城區復雜環境下地鐵隧道爆破掏槽方式優化*

李 婷,周傳波,蔣 楠,呂國鵬

(中國地質大學(武漢) 工程學院,武漢 430074)

隨著城市建設不斷發展,地下空間的開發利用與日俱增。鉆爆法由于適用性廣、成本低迄今仍是隧道開挖的主要方法[1]。然而,這種方法會產生振動、空氣沖擊波、飛石噪音、有毒氣體和灰塵等不良影響,在這些不良影響中,爆破引起的振動對周邊環境的危害位居首位[2]。地鐵線路大多位于中心城區,采用鉆爆法爆破開挖時將產生振動效應,影響施工區周圍建(構)筑物的穩定安全性,如控制不當,甚至危害居民的生命財產安全。在隧道爆破開挖過程中,掏槽爆破夾制作用最大,振動效應最強烈,是隧道爆破振動效應控制的關鍵[3]。因此結合隧道爆破工程實際,以控制爆破振動效應為目標,優化掏槽方式,對于保護周邊建(構)筑物安全,具有重要的應用價值。

目前,已有許多學者采用現場試驗、理論解析、數值模擬等方法對隧道掏槽爆破方式及其振動效應進行研究。楊年華等通過現場爆破試驗研究地表振動特性[4],研究表明掏槽爆破產生的振動效應最強烈,振動強度最大。陳貴等通過對淺埋隧道爆破開挖的振動監測與數據進行研究[5],研究結果表明與其他炮孔相比掏槽爆破振動強度最強烈。Tian X 等通過現場爆破試驗并收集現場監測數據[6],分析了單楔形掏槽爆破振動在地層中的傳播規律。Gao W等通過ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟件對楔形掏槽爆破參數進行優化[7],分析不同延時分段監測點的峰值振動速度,研究結果表明延遲時間為10 ms時,平均減振比最好。

楊國梁等通過比較直眼掏槽和楔形掏槽之間的應力波演變[8],研究表明楔形掏槽對巖石巷道的快速開挖是更具有優越性的。Yang D等通過對不同掏槽角度的楔形掏槽進行現場爆破試驗[9],研究結果表明當楔形掏槽角度為65°時,峰值振動速度最小。Man K等通過進行不同掏槽方案的爆破試驗[10],根據試驗研究表明直眼掏槽爆破效果較好,單楔形掏槽和雙楔形掏槽爆破產生的巖渣均勻且有利于排渣。Cheng B等通過理論分析、數值模擬和現場試驗相結合的方法研究單楔形掏槽和雙楔形掏槽的爆破效果[11],研究表明雙楔形掏槽的爆破效果比單楔形掏槽更好。

上述可見,隧道掏槽爆破研究大多集中于掏槽爆破效果或單一掏槽方式爆破振動效應。

結合武漢市地鐵7號線巨龍大道站～盤龍大道區間隧道爆破工程,采用現場試驗與數值模擬相結合的研究方法,對比分析地鐵隧道爆破開挖過程中三種掏槽方式的爆破振動傳播規律及其振動效應,進而比選最優的掏槽方式,為城市地鐵隧道爆破設計和安全施工提供參考。

1 隧道爆破工程概況及掏槽爆破設計

1.1 工程概況

本工程位于武漢7號線巨龍大道站,地鐵隧道平面布置如圖1所示。巨龍大道站1號位于盤龍大道路側,2#工作井位于巨龍大道與盤龍大道交叉口地塊空地內。本工程隧道全長321.796 m從2#工作井分別向巨龍大道站、1#工作井掘進,其中2#工作井至巨龍大道站長159.6 m。

圖1 地鐵隧道平面布置圖Fig. 1 The layout of the subway tunnel

隧道跨度為11.88 m,高為9.46 m,斷面面積90.74 m2。隧道所處地層從上到下依次為粉質黏土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。其中:雜填土厚度為5 m,強風化泥質粉砂巖厚度為15 m,中風化泥質粉砂巖25 m。隧道位于強風化泥質粉砂巖層中,為Ⅴ級圍巖,隧道位置及其地層特征見圖2所示。

圖2 隧道空間位置縱剖面示意圖(單位:m)Fig. 2 Longitudinal section diagram of tunnel spatial position(unit:m)

隧道采用CD法開挖,先左側、右側開挖,中隔壁采用22#工字鋼作為臨時支撐,左右導洞分上下臺階分布開挖,左導洞上臺階已向前開挖10 m,左導洞下臺階已向前開挖6 m,右導洞已向前開挖1 m。氣腿式鑿巖機鉆孔,非電毫秒雷管起爆的光面爆破,循環進尺為1 m。隧道爆破示意圖如圖3所示。

1-掌子面;2-掏槽孔;3-襯砌;4-地面;Ⅰ-左導洞;Ⅱ-右導洞;①,②,③,④-開挖順序圖3 隧道掏槽爆破示意圖(單位:mm)Fig. 3 Schematic diagram of underpass cut blasting(unit:mm)

1.2 現場爆破試驗掏槽方式設計

現場爆破試驗設計采用單楔形掏槽,掏槽孔布置在隧道左導洞上臺階,設計掏槽孔為4個孔,與掌子面平面成60角;采用不耦合裝藥,單孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。單楔形掏槽炮孔布置如圖4示,掏槽孔參數如表1所示。

表1 單楔形掏槽爆破參數表Table 1 Single wedge cut blasting parameter table

圖4 單楔形掏槽(單位:mm)Fig. 4 Single wedge hole cutting(unit:mm)

輔助孔和周邊孔取0.7 m;外插角3°～5°。鑿巖機具選用YT28型鑿巖機,炮孔直徑選用D=40 mm。炮孔布置順序:先布置掏槽,再布置周邊孔,最后布置輔助孔。掏槽布置在開挖斷面中下方,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長度為1.0 m,均比其他孔深。周邊孔布置在開挖斷面的設計線附近,再布置最靠近周邊孔的一圈輔助孔,其余輔助孔從掏槽向四周均勻布置。

2 隧道爆破數值建模及驗證

2.1 數值模型的建立及參數

采用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對地鐵隧道掏槽爆破進行模擬,圖5所示為地鐵隧道掏槽爆破時的模型。模型整體尺寸為70 m×60 m×45 m。模型中均采用8節點Soild164實體單元,cm-g-μs單位制。在進行動力有限元數值模擬的過程中,巖石和炮泥采用Lagrange網格,炸藥和空氣采用Euler網格。根據網格敏感性分析的結果,模型網格尺寸取30 cm,掏槽周圍網格尺寸進一步細化為 3 cm,共劃分940 516個單元。模型中除了頂面及隧道輪廓為自由邊界外,其余邊界均采用無反射邊界。

圖5 隧道爆破開挖模型(單位:m)Fig. 5 Excavation model of foundation pit blasting(unit:m)

計算模型包括炸藥、炮泥、上覆巖土體及襯砌材料。上覆土體的材料模型采用*MAT_DRUCKER_PRAGER材料[12-14],上覆巖層、堵塞采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[15-17],隧道襯砌采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料模型,其相關物理力學參數如表2所示。

表2 模型材料參數Table 2 Model material parameters

現場采用的炸藥為2號巖石乳化炸藥,炸藥的材料模型與現場一致,采用LS-DYNA軟件自帶的高能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來模擬炸藥模型,炸藥的具體參數見表3,模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系采用JWL狀態方程[18]

表3 炸藥狀態方程相關參數Table 3 Parameters related to the explosive equation of state

(1)

式中:A、B、R1、R2、ω為炸藥材料參數;p是壓力;V是相對體積;E0是初始比內能。

2.2 基于現場監測的可靠性驗證

為研究不同掏槽方式爆破開挖地面振動效應,本實驗在隧道開挖上方布置監測點,采用TC-4850爆破監測儀及其配套的三矢量速度傳感器對地面爆破振動進行監測,分析軟件采用Blasting Vibration Analysis軟件。地表監測點位置如圖6所示,相鄰兩監測點相隔5 m。

圖6 監測器現場布置示意圖Fig. 6 Monitor site layout

為驗證數值模擬計算的可靠性,選取單楔形掏槽數值計算模型與現場爆破實驗監測結果進行對比分析。將現場爆破實驗監測點的振動速度與數值模擬的振動速度進行對比,以驗證數值模型計算結果的可靠性,為后面其他方式掏槽爆破開挖作用下地表振動效應研究提供依據,對比結果見表4。

表4 現場監測與數值模擬峰值振速對比Table 4 Comparison of peak vibration velocity between field monitoring and numerical simulation

由表4可知,監測點x軸方向的振動速度最大,z軸方向最小。此外,現場爆破實驗結果均略小于數值模擬分析結果,合振速的最大誤差約為11.49%,該誤差在允許范圍內,因此數值模擬分析結果具有較高的可靠性。同時選取現場爆破實驗掏槽爆破時的合振速波形。與數值模擬分析結果合振速波形進行對比,圖7為兩者合振速波形對比結果。從圖中可以看出,現場監測波形與數值模擬分析結果波形基本一致,衰減規律也基本相似,由此進一步驗證了數值分析模型的可靠性,故在后續的分析過程中,可不過多考慮數值計算模型頻率的影響。

圖7 合振速波形對比Fig. 7 Comparison of vector vibration velocity

由以上分析可知,數值模擬計算結果與現場監測數據結果較為接近,建立的數值模擬可以用來進行掏槽方式振動效應的對比分析。

3 三種掏槽方式下爆破地表振動效應對比分析

3.1 掏槽方式設計

單楔形掏槽能夠形成較大區域的空腔體積,為后續炮孔的爆破提供自由面,能夠有效提高循環進尺和炮孔利用率。但其爆破塊度較大、堆碴分散,爆破振動較大。直眼掏槽拋碴距離近、爆堆集中,利于出碴,但鉆孔精度要求高。雙楔形掏槽炮孔利用率高,成型質量好,能夠有效節約工時。綜上所述,在原有單楔形掏槽爆破設計的基礎上增加四直眼掏槽和雙楔形掏槽爆破設計,從而比選爆破效果較好、爆破振動效應較弱的掏槽方式。

根據掏槽布設原理,并結合現場的實際地質情況和實驗條件,參考掏槽設計原則[10]:(1)是在不改變其他爆破參數的條件下,只變換掏槽的方式;(2)三種掏槽的鉆孔數量和裝藥總量都盡量保持一致,只是掏槽的分布方式不一致;(3)掏槽在掌子面區域的展布面積大致相同。對不同掏槽方式的優劣性進行對比,可以避免其他爆破參數對結果的影響,同時具有較高的科學性。

四直孔掏槽布置在隧道左導洞上臺階,設計掏槽孔為4個孔,與掌子面平面成60°角;采用不耦合裝藥,單孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。掏槽孔布置在開挖斷面的中下方位置,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長度為1.0 m,均比其他孔深,四直孔掏槽炮孔布置圖如8所示。

圖8 四直孔掏槽(單位:mm)Fig. 8 Burn cut(unit:mm)

雙楔形掏槽孔布置在隧道左導洞上臺階,設計掏槽孔為6孔,分為2個一級掏槽孔和4個二級掏槽孔,與掌子面平面成60°角;采用不耦合裝藥,一級掏槽孔裝藥量為0.15 kg,二級掏槽孔裝藥量為0.4 kg,起爆方式為孔底起爆。掏槽孔布置在開挖斷面的中下方位置,掏槽孔孔底落在掌子面后方同一平面上,孔深垂直長度為1.0 m,均比其他孔深,雙楔形掏槽炮孔布置圖如圖9所示。采用數值模擬方法,對比分析地鐵隧道爆破開挖過程中三種掏槽方式的爆破振動傳播規律及其振動效應,進而比選最優的掏槽方式。

圖9 雙楔形掏槽(單位:mm)Fig. 9 Double wedge hole cutting(unit:mm)

3.2 沿隧道爆破開挖軸線方向地表振動效應

3.2.1 沿隧道爆破開挖軸線方向振動傳播規律

通過分析現場爆破試驗監測數據,x向(水平徑向)峰值振動速度最大,選擇該向峰值振動速度作為評價爆破振動強度的參量。為了對單楔形、四直孔掏槽、雙楔形掏槽三種掏槽方式爆破開挖沿隧道軸向地表振動傳播規律進行分析,并較直觀反映掏槽爆破振動傳播規律,在隧道開挖軸線方向和垂直于隧道開挖軸線方向,選取距掌子面不同水平距離點為監測點,地表質點與數值模型對應位置如圖10所示。

圖10 地表監測點與數值模型對應位置圖Fig. 10 Map of the corresponding locations of surface monitoring points and numerical models

以掌子面正上方地表質點為原點,掌子面前方(已開挖區)為橫坐標負向,掌子面后方(未開挖區)為橫坐標正向。沿隧道軸線方向,每隔1 m選取地表監測點,三種掏槽方式沿軸線方向爆破振動傳播規律如圖11所示。

圖11 三種掏槽各監測點x向峰值振動速度對比Fig. 11 Comparison of x-direction peak vibration velocity of each monitoring point of three kinds of cutting

三種掏槽方式由地表沿隧道軸線方向爆破振動速度傳播規律由圖可以看出,三種掏槽方式具有相似的傳播規律。

在0～10 m范圍內,x向(水平徑向)峰值振動速度隨著與掌子面距離不斷增加而減小,在0～-5 m范圍內,x向(水平徑向)峰值振動速度隨著與掌子面距離不斷增加而不斷衰減,當地表質點與掌子面水平距離超過5 m時,x向(水平徑向)峰值振動速度整體趨勢表現為先上升后下降。隧道左導洞上臺階為已開挖區,由于應力波在傳播過程中可通過已開挖區形成的空洞上表面進行反射,入射波和反射波在地表進行疊加使地表質點與掌子面水平距離超過-5 m后,x向(水平徑向)峰值振動速度產生增大的現象,隧道左導洞上臺階已開挖區對地表振動速度具有放大效應,即存在“空洞效應”。

單楔形、四直孔掏槽、和雙楔形掏槽沿隧道軸線方向x向(水平徑向)峰值振動速度最大值分別為1.58 cm/s,1.36 cm/s和1.28 cm/s,四直孔掏槽x向峰值振動速度最大值最大,雙楔形掏槽最小。直眼掏槽x向(水平徑向)峰值振動速度最大值是雙楔形掏槽的1.26倍,單楔形掏槽x向峰值振動速度最大值是雙楔形掏槽的1.11倍。

與四直孔掏槽和單楔形相比,雙楔形掏槽內的裝藥孔采用延時爆破。延時爆破先引爆一級楔形掏槽炮孔,為后續掏槽起爆創造良好的臨空面,可有效降低爆破振動效應。一般認為,當延時爆破在半個主頻周期區域內,抗干擾減振效果表現突出。綜上所述,采用雙楔形掏槽進行地鐵隧道爆破開挖能有效降低地表峰值振動速度。

3.2.2 沿隧道軸線方向空洞效應研究

淺埋隧道在爆破開挖過程中形成的空洞區會改變巖體原來的空間結構[19],此空洞區將會使得成洞區地表振動速度大于未成洞區地表相對應位置的振動速度,這種現象稱之為“空洞效應”[4]。由于 “空洞效應”使得振動強度增大,威脅建(構)筑物安全,爆破施工中應當加以重視。

可以用振動速度放大值對“空洞效應”影響程度進行定量評價[20-23]:

以掌子面為中心,隧道軸線方向關于掌子面對稱點的振動速度差值為

(2)

式中:f為空洞效應振動速度放大系數;VC為已開挖區地表振動速度;VS為未開挖區地表振動速度。

采用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對2#工作井內隧道掘進的掏槽方式進行模擬,并對隧道掘進至一定距離之后爆破引起的振動傳播規律進行模擬分析。首先以隧道掘進掌子面為原點,然后在隧道掌子面前后方向每隔五米選取一個監測點,每側共選取4個,監測點布置圖如圖12所示。數值分析結果如圖13所示,坐標軸正向為掌子面后方(未開挖區),坐標軸負向為掌子面前方(已開挖區)。

圖12 監測點布置圖(單位:m)Fig. 12 Monitoring point layout(unit:m)

圖13 各測點峰值振動速度變化規律Fig. 13 Variation law of peak vibration velocity of each measuring point

分析表明:三種掏槽爆破在已開挖區的振動速度大于未開挖區的地表振動速度,由此可以看出,成洞區隧道對地表振動速度存在放大作用,即存在“空洞效應”。

為了進一步分析掏槽爆破振動“空洞效應”及其變化規律,根據地表振動數據計算隧道已開挖區和未開挖區地表振動速度放大系數。單楔形掏槽、直眼掏槽和雙楔形掏槽掌子面前后相對應位置振動速度放大系數如圖14所示。

圖14 地表振動速度放大系數Fig. 14 Surface vibration velocity amplification factor

從圖14可以看出,三種掏槽爆破掌子面前后方地表振動速度的放大系數隨著水平距離的變化趨勢大體一致,并且具有相似的衰減規律,其放大系數大致在1.35～2.02之間,在0～20 m范圍內并不只是單調遞增或單調遞減,而是隨著水平距離的增加而增大,在10 m處達到最大值,然后開始減小。與其他兩種掏槽相比,雙楔形掏槽放大倍數較小。

3.3 垂直于隧道爆破開挖軸線方向地表振動效應

以掌子面中心正上方地表質點為原點,隧道爆破開挖導洞左側為坐標軸負向,隧道爆破開挖導洞右側為坐標軸正向。在垂直于隧道軸線方向,每隔一米選取地表監測點,三種掏槽方式爆破開挖各監測點x向峰值振動速度如圖15所示。

圖15 三種掏槽各監測點x向峰值振動速度對比Fig. 15 Comparison of x-direction peak vibration velocity of each monitoring point of three kinds of cutting

三種掏槽方式由地表沿垂直于隧道開挖軸線方向爆破振動速度傳播規律由圖可以看出,x向(水平徑向)峰值振動速度在隧道左右兩側分布規律大致相似,且隨著與原點水平絕對距離的增加而逐漸減小;由于隧道右導洞上臺階為未開挖區,而隧道左導洞上臺階為已開挖區,存在臨空面,所以在原點左右兩側相對應位置處,隧道左側(已開挖區)x向(水平徑向)峰值振動速度大于隧道右側(未開挖區)峰值振動速度。

從整體上看,三種掏槽方式x向峰值振動速度最大值出現在相同位置。四直孔掏槽、單楔形掏槽和雙楔形掏槽x向(水平徑向)峰值振動速度最大值分別為1.651 cm/s、1.495 cm/s和1.333 cm/s,四直孔掏槽x向(水平徑向)峰值振動速度最大值最大,雙楔形掏槽最小。四直孔掏槽x向峰值振動速度最大值是雙楔形掏槽的1.24倍,單楔形掏槽x向峰值振動速度最大值是雙楔形掏槽的1.12倍。

4 結論

以巨龍大道暗挖段地鐵隧道爆破為例,運用現場試驗與數值模擬相結合的方法分析不同掏槽方式爆破地表振動效應,得到的主要結論如下:

1)通過數值模擬計算的峰值振動速度與現場爆破實驗所得數據相比,相對誤差為5.42%～11.49%,且質點振動時程曲線基本一致,數值模型可用于隧道掏槽爆破振動的數值模擬。

2)沿隧道開挖軸線方向,三種掏槽方式具有相似的傳播規律。在0～10 m范圍內,x向(水平徑向)峰值振動速度隨著與掌子面距離不斷增加而減小,在0～-5 m范圍內,x向(水平徑向)峰值振動速度隨著與掌子面距離不斷增加而不斷衰減,當地表質點與掌子面水平距離超過5 m時,x向(水平徑向)峰值振動速度整體趨勢表現為先上升后下降。隧道左導洞上臺階已開挖區對地表振動速度具有放大效應,即存在“空洞效應”。垂直于隧道開挖軸線方向,三種掏槽方式具有相似的傳播規律,x向(水平徑向)峰值振動速度在隧道左右兩側分布規律大致相似,且隨著與原點水平絕對距離的增加而逐漸減小,隧道左導洞上臺階存在臨空面,隧道左側(已開挖區)x向(水平徑向)峰值振動速度大于隧道右側。

3)沿隧道開挖軸線方向,三種掏槽方式爆破開挖x向(水平徑向)峰值振動速度最大值分別為1.582 cm/s、1.414 cm/s、1.251 cm/s;垂直于隧道開挖軸線方向,三種掏槽方式x向(水平徑向)峰值振動速度最大值分別為1.651 cm/s,1.495 cm/s和1.333 cm/s;以上兩種方向的雙楔形掏槽x向峰值振動速度最大值最小,四直孔掏槽x向峰值振動速度最大值最大。對三種掏槽方式爆破地表振動效應進行綜合對比分析,得到掏槽方式最優排序為:雙楔形掏槽>單楔形掏槽>直眼掏槽。

4)三種掏槽方式在已開挖區的地表振動速度大于未開挖區的地表振動速度,即存在“空洞效應”,三種掏槽方式爆破掌子面前后方地表振動速度的放大系數具有相似的衰減規律,其放大系數大致在1.35～2.02之間,最大值在10 m位置處。與其他兩種掏槽相比,雙楔形掏槽“空洞效應”最弱。