连拱隧道下穿既有建筑物爆破分析研究

连拱隧道下穿既有建筑物爆破分析研究

戴笠钟专

中国建筑第五工程局湖南长沙410000

摘要：连拱隧道开挖断面大，结构复杂，在隧道掘进爆破过程中，易产生爆破地震效应，直接影响到隧道围岩和上层建筑物的安全稳定性。因此，为保证隧道本身和周边建筑物的安全，有必要对连拱隧道爆破震动效应研究。地震波在均匀围岩介质模型中的质点震动速度与距离爆破源距离成反比；随着单段起爆孔数量增加，围岩质点的震动速度大幅度增加。本工程实际应用，主要利用有限元软件ANSYS，建立连拱隧道的数值模型，分析了连拱隧道的爆破震动效应以及对隧道上层建筑物的影响。

关键词：爆破震动；连拱隧道；有限元

1有限元模型构建

1、概况。该隧道全长228m净高5m，净宽22.5m，最大埋深30m。隧道地区为低山地貌，顶高46.5m，河床312m，高差100余米；隧道坡角15-30°。根据地质勘测结果，隧道区地层为残、坡积成因的粉质黏土及少量碎石土，不均匀分布于隧道山体；出露基岩为志留系中统（S2lr）页岩，强风化基岩裸露较少。隧道埋深较浅，为Ⅴ级围岩，围岩主要为中风化页岩，岩体浅部节理裂隙发育，岩体破碎，围岩自稳能力差，无支护时拱部易坍塌，侧壁易失稳。

2、岩石爆破参数设定。根据隧道开挖施工方案，根据计算处理，模型爆破采用三角形荷载。为满足一般性原则，将爆炸作用于炮孔壁面荷载简化，为满足爆破实际要求，取炮孔峰值压力3720MPa，设定升压时间为8ms，卸载时间为92ms。

2模型的模态分析

1、阻尼矩阵。爆破震动计算中，由于阻尼的作用使得地震波出现迅速衰减，导致爆破引起周边建筑物的位移和速度出现衰减。采用阻尼进行计算，即：

式中：a、β分别为模型的质量阻尼系数和刚度阻尼系数。参考相关研究，连续介质的弹性震动阻尼比取0.02。利用ANSYS软件对各模型结构进行模态分析，提取模型的自振平路，带入式中获得模型的阻尼系数和阻尼矩阵。

2、模态分析。基于ANSYS模块中的Subspace法进行模态分析。根据开挖顺序来构建不同的结构模型，并对模型的多阶振型进行分析计算。通过实际测量获得爆破地震波频率主要集中在70Hz区间。从构建的模型中提取7～11阶振型频率，利用式计算得到各模型的阻尼系数，见表所示。

3模型计算结果分析

基于此，该模型计算主要考虑第一段炸药爆炸引起的围岩震动应力场，由于有限元数值分析的求解是通过获得位移解集来得到各节点的质点速度和加速度矢量。同时利用几何方程来求取模型结构的应变和结构应力，因此质点的震动速度与应力应变是对应的，可通过求取质点的震动速度来反应相应的应力应变以及其他相关参数。

1、地震波衰减分析。爆破地震波在传播过程中，受到介质阻尼作用，会发生能量衰减，波峰值下降。为分析构建模型中地震波的衰减情况，选定沿爆源直线段的多个节点，分析统计各节点的速度和应力时间历程。通过各节点震动应力和速度峰值，获得节点能量衰减情况。选择中导洞时的爆破模型为分析对象，具体的六个节点位置。节点震动速度与距爆源距离呈现出一个反比衰减关系，由爆破震动理论可知，当地震波在围岩介质中传播中，其中的高频部分衰减速度较低频部分要快。因此，在爆源近处，高频部分迅速衰减，能量大幅下降，而远距离节点处的地震波主要以低频为主，这部分衰减速度较慢。实际爆破中，受到围岩性质和装药工作的影响，地震波中存在大量低频波，且围岩阻尼系数存在较大差异，从而导致地震波表现出对数性衰减。模拟结果与实际结果见的差异，主要是建模过程中假设围岩为均质材料，模型的阻尼系数选为常数，使得荷载作用下的地震波频率较为单一。

2、爆破药量的影响。隧道爆破开挖中，根据设计施工需要，某一固定段所使用的起爆炮孔数不是固定的，同时，隧道受到威严类型和开挖方式等的影响，使得炮孔装药量和布置形式都存在一定的差异。分析单一段下不同炮孔数的爆破震动效应。考察3孔、4孔、5孔爆破情况。取炮孔压力峰值为2.25GPa，荷载总作用时间100ms，初始施加时间20ms，其中升压阶段为8ms，降压阶段为92ms。分析距地表170节点处所表现的震动速度，得到不同炮孔数变量条件下研究质点的震动速度波形，如图所示。

（a，b）分别为3孔、4孔、5孔下170节点处爆破水平方向和竖值方向的波形图。从获得的计算结果中可以看出：不同炮孔数下质点的震动波形并未出现很大的偏差或改变，不同爆破孔只是对质点的震动速度幅值存在一定的影响。

3、施工顺序的影响。连拱隧道分为左右主洞。通常在隧道开挖时，首先开挖中导洞，在建立了中隔墙的基础上在对隧道左右两洞施工。在进行左右两洞开挖过程中基本都采用一洞先行的施工策略。对于存在建筑物的连拱隧道，当建筑物相对左右洞相对位置不同，则隧道爆破过程中对建筑物产生的爆破震动效应也不相同。因此，不同开挖顺序对隧道上建筑物的爆破震动效应也就存在差异。以170节点质点震动速度为参考对象，分析不同开挖顺序下对隧道地表建筑爆破效应进行分析。在不同的开挖顺序下，基于爆破所造成的地表质点震动存在不同，对上图质点震动波速波形进行分析可知：当右洞先行时，左右洞爆破所引起的震动速度相较右洞后行，左右洞爆破明显增加。如图

从右洞爆破的波形图中可以看出：相较于右洞线性，采取右洞后行所形成的震动速度要大，但水平方向Vx的爆破速度峰值要小于竖直方向Vy爆破速度。因此，在考虑该节点位置的峰值震动速度，采取右洞先行的施工顺序相较于右洞后行对建筑物所造成的影响相对较大。因此，在实际施工过程中，可先开挖隧道左洞，再进行右洞挖掘工作，这要能提高安全要求。

4结论

某地区高速公路连拱隧道为实例对象，运用ANSYS有限元分析软件对连拱隧道爆破震动效益进行了分析研究，取得的结论主要有：

①建立了基于实例模型的二维动力有限元模型，考察了连拱隧道爆破震动的地震波衰减情况，表明地震波在均匀介质模型中的质点震动速度与距爆破源距离成反比。

②单段起爆孔数量增加，则围岩质点的震动速度也会出现较大幅度增加。采用两段微差时间爆破法时，爆破微差时间为100ms较微差时间为50ms引起的节点爆破峰值震动速度低。

③由不同施工顺序对隧道建筑地表质点震动速度分析表明：左洞爆破时，右洞拱顶和拱肩位置径向震动速度最大，成为震动危险点，就地面建筑物震动安全角度分析，采取左洞先行的施工方案较右洞先行安全性更高。

参考文献：

［1］王文正，孙旭东.暗挖隧道密贴下穿既有线车站施工关键技术［J］.隧道建设，2013（5）：4.