邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.046 邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究 严 伟 1，费 虎2，杨侨伟2（1.四川公路桥梁建设集团有限公司公路三分公司，四川 成都 610200；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031）摘要：为探明火凤山隧道加宽段爆破开挖对邻近建筑和先行洞的影响，本文通过有限差分软件 FLAC3D对火凤山隧道左线 20m 加宽段进行爆破模拟计算，研究了爆破振动在工程区的传播规律、爆破对小净距隧道影响以及爆破对地表建筑的影响。关键词：道路工程；爆破振动；数值模拟；峰值振动速度；隧道 中图分类号：U455.6 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0222-06 Study on Influence Law of Blasting Vibration of Urban Tunnel Adjacent to Building YAN Wei1,FEI Hu2,YANG Qiaowei2(1.Sichuan Road&Bridge(Group)Co.,Ltd.,Highway Third Branch,Chengdu Sichuan 610200,China;2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)Abstract:In order to find out the influence of blasting excavation on the adjacent buildings and the first hole in the widening section of Huofengshan Tunnel,the finite difference software FLAC3D was used to simulate the blasting simulation of the 20m widening section of the left line of Huofengshan Tunnel.The propagation law of blasting vibration in the engineering area,the influence of blasting on the small spacing tunnel and the influence of blasting on the surface building were studied.Key words:road engineering;blasting vibration;numerical simulation;peak particle velocity;tunnel 0 引言 随着西部山区公路交通建设的推进，隧道邻近既有建筑物的现象逐渐增多。而公路隧道设计常用双洞单线形式，开挖多采用爆破施工的方法，爆破产生的振动可能对建筑和先行隧道的结构安全造成威胁。针对上述问题，国内外学者展开了诸多研究。张玉成1等为准确模拟爆炸作用，基于圣维南荷载等效原理将作用在炮孔壁上的爆破荷载等效后，施加在同排炮孔连心线或者面上。陈桂龙2等采用 FLAC3D数值模拟方法，研究在不同爆源距、循环进尺与单段最大装药量情况下隧道爆破开挖，研究了在爆破动荷载 收稿日期：2022-11-13 作者简介：严伟（1990-）男，四川广安人，助理工程师，从事隧道技术安全管理工作.（）作用下地表建筑物的振速响应规律。王利3等通过现场监测分析了2种振速最大值随建筑物楼层的变化关系，总结出建筑物爆破振动的规律及 2 种振速随楼层变化的区别与联系。贾磊4等采用数值模拟方法研究了新建钻爆法隧道采用不同施工关键参数（开挖进尺、间距、埋深）对既有邻近隧道的影响，并用衬砌振动速度与安全振动速度标准进行比对，从而对既有衬砌的安全性进行评价。李利平5等研究了浅埋大跨段隧道掘进爆破的地表震动效应并提出了大断面开挖减震控制技术。大多数学者6-10采用地表质点振动速度作为爆破振动的安全评价标准。本文依托火凤山城市隧道，通过数值计算模拟左线 20m 加宽段爆破开第 4 期 严伟等，邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究 223 挖过程，研究爆破振动对邻近建筑和右线先行洞的影响，说明隧道爆破开挖对地表建筑的安全存在威胁，爆破工作面前方 525m 范围内的小净距隧道质点振速，可为邻近建筑和小净距隧道的隧道爆破施工提供参考依据。1 工程概况 火凤山隧道属于重庆曾家岩北延伸穿越跨内环新增通道的重点控制工程，为双洞单线城市公路隧道，左右线为 3 车道，建筑限界宽度为 13.25m，左右线线路中心线间距为 23m，为小净距隧道。隧道设计为分岔隧道，主线隧道在分岔前须多次加宽。隧道断面依次由标准限界宽度的13.25m加宽至17.45m、20m和 25m。根据现场施工方案，右线隧道为先行隧道，左线隧道为后行隧道，各段的施工工法如表 1 所示。表 1 隧道各段施工方法 Tab.1 Construction methods of tunnel sections 位置 施工工法 左线 标准段 双侧壁导坑法 17.45m 加宽段 CD 法 20m 加宽段 双侧壁导坑法 25m 加宽段 双侧壁导坑法（九宫格）右线 17.45m 标准段 双侧壁导坑法 火凤山隧道位于城市核心区域，邻近多个城市建筑，包括富抱泉居民小区和盈田酒店。故在现场监测左线隧道 17.45m 加宽段爆破施工对周边建筑物的影响，在隧道爆破点上方地表位置安装速度传感器。根据爆破安全规程（GB 67222014）针对建筑结构的爆破振动控制标准11，一般民用建筑安全允许质点振动速度为 1.52.0cm/s，现场采用更为严格的 1cm/s作为地表振速控制值。监测数据表明右上导坑和左上导坑施工期内，地表振速峰值可达 1.23cm/s，超出地表振速控制值，说明隧道爆破对地表建筑具有潜在安全威胁。2 数值模型分析 2.1 数值模型建立 使用 FLAC3D模拟隧道爆破过程，模型如图 1 所示，在 Hypermesh 中进行网格划分时确定最大网格尺寸为略小于输入振动波的最高频率所对应波长的 1/8。在模型的四周施加静态边界条件，通过设置自由阻尼器实现对模型边界上法向与切向入射波的吸收，可减少振动波在自由边界上的反射效应。模拟采用常用的瑞利阻尼，临界阻尼比取 0.05，最小中心频率取 2012。（a）隧道和地层模型 （b）隧道模型 图 1 数值计算模型 Fig.1 Numerical calculation model 2.2 模拟爆破方案 左线隧道 20m 加宽段的右上导坑与地表建筑、右线隧道距离最近，所以对该处的爆破过程进行模拟。将等效爆破荷载作用于对应导坑的开挖掌子面及目标范围内的洞壁四周。右上导坑的掏槽孔数量为6个，装药量为 3.6kg，爆破荷载主要考虑掏槽孔炸药爆破的作用，爆破计算参数如表 2 所示。爆破荷载模拟采用指数型荷载波形，荷载波形函数调整为升压时间10ms，降压时间 90ms，荷载作用总时长 100ms，爆破荷载作用时程曲线如图 2 所示。表 2 爆破计算参数 Tab.2 Blasting calculation parameters 爆破参数 单位 数值 炸药爆速 km/s 3.6 炮孔半径 m 0.021 药卷半径 m 0.016 m 0.066 8 n 0.044 5 装药密度 kg/m3 1 000 总装药量 kg 3.6 224 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 图 2 爆炸荷载时程曲线 Fig.2 Time history curve of explosion load 2.3 监测方案 峰值振动速度 PPV（Peak Particle Velocity）为常用的地下混凝土结构爆破振动安全控制标准。本文将质点振动速度作为主要监测内容，如图 3 为监测断面与监测点布置方案，主要分为以下三个方面。（1）爆破振动的工程区传播规律：分为左向、右向和竖向三个方向进行监测，以爆破中心为起点向三个方向进行发散布置测点，直至模型边界。（2）爆破对小净距隧道的影响：以右线隧道邻近爆破面为起点，分别沿纵向前后每隔 5m 布置一个监测断面，每个监测断面设置 8 个测点（拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚和拱底）。（a）隧道平面测点示意图 （b）隧道横断面测点示意图 图 3 振动速度监测点布置示意图 Fig.3 Vibration velocity monitoring point layout diagram（3）爆破对地表建筑的影响：对两处地表建筑（富抱泉小区和盈田酒店）的地表振速进行监测，研究振动波的传播规律及对地表建筑的影响规律。富抱泉小区地表监测点与爆源水平和竖向距离分别为 28.5m和 41.6m，盈田酒店地表监测点与爆源水平和竖向距离分别为 41.1m 和 35.9m。3 计算结果分析 3.1 爆破振动的工程区传播规律 分别提取爆破前静力计算和爆破荷载达到峰值时的围岩主应力云图，如图 4图 5 所示。（a）最大主应力 （b）最小主应力 图 4 爆破前隧道围岩主应力云图（MPa）Fig.4 Principal stress nephogram of tunnel surrounding rock before blasting(MPa)（a）最大主应力 第 4 期 严伟等，邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究 225 （b）最小主应力 图 5 爆破荷载达到峰值时隧道围岩主应力云图（MPa）Fig.5 Principal stress nephogram of tunnel surrounding rock when blasting load reaches peak(MPa)在爆破荷载作用下，爆破范围内包括掌子面的围岩应力明显增大，该范围内最大、最小主应力值均为负值，受挤压冲击作用影响较大，主应力云图与爆破前出现明显不同，其中掌子面最大、最小主应力最值分别为3.29MPa 和9.08MPa，可知爆破荷载达到峰值时隧道掌子面应力增加了 6.58MPa 左右，与施加的等效爆破荷载值对应。整理监测点设计中的爆心左向、右向和竖向监测点三个方向的质点振速 PPV 值，以与爆破中心的距离为横坐标，绘制成图如图 6图 8 所示。图 6 爆心左向围岩振速峰值分布曲线 Fig.6 Peak velocity distribution curve of left surrounding rock of blasting center 图 7 爆心右向围岩振速峰值分布曲线 Fig.7 Peak velocity distribution curve of right surrounding rock of blasting center 图 8 爆心竖向围岩振速峰值分布曲线 Fig.8 Peak velocity distribution curve of vertical surrounding rock in blasting center 由图 6图 8 可见，爆破产生的振动波在各个方向围岩中的传播规律基本一致，围岩振速在 30m 范围内迅速衰减，但爆破处上方围岩的振动速度远大于左向和右向。隧道顶部距离爆破源最近的测点振动速度峰值为 68.02cm/s，距爆破竖直方向延伸至地表的振速峰值为 3.54cm/s，超过了爆破规范要求规定，振动波传播至左侧边界时质点振速峰值为 0.72cm/s，右侧边界为 0.19cm/s。3.2 爆破对小净距隧道影响 如图 9 为=50ms 时爆破位置所在截面围岩内部振动速度云图。图 9 围岩振动速度云图（cm/s）Fig.9 Vibration velocity nephogram of surrounding rock(cm/s)爆破振动波以爆破源为圆心向四周传递，受先行洞隧道支护结构及临空面的影响，阻碍了振动波的传播，故先行洞隧道左拱腰处振速明显大于其他部位，提取该处 X、Y、Z 三个方向的振速，绘制振速时程曲线如图 10 所示。可见，X 和 Y 方向的振动分量明显大于 Z 方向，X 方向振动分量在荷载达到最大值的时间段内也达到最大值并迅速波动。Y 方向振动分量延后荷载达到最大值，三个方向的振动分量均在 0.1s 后收敛。226 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 图 10 先行洞迎爆面拱腰振速时程曲线图 Fig.10 Time-history curve of vibration velocity of the arch waist of the blasting face of the advance tunnel 提取监测断面每个测点的质点峰值振动速度并绘制 PPV 沿纵向分布图，如图 11 所示。图 11 先行洞隧道支护结构 PPV 沿纵向分布曲线 Fig.11 Longitudinal distribution curve of PPV of supporting structure in advance tunnel 可见各断面上测点的振动速度分布规律基本一致，左拱腰最接近爆破源所以动力响应最明显，拱脚和拱肩次之，原因是左拱腰、左边墙是位于迎爆面上，直接受到爆破振动波冲击，处于最危险区域；但拱顶、右拱腰、右边墙均未直接承受爆破振动波冲击，主要受绕射过后的爆破振动波影响，振动响应不明显。掌子面前方10m断面为PPV取得最大值的位置，其中左拱腰 PPV 值为 13.94cm/s。与爆破掌子面距离525m 范围内的质点振速均大于与爆破源最近的迎爆面断面振速，爆破掌子面前方的爆破振动速度大于后方，PPV 沿纵向无明显衰减。左线隧道的掏槽爆破是在较大夹制作用下的强抛掷爆破，导致爆炸波能量大多向岩体深部传播，引起小净距隧道前方一定范围内的振动明显。分别提取爆破前静力计算和爆破荷载达到峰值时的先行洞衬砌主应力云图，如图 12图 13 所示。在静力计算中，先行洞衬砌最大主应力最值为0.948MPa，位于拱顶位置，最小主应力最值为2.624MPa，位于左右拱腰。当爆破荷载达到峰值时，先行洞衬砌最大主应力最值为 0.866MPa，与爆破前相比减小了 8%，衬砌受拉作用略微减小，向远离爆破源一侧偏移；左拱腰位置最小主应力为2.980MPa，与爆破前相比增加了 14%，其余位置应力变化较小，说明在现场应严格控制该位置的初期支护及二衬的施工质量，确保各构件连接紧密，形成封闭整体，将荷载有效传递至其余部位，减小应力集中。（a）最大主应力 （b）最小主应力 图 12 爆破前先行洞衬砌主应力云图（MPa）Fig.12 Cloud diagram of principal stress of front tunnel lining before blasting(MPa)（a）最大主应力 第 4 期 严伟等，邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究 227 （b）最小主应力 图 13 爆破荷载达到峰值时先行洞衬砌主应力云图（MPa）Fig.13 Principal stress nephogram of front tunnel lining when blasting load reaches peak(MPa)3.3 爆破对地表建筑影响 对两处地表建筑富抱泉小区和盈田酒店的地表振速进行监测，振速矢量和时程曲线如图 14 所示。图 14 建筑地表测点振速矢量和时程曲线 Fig.14 Vibration velocity vector and time history curve of building surface measuring points 富抱泉小区地表监测点振速矢量和在 147ms 时达到最大值，为 1.80cm/s，25ms 后再次达到峰值，为1.73cm/s，计算过程中有三次超过施工现场振速控制值；盈田酒店由于距离爆破中心较远，质点振速矢量和最大值为 1.24cm/s，相比小区监测点减小了约 31%。4 结论 本文通过数值计算采用等效荷载的方法对火凤山隧道左线 20m 加宽段的爆破过程进行模拟，针对以下三个内容进行了深入研究：爆破振动的工程区传播规律；爆破对小净距隧道的影响；爆破对地表建筑的影响。主要研究内容和结论如下：（1）在爆破荷载作用下，爆破掌子面范围内围岩应力明显增大，且范围内最大、最小主应力值均为负值，受挤压冲击作用影响较大。爆破引起的围岩振动响应在 30m 范围内迅速衰减；（2）小净距隧道左拱腰位置最接近爆破源，动力响应最明显，PPV 值为 13.94cm/s，拱脚和拱肩次之，且 X 和 Y 方向的振动分量明显大于 Z 方向。由于大部分的爆炸波能量向岩体深部传播，爆破工作面前方525m 范围内的小净距隧道质点振速均大于与爆破源最近的迎爆面断面振速；（3）富抱泉小区地表监测点与爆源水平和竖向距离分别为 28.5m 和 41.6m，振速矢量达到两次峰值，分别为 1.80cm/s 和 1.73cm/s，超过施工现场振速控制值，盈田酒店地表监测点与爆源水平和竖向距离分别为 41.1m 和 35.9m，由于距离爆破中心较远，质点最大值为 1.24cm/s，说明隧道爆破开挖对地表建筑的安全存在威胁。参考文献：1 张玉成,杨光华,刘鹏,等.爆破荷载在数值计算中的等效施加方法研究J.地下空间与工程学报,2012,8(1):56-64.2 陈桂龙,漆泰岳,黄晓东,等.城市隧道爆破对地表建筑物振速响应研究J.路基工程,2020(4):121-127.3 王利,王海亮.隧道爆破不同类型最大振速对建筑物的影响研究J.爆破,2012,29(4):6-9+69.4 贾磊,解咏平,李慎奎.爆破振动对邻近隧道衬砌安全的数值模拟分析J.振动与冲击,2015,34(11):173-177+211.5 李利平,李术才,张庆松,等.浅埋大跨隧道施工爆破监测与减震技术J.岩土力学,2008(8):2292-2296.6 张永兴,张远华.隧道爆破开挖条件下地表建筑振动速度响应研究J.地震工程与工程振动,2010,30(6):112-119.7 曹孝君,张继春,吕和林.隧道掘进爆破引起地表震动的数值模拟与现场监测分析J.中国公路学报,2007(2):87-91.8 李岩松,罗利,杨根明,等.隧道开挖爆破对临近既有建筑安全影响分析J.工程爆破,2022,28(1):123-129.9 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