摘要：在隧道下穿地上建筑物的工程中，隧道的施工技术和对地上建筑物影响的控制是施工难点。本文以隧道为工程背景，采用数值模拟与现场试验相结合的方法，对大断面隧道控爆方案对建筑物的影响进行分析，该设计方案均能满足爆破控振要求，采用延时雷管分段爆破原理设计的导洞先行爆破和左右分幅爆破能够实现分区延时爆破效果，有效地控制爆破振动。
关键词：隧道；爆破；施工
1建筑物开挖爆破技术
1、工程概况。该线路全长12972 m，隧址区穿越构造低中山区，山体大致呈南北向展布，本隧道下穿该标段隧道开挖断面高10.05 m，宽24.65 m，围岩级别Ⅴ级，建筑物距隧道水平距离为8～15 m，距隧道拱顶垂向距离为25～30m。设计单循环进尺为1 m，为了避免给地表建筑物和隧道围岩造成较大损伤，必须采取控制振动爆破。
2、控振爆破施工。隧道爆破振动强度影响因素较多，最大单段炸药量是其中影响较大且可控的主要因素之一，因此在隧道爆破设计前采用萨氏经验公式计算出最大单段药量能够更好地指导爆破设计。根据爆破安全规程确定最大允许振动速度为1.5 cm/s，岩石体积压缩模量K，荷载传播衰减指数α 分别取200和1.8，距装药中心的距离Ｒ 取32 m，Q 为某段位的炮孔装药量，根据公式.png)
，可得最大单段炸药量为9.4 kg。爆破设计采用具有较好抛掷效果和减振效果的复合楔形掏槽技术和能够实现振动波错峰和干扰的微差爆破技术，周边眼采用光面爆破技术。掏槽和扩槽爆破单段最大炸药量控制在9.4 kg 以内，由于掏槽和扩槽爆破为后续爆破创造第二临空面，因此后续爆破单段炸药量可适当放宽。
根据爆破设计原则，设计了3 种控爆方案。方案1为两台阶导洞先行爆破，Ⅰ区炮孔先行爆炸，Ⅱ区起爆网络与Ⅰ区之间雷管连接，Ⅱ区炮孔在Ⅰ区爆破完成后100 ms 后爆破。方案2为三台阶爆破方案。方案3为两台阶分幅爆破，Ⅰ区炮孔先行爆炸，Ⅱ区起爆网络与Ⅰ区之间采用MS-3 号雷管连接，Ⅱ区炮孔在Ⅰ区爆破完成后100 ms 后爆破。
2爆破振动数值模拟及现场测试
1、考虑微差爆破荷载时程曲线计算。炸药瞬时爆炸时产生巨大的爆轰压力瞬时作用在岩石上，爆轰压力使得5倍炮孔直径左右区域的岩石压碎，并形成冲击波。当冲击波传播到距爆源10～15倍炮孔半径时已逐步衰减为压缩应力波。随后压缩应力波使得岩石产生裂缝发生破裂，压缩应力波传播至距爆源120～150 倍炮孔半径时衰减为地震波，此时地震波强度较小不能引起岩石的破裂，只能引起岩石弹性振动，当地震波传递至地面建筑物时，会引起建筑物的振动，导致建筑物破坏。
根据凝聚炸药爆轰波理论，对于不耦合的装药结构，单炮孔爆破荷载峰值P 可按下式计算。
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爆破荷载的升压时间tr和降压时间ts与装药量、岩石力学性质、炸药距炮孔壁的距离等因素有关。可分别根据以下经验公式计算。
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根据可计算得到同段位群孔起爆等效爆破荷载峰值，根据式计算得到衰减至隧道开挖轮廓的荷载，根据式 计算得到爆破荷载的升压时间和降压时间，结合使用雷管延时时间确定爆破荷载时程曲线。采用计算3 个爆破方案荷载时程曲线。
2、建立模型。该隧道爆破模拟采用有限元软件MIDAS /GTSNX，岩体本构模型采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型。根据现场建筑物与隧道位置关系建立模型，隧道拱顶垂向距离建筑物32 m，建筑物位于隧道正上方。所建数值模型为100 m（长）×71 m（宽）×50 m（高）。土层简化为5 m 厚人工堆积土和45 m 厚强风化灰岩，模型计算参数如表所示。
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由于下台阶爆破时上台阶已经为其创造了第二临空面，因此隧道上台阶爆破引起的振动强度远大于下台阶。该爆破模拟主要考虑上台阶爆破对建筑物的影响。假定爆破荷载以均布荷载作用于隧道壁上，作用方向为法线方向。为尽可能地模拟实际爆破过程，方案1 的Ⅰ区爆破荷载加载在爆破轮廓面上，Ⅱ区荷载加载在隧道轮廓面上；方案2 爆破荷载加载在上台阶爆破轮廓面上；方案3 的Ⅰ区爆破荷载加载在右边爆破轮廓面上，Ⅱ区荷载加载在左侧爆破轮廓面上。采用弹性边界进行特征值分析，为避免波的反射作用产生较大误差，采用黏性边界条件进行时程分析。共进行了5 次爆破模拟。
3、计算结果分析。根据模拟计算提取距离隧道最近的测点合速度时程曲线。3 种爆破方案合速度时程，方案1Ⅰ和Ⅱ区爆破引起的测点合速度最大值分别为0.657，0.774 cm/s；方案2 上台阶引起的测点合速度最大值为1.357 cm/s；方案3Ⅰ和Ⅱ区爆破引起的测点合速度最大值分别为0.732，0.577 cm/s。表明3 种爆破方案均能满足控振要求，方案1 和方案3 能够引起的振动较小，控振效果更好。方案1Ⅰ区爆破引起的振动小于Ⅱ区、方案2 上台阶、方案3Ⅰ区，主要由于方案1Ⅰ区炸药量小于上述其他爆破区，且方案1Ⅰ区位于整个隧道的中下方，距离建筑物较远，因此引起的振动较小。方案3Ⅱ区爆破引起的振动小于方案1Ⅱ区，主要由于方案3Ⅱ区爆破体积较小，炸药量较少，爆破在1s内完成，爆破最大振动速度均在1s 之内出现，1s 之后振动速度迅速衰减，根据模拟结果提取测点三方向振动速度，爆破方案1Ⅰ区各方向振动速度时程曲线水平方向振动速度远小于垂向振动速度，且水平方向振动速度变化幅度较小，
4、现场试验及分析。根据数值模拟分析，方案1 和方案3 均能实现较好的控振效果，但方案3Ⅱ区爆破会对Ⅰ区围岩产生二次损伤，因此现场采用方案1 进行爆破掘进。采用该公司生产的增强性TC-4850 爆破测振仪进行振动监测。该测振仪具有精度高、适用性强等特点，可测得3 个方向的速度。监测点与数值模拟位置一致。典型合速度时程曲线出现了2 次较大的波峰，峰值分别为0.981，0.906 cm/s。表明方案1Ⅰ和Ⅱ区延时爆破达到了很好的分区爆破效果，实现了控振的目标，且Ⅰ和Ⅱ区爆破中多次出现波峰和波谷，表明微差爆破能够起到错峰作用，实现能量的分散。
3结论
1）采用延时雷管分段爆破原理设计的导洞先行爆破和左右分幅爆破能够达到分区延时爆破效果，有效地控制爆破振动。较左右分幅爆破，导洞先行法第一次爆破距离建筑物较远，产生的爆破振动较小。
2）爆破引起的水平方向振动速度远小于垂向振动速度，且水平方向振动速度变化幅度较小，因此在监测过程中注意垂向速度变化，可以垂向速度作为安全判据。
3）模拟所得水平横向速度、垂向速度较实测振动速度分别小33.0%和14.6%。主要由于实际爆破中地质条件和爆破荷载传播更为复杂，但整体上反映了爆破振动规律。在数值模拟中采用考虑了微差爆破荷载时程曲线，能够得到爆破振动规律，从而提前预测爆破对建筑的影响。
参考文献：
[1] 蒋楠，周传波．爆破振动作用下既有铁路隧道结构动力响应特性．中国铁道科学，2013，32（06）：8．
论文作者:钟专,戴笠
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：荷载论文; 方案论文; 隧道论文; 速度论文; 建筑物论文; 炸药论文; 较小论文; 《基层建设》2018年第31期论文;