱脚、右边墙、右拱腰及仰拱中心等八个位置,各选 取1个测试节点,所选测点均代表着隧道结构的关键位置。限于篇幅,本文中仅列出图5(a)中的边墙位置测点(No.95654)的各向振速时程曲线如图6 所示。特定义平行于隧道掘进方向为负向,已开挖方向为正向。
图6 既有隧道衬砌边墙位置节点振速时程曲线
由图6可知,同一测试断面中既有衬砌迎爆侧边墙位置距爆破源最近,其爆破振速峰值最大,各方向振速峰值分别为3.79 cm/s(PPV ),0.92 cm/s( PPV ),1.90 cm/s(PPV ),其中:PPV >PPV >PPV ,这主要是因为柱状装药结构在爆炸瞬间应力波以柱面波形式向外传播,在隧道边墙位置受到应 力波垂直入射作用引起水平径向振动强度最大。因此,水平径向振速占主导地位,这与现场测试结果中的振速分布特征相一致,说明了数值模拟能较 好地反映既有衬砌的动力响应特征。
图7为既有衬砌爆破振速峰值分布特征。从图7(a)中可以看出,既有衬砌不同位置处的振速峰值随爆心距的变化曲线相接近,振速峰值整体上表 现为与爆破开挖面位于同一断面位置处的爆破振速峰值最大,随着爆心距的增大逐渐衰减,在距断面1.5b(约20 m)范围内,衰减速率较快,而后逐渐趋 于平缓,基本关于开挖面呈对称分布状态。对比开挖面前后位置既有衬砌的振速可知,爆破开挖面前方振速峰值衰减速率略小于开挖面后方,主要因 为爆破开挖后方形成临空面,爆炸应力波无法直接入射到开挖面后方衬砌,而是通过绕射才能到达,所以损失部分能量,导致振速衰减较快。另外,从图 7(b)中可以看出,既有衬砌断面质点振速峰值主要表现为迎爆侧最大,上拱部及仰拱次之,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 向振速峰值尤为突出,说明迎爆侧受邻近爆破荷载的影响较大,而背爆侧由于主要受爆破应力波的绕射作用,受影响程度较小,相对较安全,因此在爆破 开挖过程中要重点加强对爆破开挖面迎爆侧的振速监测。
图7 振速峰值分布特征
3.3.2 应力分布规律
图8为既有衬砌纵向应力分布。既有衬砌不同位置处应力分布特征与振速分布特征基本一致,在与爆破开挖面位于同一断面1.5b范围内,既有衬 砌拉应力较大,最大值为0.285 MPa,远小于衬砌混凝土的抗拉极限强度,因此邻近扩建开挖爆破不会对既有衬砌产生破坏。而迎爆侧应力分布规律 为:左边墙>左拱腰>左拱脚>拱顶,迎爆侧直墙中部到起拱线部分是振速峰值最大的位置,也是出现最大拉应力较集中的位置,这一部分主要是受应力 波的垂直反射拉伸作用,容易产生拉裂破坏。
图8 既有衬砌纵向应力分布
图9给出了不同时刻既有衬砌应力云图。从图9可以看出,在爆破荷载作用下,当t=10 ms时,应力峰值出现在左边墙位置,最大值为0.285 MPa;当t =15 ms时,应力波出现在拱顶位置,最大值为0.173 MPa。应力峰值区逐渐向背爆侧转移,应力峰值明显减小,因此背爆侧应力达到最大峰值会有一定 延迟,表明了应力波沿衬砌径向传播的时间历程。随着爆心距的增加,既有衬砌受到应力波的斜入射作用,应力出现由爆破中心向外逐渐衰减的变化 趋势,爆破开挖面两侧基本呈现对称分布状态,而既有衬砌迎爆侧断面的应力最大,背爆侧的应力响应并不明显。
图9 既有衬砌应力分布云图(单位:Pa)
图10 现场测试与数值模拟结果对比
3.3.3 对比验证分析
为验证扩建隧道爆破振动数值模拟的准确性,对既有衬砌边墙位置(与现场测试位置相同)各监测点的最大振速峰值PPV进行提取,将现场测试与 数值模拟结果进行对比如图10所示。从图10可以看出,数值模拟与现场测试结果呈线性正相关关系,两者具有很好的一致性,且相对误差小于12.1%, 考虑工程地质的复杂性和数值模拟理想化等因素,两者在允许范围内存在一定的偏差是合理的。此外,由于数值模拟中忽略了岩体不均匀性和节理断 层等的影响,而实际隧道围岩内存在节理裂隙及软弱夹层,岩性不均匀、力学性质较差等都会导致应力波在传播过程中不断的发生反射和折射,能量 损失较大,从而导致数值模拟结果中各节点的振速峰值略大于现场测试结果。
4 既有衬砌安全控制标准
4.1 安全振速判据
为探究振速峰值与拉应力对隧道衬砌结构安全的影响,对既有隧道衬砌边墙位置的最大应力和振速峰值进行统计分析(见图11),得到最大拉应力 与振速峰值的线性拟合关系如下
式中,σ为最大拉应力峰值(MPa),其他符号物理意义同前由式(8)可知,拟合相关系数接近于1,表明振速峰值与拉应力峰值之间存在线性关系。根据极限拉应力准则,当所受拉应力峰值大于衬砌混凝土 极限抗拉强度时,衬砌将会发生拉伸破坏 。既有隧道衬砌采用55 cm厚的C25钢筋混凝土,爆破荷载作用下混凝土结构的动弹性模量和动力抗拉 强度均有所增加,但考虑到既有衬砌服役年限、爆破累积损伤等不利因素,确定既有衬砌抗拉极限强度为1.30 MPa 。即当振速峰值超过18.24 c m/s时,既有隧道衬砌结构拉应力峰值达到极限抗拉强度,衬砌结构将发生破坏。为保证隧道衬砌结构的安全性,根据规范要求取工程重要性修正系数 为1.7 ,则既有衬砌振动速度安全判据为10.73 cm/s。此外,由于爆破应力波频率较大,对混凝土衬砌的影响是有限的,因此,不需要考虑爆炸应 力波的频率对衬砌结构的影响。
图11 既有衬砌结构最大拉应力与振速峰值关系
4.2 安全装药量控制
在地质条件与岩石性质相类似的情况下,爆破振动相关参数K、α基本相同,因此,从振速峰值最大拟合曲线式(4)中选取K=206.02、α=1.636。 当邻近结构位置确定时,段最大装药量主要由爆破安全振速确定,即由式(3)可得到在安全振速峰值(PPV=10.73 cm/s)一定时的段最大装药量与爆心 距之间的关系曲线如图12所示。从图12可以看出,当新建隧道开挖逐渐靠近既有隧道时,为减小爆破施工对既有衬砌结构的危害,应严格控制爆破振动强度。当爆破源距离既有衬砌最近为21 m时,单段最大允许装药量应控制在41.05 kg以内,由此可见爆破网络设计中单段装药量均在允许值范围 内,不会影响既有隧道衬砌结构的安全。
图12 最大段装药量控制曲线
5 结 论
本文依托二庄科隧道扩建工程,通过现场测试和数值模拟对近距离爆破荷载作用下既有隧道衬砌的影响进行研究,得出以下主要结论:
(1)现场测试数据回归分析,确定了相应的应力波衰减参数K、α,从而得到不同方向的振速峰值衰减方程,因此爆破振速峰值主要取决于最大段装 药量和爆心距。而爆破振动主频率离散性较大,且主频率较高不易与结构产生共振,因此结构安全性主要取决于振速大小。
(2)三维有限元模拟结果表明,与爆破源处于同一断面位置的既有衬砌结构的振速峰值最大,随着爆心距的增大逐渐衰减,两侧基本关于爆破开挖 面呈对称分布状态,而距离断面约1.5b范围内的既有衬砌受到扩建开挖爆破影响较大。既有衬砌迎爆侧振速峰值和应力明显大于背爆侧,约为背爆侧 的5.6倍,因此应采取措施重点保护。水平径向振速峰值均大于其他方向,且占主导地位,通过现场测试结果也验证了数值模拟结果的正确性。
(3)建立了基于振速峰值和最大拉应力的安全判据,并结合混凝土的极限拉应力准则,得出既有衬砌结构的安全振速判据为10.73 cm/s,符合爆破 规范要求。为保证近距离扩建隧道爆破作用下既有隧道的安全运营,单段最大允许装药量应该控制在41.05 kg以内。
(4)根据研究所得结论进行后续爆破设计与施工控制,取得了较好的爆破控制效果,同时确保了既有隧道人车的通行安全。但在本文研究过程中 也存在一定不足,针对数值模拟中,假设岩体为均匀的岩质体,没有考虑岩体中破碎带、节理裂隙等影响,下一步可以针对节理岩体,可采用离散元软件 进行模拟研究。此外,还可以就不同间距下既有隧道衬砌结构的动力学特性进行研究。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、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、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、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。
