邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究_毕继红

邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究

毕继红,钟建辉

(天津大学建筑工程学院,天津300072)

摘　要:运用有限元的基本理论,采用ANSYS 软件对既有隧道受邻近隧道爆破震动影响进行了研究。

分别就不同围岩类型、不同隧道间距情况下既有隧道的振动进行了分析。结果表明:既有隧道迎爆面边墙的振速最大;围岩越稳固,振速越小;当间距小于1倍的隧道直径时,隧道衬砌的振速会超过允许值;围岩的振速与至爆源距离的关系是非线性的。

关键词:隧道;衬砌;围岩;爆破震动;有限元

中图分类号:U455141;O382+12;TD23514+7　　文献标识码:A

STUD Y ON IN FL U ENCE OF BLASTIN G V IBRA TION FROM

EXCAVA TION OF A N EW TUNN EL ON EXISTED TUNN EL

B I Ji 2hong ,ZHON G Jian 2hui

(College of A rchitect ure Engi neeri ng ,Tianji n U niversity ,Tianji n 300072,Chi na )

ABSTRACT :Based on the principle of finite 2element method ,the influence of blasting vibration from excavation of a new tunnel on close 2in existed tunnel is studied by use of the ANSYS program 1The vibrations of existed tunnels in different country rocks are analyzed at different spacing distances of tunnels 1The results of study and analysis show that :(a )the sidewall of the existed tunnel in the face of blasting has a maximum vibration veloci 2ty ;(b )the solider country rock is ,the lower vibration velocity ;(c )the vibration velocity of tunnel ’s lining will exceed the permitted vibration velocity if the spacing distance is less than one 2fold of tunnel diameter ;(d )the re 2lation between vibration velocity of country rock and the distance to an explosion source is nonlinear 1KE Y WOR DS :Tunnel ;Lining ;Country rock ;Blasting vibration ;Finite element

收稿日期:2004-09-23

作者简介:毕继红,土木系教授、博士。

钟建辉,土木系硕士研究生。

1　引　言

随着国民经济的迅速发展,大量的单线隧道需增建二线隧道,或新线隧道一开始就需建成平行的双线,这就存在新建隧道开挖爆破产生的震动有可能引起邻近既有隧道损伤的危险,如日本的荻律公路隧道、磁浮试验线上初狩隧道以及意大利的Lo 2cooColio 公路隧道;而国内的西康线响水沟隧道、湘黔铁路增建Ⅱ线坪口隧道、流潭隧道等,也因隧道间距较小,出现过既有隧道衬砌开裂、剥落等危及行车

安全的现象。因此,在施工过程中,研究人员必须对隧道爆破震动进行监测和分析,特别是对于净间距偏小的双线隧道,如何保证爆破施工时中隔墙的稳定性,控制爆破对围岩的破坏,具有重要的现实意义。邻近隧道的爆破对既有隧道的作用与影响,受爆源、介质和隧道自身三大条件的影响。由于影响因素比较复杂,造成对这一问题的研究与解决比较困难。

有限元法是目前已经广为应用的岩土工程与结构分析的有利工具。首先,它适于分析复杂几何形状的连续介质问题;第二,便于引入各种要求的边界条件;第三,它能够成功地反映各种复杂的材料性质及其不均匀性,因而可以考虑计入岩土介质的非线

第10卷　第4期2004年12月

　　　　　　　　　　　　　　工程爆破EN GIN EERIN G BLASTIN G 　　　　　　　　　　　　　　　

Vol 110,No 14

December 　2004

性和非均匀性,这些都是其它数值方法难以做到的。

因此,本文用ANSYS 软件研究了邻近隧道开挖爆破对既有隧道的影响。2　爆破震动影响控制标准

爆破产生的冲击波常常危及周围建筑物的安全和稳定,隧道衬砌和围岩的安全与否不仅取决于隧道结构的抗振能力,而且与震动波的强度有关。因此在实施爆破前应先评定其可能产生的振动等级,以便将振动破坏等级控制在安全范围内。目前,国

内外大都采用质点振动速度作为衡量隧道受爆破震动影响的主要物理量,关于爆破震动的研究也是以振动速度的测量和分析为依据。但是,质点振速标准的经验性较强,不同标准给出的安全振速相差很大,所以在这方面还有待进一步的研究和探索。本文采用的是长江水利水电研究院建议的允许爆破振

动速度和破坏标准〔1〕

,如表1所列。表内所列数据为重复爆破的速度值,单次爆破时可适当加大,但不得超过50%。

表1　地下结构允许的爆破振动速度和破坏标准

Table 1　Permitted vibration velocities and damage criterion for underground structures

质点振速/(cm ・s -1)

地下结构工程

510～1010未衬砌的松散洞体有小的掉块1010～2010①隧洞原有裂缝有时扩大;②破碎岩体有掉块;③管道接头有细微变位2010～3010①隧洞有大掉块,有时有小的塌落;②岩柱有掉块3010～6010①衬砌混凝土出现裂缝;②管道变形;③顶板有塌方6010～9010

①地下建筑物或衬砌开裂;②硬岩体裂缝严重扩张

　　爆破震动与天然地震相比,具有频率高的特点,

因此把振动速度换算成加速度值时,会达到很大的数值,用振动加速度来推断结构物的受害限界显然是不可行的。因此,在爆破震动控制时,应该以振动速度为基准。爆破震动基本上因爆源的距离、炸药量、地质条件、既有构筑物结构特点的不同而不同,而炸药类型和爆破施工方法也对爆破震动有影响。

3　爆破冲击荷载

采用有限元法分析爆破震动影响的一项关键工作是建立爆破加载模型,这包括确定爆破激振力的

大小、作用位置和方向、峰值时刻和持续时间等方面的内容。关于地下洞室爆破冲击荷载的确定,至今尚无一种完善的方法和理论。一般认为,岩土介质内任意一点的爆炸压缩波多呈三角形荷载形式,其超压在经过峰值以后都急剧衰减,而按卸载波传播,此时,与静载加压的情况不同,原先已被压实的岩土体又将产生回弹膨胀现象。所以将爆炸波简化成三角形波是比较符合实际情况的,对于进行爆破震动的数值分析,这种方法是比较实用和合理的方法,已被广泛采用〔2,3〕。

由于本文的主要目的是对不同围岩类型和不同隧道间距的情况下爆破震动对既有隧道的影响进行数值模拟分析,为了简化解析过程和合理减少计算工作量,根据计算和爆破的实际情况,在不失一般性的条件下作以下的假设:

(1)爆破荷载以压力形式的均布荷载作用在隧

道壁上,方向垂直于洞壁。根据计算的实际情况,将爆破荷载曲线简化成三角形曲线,如图1所示。

图1　爆破荷载曲线

Fig 11　The curve of explosion loading

(2)冲击荷载曲线典型的加载到峰值压力的升

压时间为8～12ms ,卸载时间为80～100ms 。本次

计算取加载时间为12ms ,卸载时间为100ms ,为了解爆破震动波在岩体中的传播规律,取计算时间为500ms 。

(3)三角形波峰压力的最大值p max 由以下方

法〔4〕确定:

冲击波的初始峰值压力就是爆轰波作用在岩石上的最初压力,对于一个装药炮孔,孔壁上受到的初始峰压由下式计算:

p r =[2ρr C er /(ρr C er +ρ0D 0)]p 0(1)式中:p r 为岩体中冲击波的初始峰压,MPa ;ρr 为岩石的密度,kg/m 3;C er 岩体中纵波速度,m/s ;ρ0为炸药密度,kg/m 3;D 0为炸药的爆速,m/s ;p 0为炸药

的爆轰压力,由下式确定:

・07・工　程　爆　破

炮孔壁上受到的压力并不等于隧道洞壁的压力。根据文献〔5〕的分析,对于V类围岩取隧道洞壁的冲击荷载p max=10MPa。由于对于不同围岩,由初始峰压简化到冲击荷载的规律是一致的,因此可以进行线性插值,推算出Ⅲ类和Ⅳ类围岩的初始峰压值,列于表2。

表2　不同围岩中孔壁上的爆破冲击荷载

Table2　Shock loads on the wall of holes in different

country rocks

围岩类型

围岩密度

ρ

r

/(kg・m-3)

纵波速度

C er/(m・s-1)

炸药密度

ρ

/(kg・m-3)

Ⅴ260040001100Ⅳ250032001100Ⅲ230022001100

围岩类型

炸药爆速

D0/(m・s-1)

初始峰压

p r/MPa

冲击载荷

p max/MPa

〗Ⅴ48008405101000

Ⅳ4000559561657

Ⅲ30002996315

　　表中的围岩密度、纵波波速、炸药密度及爆速值来源于参考文献〔6〕。

4　数值分析

411　围岩及隧道支护结构计算参数

计算中将围岩和既有隧道衬砌视为紧密相连的整体,采用共同变形理论。由于爆破施工多在硬岩中进行,所以本次计算主要考虑Ⅲ类和Ⅳ类围岩的情况。围岩力学参数见表3,支护结构参数见表4。

表3　围岩力学参数

Table3　Mechanical parameters of country rocks

围岩类型

弹模E

/104MPa

泊松比

ν

密度γ

/(kN・m-3)

粘聚力

C/MPa

摩擦角

Ⅲ01201342301230

Ⅳ01701252511338

　　隧道采用圆形断面,既有隧道和新建隧道的半径均为3m,爆破施工方法为全断面爆破开挖。在冲击荷载作用下,混凝土和岩石的力学特性与静荷载下的反应是有所不同的。一般认为,混凝土材料在

表4　支护结构参数

Table4　Mechanical parameters of support structure

围岩

类型

隧道状态

衬砌

形式

衬砌厚度/mm

初衬二衬

锚杆直径

/mm

混凝土

等级Ⅲ既有隧道整体式400C20新建隧道复合式10030022C20Ⅳ既有隧道整体式400C20新建隧道复合式10030022C20

冲击荷载作用下,当荷载作用时间从100s减至0103s时,强度和弹性模量分别提高30%～56%和20%～25%,而岩石的强度也将提高5～10倍〔7〕。考虑到以上情况和本文中的计算假设,在爆炸荷载下,围岩的弹性模量提高到原来的5倍,衬砌的强度和弹性模量分别提高50%和25%。

412　计算模型

有限元分析过程是通过ANSYS软件实现的。将隧道体系按二维有限元分析,采用平面四结点四边形等参元来划分单元,在三角形波荷载下进行瞬态分析。另外一个需要注意的问题就是边界条件的选取。在隧道的数值模拟中,一般都要截取岩体的某一部分建立数值模拟计算模型,用一定的边界条件去代替原始介质的连续状态,这种替代方法合理与否决定了计算结果的正确性。

(1)地下开挖工程中,模型的两侧施加水平方向的约束,保证水平方向位移为0;

(2)模型底部为固定边界,即底部边界结点水平位移和垂直位移均为0;

(3)

模型上部(地表)荷载忽略不计。

图2　数值计算模型

Fig12　The model for numerical calculation

413　计算结果分析

41311　既有隧道衬砌结构计算结果分析

通过有限元分析,在相同药量爆破的情况下,既有隧道衬砌的最大振动速度值列于表5中,将这些数据用图形表示出来,见图3(a)和(b),我们可以看出其中的一些规律。

・

1

7

・

毕继红等:邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究

表5　既有隧道衬砌不同部位的最大振动速度

Table 5　The peak vibration velocity of every measuring point

on the lining of existed tunnel

围岩类型测点位置不同隧道间距下的振速/(cm ・s -1)

015D 110D 115D 210D 215D Ⅲ边墙

5710311518171312911洞顶27171516915615511洞底26101412817617611Ⅳ边墙

46151810811517414洞顶512411318312218洞底

516

417414316

311

　　D 表示隧道的半径,m 。

　　(1)新建隧道开挖爆破产生的震动对既有隧道

衬砌迎爆面的边墙影响最大,其振动速度明显高于其他部位,是最危险的部位。

(2)既有隧道衬砌的振动速度随着隧道间距的增大而减小,当间距小于115D 时,振动速度随间距的变化比较大,而大于115D 以后,振动速度随间距

的变化比较小。所以,当隧道间距比较大时,衬砌振动对距离的敏感度减低,而隧道间距比较小时,衬砌振动对间距变化的敏感度很高,间距较小的变化对衬砌的振动影响却会很大。

(3)从Ⅲ类和Ⅳ类围岩的数据比较可以看出,Ⅳ类围岩中既有隧道衬砌的振动明显小于Ⅲ类围岩,这是因为Ⅳ类围岩的稳定性比Ⅲ类围岩高,而且对爆破震动波的阻尼效应大,减弱了爆破震动波传到既有隧道衬砌时的能量,从而导致既有隧道衬砌的振动速度降低。

(4)以本文引用的允许震动标准来判定,当隧道间距小于

110D 时,既有隧道的衬砌将发生破坏,大于110D 时,既有隧道衬砌只会发生轻微的损伤,而大于215D 以后,爆破震动对既有隧道衬砌的影响是轻微的。既有隧道迎爆面边墙的衬砌最先发生破坏。

图3　不同围岩中衬砌最大振速(PPV )随隧道间距的变化

Fig 13　The change of the lining ’s PPV with the distance between new and existed tunnels

in different country rocks

　　(5)当以三角形波爆破加载时,既有隧道衬砌的

振动响应是随着爆破荷载的变化而变化的,但当爆破荷载达到峰值时,既有隧道衬砌的振动响应并不同时达到峰值,而是有一定时间的滞后,滞后时间随着围岩类型的不同而不同。由图4(a )和(b )可以看出,Ⅲ类围岩中的滞后时间要比Ⅳ类围岩中的滞后时间长,这是由Ⅳ类围岩中纵波的传播速度比Ⅲ类围岩中快而导致的。当爆破荷载卸载完以后,隧道体系会产生有阻尼的自由振动,由图4(a )和(b )比

较可知,Ⅳ类围岩的自由振动频率比Ⅲ类围岩高,周期比Ⅲ类围岩短,而且Ⅳ类围岩的自由振动衰减比Ⅲ类围岩衰减得快。产生这些现象的原因在于Ⅳ类围岩的阻尼效应比Ⅲ类围岩的大,而且稳定性比Ⅲ类围岩好。

41312　隧道围岩计算结果分析

开挖爆破时,隧道围岩的震动是随着与爆源距离的变化而变化的。隧道围岩振动速度计算结果列于表6中,并用曲线的形式示于图5中。

表6　围岩振速计算结果

Table 6　Calculated vibration velocities of country rocks

围岩类型与爆源不同距离处的振速/(cm ・s -1)

016m 118m 310m 412m 514m 616m 718m 910m 1012m 1114m Ⅲ类

10711701848183418251820101611141113161311Ⅳ类

3019

1813

1217

916811713617

612

518

517

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27・工　程　爆　破

图4　不同围岩中既有隧道边墙衬砌振速时程曲线

Fig 14　The time history curve of the lining of tunnel walls in different country rocks

　　由以上结果可以看出,不同的围岩类型对于爆

破震动的响应是不同的。稳定性越高的围岩,它的振动速度越小,衰减得越快,Ⅲ类围岩和Ⅳ类围岩的振动速度比较可以证明这点。围岩的振动速度随着与爆源距离的增大而减小,距离越大,振动速度对于距离变化的敏感度降低,这可以从图5中看出。正如萨道夫斯基公式描述的那样,围岩振动速度与距离的关系是非线性的,而这种非线性关系会因为围岩类型和爆破条件等因素的不同而不同

。

图5　围岩振速与至爆源距离的关系

Fig 15　Relationship between country rock ’s vibration

velocity and the distance to explosion source

5　结　论

根据以上的分析,可以得出以下结论:

(1)爆破施工时,隧道体系的振动速度是监测的一个重要指标。开挖爆破产生的震动对既有隧道衬砌迎爆面的边墙影响最大,在施工过程中应该对这个部位进行重点监控。

　　(2)围岩的力学性能不同,会导致隧道体系振动响应的不同,围岩越稳定,阻尼效应越大,隧道体系的振动速度越小,震动衰减也越快。Ⅳ类围岩的抗震性能要比Ⅲ类围岩强,Ⅳ类围岩的最大振动速度和Ⅲ类围岩相比,要降低60%左右。

(3)既有隧道衬砌的振动速度随着隧道间距的增大而减小,间距越大,振动速度对于距离变化的敏感度降低。当间距小于1倍的隧道直径时,既有隧道衬砌的振动速度会超过允许值,造成隧道的破坏,所以必须采取特别支护和加强措施。

(4)围岩振动速度与距离的关系是非线性的,而这种非线性关系会因为围岩类型和爆破条件等因素的不同而不同。参考文献:

〔1〕孙　钧1地下工程设计理论与实践[M ]1上海:上海科学

技术出版社,1996,274-2751

〔2〕孙　钧,侯学渊1地下结构[M ]1北京:科学出版社,

1988,695-6971

〔3〕王明年,潘晓马,张成满,等1邻近隧道爆破振动响应研

究[J ]1岩土力学,2004,25(3):412-4141

〔4〕齐景岳,刘正雄,张儒林,等1隧道爆破现代技术[M ]1北

京:中国铁道出版社,1995,7-81

〔5〕潘晓马1邻近隧道施工对既有隧道的影响[D ]1成都:西

南交通大学,2002131

〔6〕刘殿中1工程爆破实用手册[M ]1北京:冶金工业出版

社,19991

〔7〕杨善元1岩石爆破动力学基础[M ]1北京:煤炭工业出版

社,1993,60-621

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37・毕继红等:邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究