1.浙江交工金筑交通建设有限公司 浙江杭州 310000；2.天津大学建筑工程学院 天津 300072
摘要：隧道爆破施工容易造成邻近建筑物的振动破坏，爆破所引起的振动速度和位移需要严格控制在安全规程允许范围内。以浙江杭州市临金高速公路仰天洞隧道爆破施工为背景，结合数值模拟和现场监测，研究既有引水明渠及引水隧洞在邻近新建隧道爆破动力荷载作用下的振动特性，并评价爆破施工对其影响程度。结果表明：新建隧道爆破施工所引起的既有引水明渠和引水隧洞的峰值振动速度中，最大振速方向为垂直方向，且顶部侧导坑掏槽眼爆破比左侧导坑掏槽眼爆破引起的振动大。各监测点振动峰值速度最大值处于安全控制标准范围内，临近隧道爆破施工对既有引水明渠和引水隧洞影响较小。
关键词：隧道爆破；数值模拟；现场监测；振动特性
Influence of Tunnel Blasting on Vibration Characteristics of Existing Diversion Channel
WANG Jiahui1，ZHOU Hanyun1，REN Keliang1，FU Zhanyuan2
（1.Zhejiang Jiaogong Jinzhu Transportation Construction Co.Ltd.，Hangzhou 310000，China；2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract：Tunnel blasting construction is easy to cause vibration damage to nearby buildings.The vibration velocity and displacement caused by blasting should be strictly controlled within the allowable range of safety regulations.Based on the blasting construction of Yangtiandong tunnel on Linjin Expressway in Hangzhou，Zhejiang Province，combined with numerical simulation and field monitoring，the vibration characteristics of the existing open diversion channel and diversion tunnel under blasting dynamic load near the newly-built tunnel are studied，and the influence degree of blasting construction on them is evaluated.The results show that：among the peak vibration velocities of the existing open diversion channel and diversion tunnel caused by blasting construction of the new tunnel，the maximum vibration velocity direction is vertical direction，and the vibration caused by the blasting of the top side heading hole is larger than that of the left side heading hole blasting.The maximum value of vibration peak velocity at each monitoring point is within the standard value of safety control，and the blasting construction has little impact on the existing open diversion channel and diversion tunnel.
Key words：tunnel blasting；numerical simulation；field monitoring；vibration characteristics
0引言
由于受到地理位置的限制，越来越多的公路、铁路等需要穿过山体，经常会出现新建隧道邻近重要建筑物的情况。现阶段我国山岭隧道施工方法主要是钻爆法，爆破施工产生的振动难免会对邻近既有建筑物产生一定影响。关于新建隧道爆破对既有建筑物振动特性的影响，众多学者做了大量研究。黄锋等[1]基于等效动荷载的三维动力有限元数值分析方法，分析了下穿隧道爆破对邻近供水站的振动效应，并评价了其振动安全。黄华东[2]运用实测、模拟等方法，对因隧道爆破产生的地震波引起的围岩和建筑物的振动响应做了分析。赵秀绍等[3]从隧道监测点振动速度方面，基于ABAQUS有限元软件进行三维数值分析，研究了隧道爆破开挖对既有水工隧道的变形影响。张鹏[4]结合数值模拟和现场监测系统地分析了隧道爆破中围岩类别、断面等因素对上覆高压铁塔塔基的影响。吴波等[5]以杭深铁路隧道为背景，研究了既有隧道在临近新建隧道爆破动力荷载作用下的振动特性，评价了爆破方案的安全性，并提出了临近爆破的减振技术。管晓明等[6]针对隧道爆破振动引起的既有建筑结构的损伤问题，阐述了振动安全标准以及改进方法。夏宇磬等[7]结合数值模拟与现场监测数据，研究了下穿隧道爆破振动作用下给水管道动力响应特性，并给出了安全振动速度控制阈值。杨俊[8]采用理论研究、数值模拟、现场监测相互结合的方法，研究了隧道爆破掘进时对邻近建筑物受到振动的影响。
仰天洞隧道所在的临金高速公路，是完善浙皖两省的高速公路路网的重要交通路线。本文以仰天洞隧道为工程背景，根据相应的爆破方案，采用Midas-GTS软件进行数值模拟并结合现场监测振速，研究新建隧道爆破对临近既有引水明渠和引水隧洞的振动特性，评估了爆破方案的安全性并提出相应建议。
1工程概况
1.1 工程背景
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图1 隧道接近引水渠及引水隧洞示意图
仰天洞隧道位于杭州市桐庐县分水互通和瑶琳互通之间，受区域地质构造影响，隧址区次级构造发肓，主要表现为构造破碎带、节理密集带及节理。根据现场地质资料，隧址区附近岩性为石英砂岩、砂岩，主要有强风化石英砂岩、中风化砂岩、中风化泥质粉砂岩以及碎石垫层等。仰天洞隧道与既有引水隧洞并行长度约800m，且仰天洞隧道进洞口距引水明渠水平间距约50m，竖直间距17.79m。隧道进洞点处拟建隧道隧底与已建引水隧洞隧顶竖直高差为25.14m，示意图见图1。隧道爆破会对引水渠和引水隧洞产生振动，而隧道进口端308m均为Ⅴ级围岩，因此在隧道爆破前期施工阶段，保障引水明渠与引水隧洞的安全运营具有重要意义。
1.2 爆破设计方案
仰天洞隧道进口V级围岩采用分台阶留核心土环形开挖法，循环进尺约为1~1.5m，V级围岩炮孔布置示意图见图2，炮孔按功能分为掏槽孔、辅助孔、周边孔和底孔，顶部导坑及左、右侧导坑掏槽孔和周边孔孔深1.2m，辅助孔和周边孔孔深1.0m，掏槽孔最先起爆，辅助孔次之，周边孔应同时起爆，底孔最后起爆，孔内均采用不同段别的雷管孔内延期，孔外采用同段雷管簇连一次性同时起爆，掏槽孔、辅助孔、周边孔、底孔单孔装药量分别为1.0kg、0.6kg、0.3kg、0.8kg。此外核心土炮孔孔深1.5m，单孔装药量1.0kg；下台阶炮孔孔深1.6m，其中主炮孔单孔装药量1.0kg，周边孔、底孔单孔装药量分别为0.6kg、0.8kg。最大段药量为14kg，总药量为124.4kg，单位炸药量1.10kg/m3。
2有限元模拟
2.1 有限元模型的建立
通过Midas-GTS软件建立有限元模型，考虑边缘至少为4倍洞径，模型总宽为350m，由于相邻隧道距离较大，纵向长度取500m，高度结合实际地形变化，高边取150m、矮边取50m，从洞口向洞内埋深逐步增大。地层分为三个部分，山体前端部分、山体上部为Ⅴ级围岩（强风化石英砂岩）和山体下半部分为Ⅳ级围岩（中风化砂岩）。
模型尺寸及位置关系如下图所示。其中围岩采用摩尔库伦本构模型，衬砌等结构采用弹性本构模型，具体模型示意图见图3。
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图2 V级围岩炮孔布置示意图
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a 模型概况 b 模型位置关系轴视图
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c 仰天洞隧道与既有水工隧道位置关系正视图
图3 模型示意图
2.2 围岩及结构物理力学参数选取
根据仰天洞隧道工程概况，对材料参数保守取值：围岩的动弹性模量取值为静弹性模量的5倍，衬砌结构动弹性模量较静弹性模量提高25%，动泊松比较静泊松比降低20% [9]，确定计算前后的物理力学参数见表1。
表1 围岩及支护结构静态及修正后的动态物理力学参数
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2.3 边界条件的选取与计算
在动力分析中，需先计算特征值，而后进行时程分析。爆破荷载的时程分析关键是确定弹性边界，主要方法是通过建立地面曲面弹簧来定义弹性边界[4]。为减少冲击波的反射作用对边界条件造成的误差，Lysmer和Wass两位科学家提出了粘性边界理论[10]。时程分析应采用黏性边界模型生成后，Midas-GTS软件系统根据模型尺寸以及物理力学性质自动计算，从而建立边界条件约束，其中X、Y、Z方向的阻尼常数为：411.24 kN·s/m、799.32 kN·s/m、411.24 kN·s/m，此外X、Y方向弹簧刚度为0，Z方向的弹簧刚度为2050689.42kN/m。
2.4 爆破冲击荷载的确定
隧道爆破数值模拟需根据爆破理论计算爆破压力，将计算所得的爆破压力加载在钻孔壁上来确定爆破荷载[4]。一般耦合装药爆破的爆破压力都加载在孔壁的垂直方向上，荷载公式[2-4]见式（1）、（2），1kg药量爆破荷载时程曲线见图4。
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（1）
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（2）
式中，
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为孔内压力（kbar）；
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是孔壁的压力（kbar）；
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是火药的比重；
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为炸药直径（mm）；
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为炮眼直径（mm）；
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为爆破速度（ft/s）。
因作用在孔壁上的动压力随时间而变化，需采用考虑爆破时程压力的计算公式（3）。
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式中，B为荷载常量，PD为每1kg装药量的动压力。
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图4 1kg药量爆破荷载时程曲线图
本隧道模拟中火药的比重
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取值0.8g/m3；炸药直径
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取值32mm；炮眼直径
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取值42mm；
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为爆破速度3050m/s，换算成英式单位为10006.56ft/s。同时，1 kbar=105 kPa。由公式计算可知：此次爆破模拟孔内压力
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为20.42 kbar，即2.042×106 kPa，孔壁压力
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为9.03kbar，即9.03×105 kPa。此外关于爆破荷载上升时间和总时间的选取：阳生权[11]研究认为爆破荷载峰值时间为 8-12ms，总时间为 40-120ms。本次有限元模拟，选取爆破荷载上升时间12ms，总时间120ms。通过对荷载系数B的调整控制爆破荷载上升时间为12ms，其中1kg药量爆破荷载时程曲线图见图5，峰值时刻出现在0.012s，爆破动力荷载最大值为8.23×105 kPa。
2.5 工况选取及结果分析
隧道进口与既有引水渠及引水隧洞距离进，且进口308m都为Ⅴ级围岩，浅埋段地层软弱，周边围岩自承载能力差，所以主要研究Ⅴ级围岩爆破所产生的影响，爆破孔模拟图见图5。
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图5 Ⅴ级围岩段爆破孔图
由爆破方案可知，Ⅴ级围岩最大单段药量为14kg，设置在掏槽孔内，爆破为分段延时起爆。由于掏槽孔爆破时围岩的夹制作用很大，且仅有一个爆破自由面，因此一般情况下在同装药量的情况下掏槽孔的爆破振动效应最大[12]，爆炸产生的应力波能迅速影响到既有的建筑物。掏槽眼爆破对既有建筑物的影响在爆破过程中更为严重，为此设置多组子工况进行分析。建立右洞顶部导坑掏槽眼爆破影响的工况1、右洞左侧导坑掏槽眼爆破工况2两组工况进行建模分析。因引水隧洞距离仰天洞隧道爆破面较远，选取右洞顶部导坑掏槽眼爆破工况作为引水隧洞主要分析工况。
2.5.1 工况1（右洞顶部导坑掏槽眼爆破）
计算结果见图6，Ⅴ级围岩条件虽然较差，但最大单段药量较小的情况下，能满足结构安全。由既有引水明渠三个方向的最大绝对振速可知：X方向最大绝对振速为0.368cm/s，Y方向最大绝对振速为0.302cm/s，Z方向最大绝对振速为0.494cm/s，爆破时，隧道垂直方向振动效应最为显著，横向及纵向爆破应力波对引水明渠影响较小。由既有引水隧洞三个方向的最大绝对振速可知：X方向最大绝对振速为0.137cm/s，Y方向最大绝对振速为0.075cm/s，Z方向最大绝对振速为0.109cm/s，爆破时，隧道水平方向振动效应最为显著，垂直方向振动效应与纵向较为接近。因引水隧洞、引水明渠与隧道爆破面相对位置不同，二者各方向振动效应有所不同。
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a引水明渠X方向最大绝对振速 b引水明渠Y方向最大绝对振速 c引水明渠Z方向最大绝对振速
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d引水隧洞X方向最大绝对振速 e引水隧洞Y方向最大绝对振速 f引水隧洞Z方向最大绝对振速
图6 工况1模拟各方向最大绝对振速
2.5.2 工况2（右洞左侧导坑掏槽眼爆破）
由既有引水明渠三个方向的最大绝对振速可知：X方向最大绝对振速为0.333cm/s，Y方向最大绝对振速为0.224cm/s，Z方向最大绝对振速为0.479cm/s，整体振动分布规律与工况1类似，横向、纵向、垂向三方向最大绝对振速较工况1小，该工况爆破时，主要是垂直方向的应力波对既有引水渠产生影响，云图见图7。
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a引水明渠X方向最大绝对振速 b引水明渠Y方向最大绝对振速 c引水明渠Z方向最大绝对振速
图7 工况2模拟各方向最大绝对振速
3现场监测分析
3.1 监测方案
为了掌握新建隧道爆破施工对既有引水明渠及引水隧洞的影响程度，同时与数值模拟做对照，在保护对象上布置3个测振点，监测设备使用L20-N爆破测振仪，微弱振动即可触发仪器测量，能够记录振动时间，振动速度、振动频率等参数，可同时监测X、Y、Z三方向的振动速度。仪器安装在结构混凝土基础上，通过石膏粉与地基固定，且处于水平，其中X方向指向爆源。具体测振布置及现场仪器位置见图8，在隧道左右洞中心线投影与水渠交叉点两处位置布置测点，为图中Y1、Y2号监测点；在引水隧洞进口闸门周边布置一处测振点，为图中Y3号监测点。
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a测点布置图 b引水明渠仪器布置图
图8 测点布置及现场仪器位置图
3.2 爆破振动控制标准
现阶段，各国主要使用质点峰值振速和振动频率两个基本变量作为爆破安全评判准则，例如德国的爆破振动标准（DIN4150-3）[13]和中国的《爆破安全规程》（GB6722-2014）[14]见表2，这些安全标准在实际工程中应用广泛。
3.3 监测结果分析
根据不同爆破位置，现场共进行8次爆破振速监测，按照监测方案并结合现场情况以及理论分析，隧道左线位置爆破时布置Y2、Y3号监测点，隧道右线位置爆破时布置Y1、Y3号监测点，选取工况1、2监测数据，见表3。对各测点的监测结果进行处理分析，鉴于文章篇幅有限，现只列出工况1（右洞顶部导坑掏槽眼）爆破时Y1、Y3号监测点的振动速度波形图，见图9、图10。
表2 爆破振动安全允许标准
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表3 爆破振动实测振速峰值表
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a X方向 b Y方向
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c Z方向
图9 工况1监测点Y1振速波形图
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a X方向 b Y方向
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c Z方向
图10工况1监测点Y3振速波形图
根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）[14]规定，建筑物的爆破振动安全判据采用质点峰值振动速度和主振频率综合分析：对水工隧洞安全允许安全振动速度：8~10cm/s（10Hz＜f≤50Hz）、10~15cm/s（f＞50Hz），对工业建筑物安全允许安全振动速度：3.5~4.5cm/s（10Hz＜f≤50Hz）、4.2~5.0cm/s（f＞50Hz）。从数值模拟结果和表3得出，各工况爆破过程中引水明渠及引水隧洞各个方向的最大绝对振速小于规范值，各监测点最大振速均为垂直方向，且顶部侧导坑掏槽眼爆破比左侧导坑掏槽眼爆破引起的振动大，隧道进口处爆破V级围岩爆破施工对引水明渠以及引水隧洞影响较小。其中主振频率分布在10 ~60Hz之间，符合隧道爆破主频分布范围。由振速波形图可知，最大时刻基本与装药量最大的段位延时，其他段炸药量分布较为均匀，最大段装药量出现在掏槽孔中，因此降低掏槽孔装药量或者降低掏槽孔单段起爆药量对降低振动速度值有显著效果[12]。
3.4 模拟与现场监测对比分析
在现场测得结果中，相同工况下将其与数值模拟的振速峰值结果相对比，分析其误差，测点振速对比图见图11，其中横轴Y1（X）代表Y1号监测点测得的X向振速峰值，以此类推。
由对比图可知，现场监测得到的各方向速度峰值与数值模拟得到的结果比较接近，证明用Midas-GTS对隧道爆破模拟是可行的，由对比结果分析，模拟所得的三方向单轴振速峰值基本大于现场实测结果，分析主要原因是现场围岩状况不均匀误差较大，且模拟所采用的的等效爆破荷载为一次性起爆，产生的波强比现场分段延时爆破大，导致振速波速较大。
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a 工况1测点振速对比图 b 工况2测点振速对比图
图11 测点振速对比图
4结论
通过对仰天洞隧道爆破施工下采集的数据以及数值模拟结果的处理和分析，并结合当地区域地质构造情况，综合整理得到以下结论：
1）根据新建隧道和既有引水明渠和引水隧洞的空间位置关系，建立了基于等效荷载理论的三维数值模拟方法，用Midas-GTS软件进行了爆破前期理论模拟，结合现场实测和数值模拟发现，新建隧道爆破对既有引水渠和引水隧洞的单轴最大质点峰值小于振速安全控制标准，爆破对其影响较小，爆破设计方案安全可行。
2）通过数值模拟与现场监测数据对比，发现两者误差较小，说明用Midas-GTS数值模拟软件分析隧道爆破对临近建筑物的影响是可行的。
3）从爆破振动监测波形来看，最大振速方向出现在垂直方向，顶部侧导坑掏槽眼爆破比左侧导坑掏槽眼爆破引起的振动大，波形除峰值段外其它段分布较为均匀，因此降低最大单段装药量对降低振动速度有显著效果。
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