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小凈距地鐵隧道爆破動力特性與破壞模式研究

文檔作者：史鵬飛文檔來源：中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月08日
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施工技術(shù)2013年4月上
!!!一竺竺NSTRucTIoN TECHNOLOGY 22222232222222=========================== 第42卷 第7期 竺蘭竺：至
DOI：10．7672／s舒s2叭3070102
小凈距地鐵隧道爆破動力特性與破壞模式研究
史鵬飛
(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北涿州072750)
【摘要]小凈距地鐵隧道爆破極易引起先行洞襯砌開裂、剝落現(xiàn)象，具有很大施工風(fēng)險(xiǎn)。以在建青島地鐵小凈距隧
道為例，建立三維有限元?jiǎng)恿δＰ?，研究先行洞襯砌振動速度、應(yīng)力狀態(tài)以及能量時(shí)程。后行洞爆破對先行洞襯砌
迎爆側(cè)邊墻影響最大，最大振速達(dá)到15mm／s。振速蜂值時(shí)刻均<5ps，可采用微差爆破控制地震波疊加效應(yīng)，避免
過大振動破壞。先行洞襯砌迎爆側(cè)邊墻襯砌混凝土主要呈振動破壞和剪切破壞；拱頂主要為橫向拉伸破壞，易出
現(xiàn)縱向拉伸裂紋，先行洞襯砌邊墻能量密度遠(yuǎn)大于拱頂。
[關(guān)鍵詞]隧道工程；爆破；振速；能量特性；破壞模式
[中圖分類號]TU74；U455．6 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A
在施工時(shí)，應(yīng)確保迎爆側(cè)邊墻厚度和配筋率。
【文章編號]1002-8498(2013)07-0102-05
Study on Dynamic Chd'racteristics and Failure Mode Induced by
Blasting in Small·distance Tunnels
Shi Pengfei
(The First Engineering Co．，Ltd．of China Railway 1 8th Bureau Group Co．，Ltd．，Zhuozhou，Hebei 072750，China)
Abstract：Blasting in small-distance tunnels has very high construction risk because it is very easy to
cause cracking and peeling of linings in existing tunnels．Taking Qingdao metro tunnel as an example，
three—dimensional numerical simulation was carried out to investigate the dynamic response of linings，
such as vibration velocity，stress and energy characteristics。It is found that，blasting in subsequent hole
has highest influence to linings of the existing tunnel on the side wall facing the blast，with the peak
particle velocity(PPV)reaching 15 mm／s．Time to reach the peak particle velocity is always less than 5
¨s．Therefore，blastings with millisecond time difference can be adopted to control the superposition of
seismic waves and avoid excessive vibration damage．The linings on the side wall facing blasting show a
failure mode of vibration damage and shear failure．The linings at vault are mainly controlled by
transverse tension failure，with longitudinal stretching cracks．The energy density of linings on side walls
is much larger that that of the vault．It is recommended that the thickness and reinforcement ratio of the
side wall of the existing tunnel facing the blasting should be guaranteed．
Key words：tunnels；blasting；vibration velocity；energy characteristics；failure mode
由于城市特殊地形條件，采用小凈距隧道可以
不受地形條件以及總體線路線型的限制，同時(shí)小凈
距隧道穿越各種工程地質(zhì)，得到了廣泛的應(yīng)用’1。3 J。
然而后行洞爆破產(chǎn)生的動荷載，極易導(dǎo)致先行洞襯
砌開裂、剝落等危及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和行車安全等
問題‘4?。
當(dāng)今對此方面的研究缺乏系統(tǒng)理論支持，使隧
道施工面對此類情況時(shí)表現(xiàn)出很大的隨意性甚至
盲目性，使得實(shí)際工程常常表現(xiàn)出兩種極端現(xiàn)象：
[作者簡介]史鵬飛，工程師，E-mail：shipen毋imail@163．CO／i't
[收稿日期]2012．08_05
一是對先行洞進(jìn)行盲目的爆破，藥量過小而無法得
到預(yù)期進(jìn)度，造成不必要浪費(fèi)和施工困難；另一種
采用過大的藥量爆破，對相鄰隧道造成破壞或損
壞，給后期的運(yùn)營帶來工程隱患?，F(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對
小凈距隧道修建只是原則性規(guī)定，有學(xué)者研究了爆
破對圍巖松動圈的影響；也有學(xué)者研究了小凈距爆
破對運(yùn)營既有隧道結(jié)構(gòu)振動的影響，或加固中夾巖
柱對爆破的減弱效應(yīng)∽‘11I。而研究先行洞襯砌振動
各向異性及破壞模式等方面并不多。目前學(xué)者對
小凈距隧道研究主要集中在平面數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)
工程等方面，而對三維爆破引起先行洞襯砌動力特
萬方數(shù)據(jù)
2013 No．7 史鵬飛：小凈距地鐵隧道爆破動力特性與破壞模式研究103
性與破壞模式研究較少。本文結(jié)合青島市地鐵小
凈距隧道，研究圍巖級別對爆破動力效應(yīng)的影響。
1工程概況
青島市地鐵一期工程(3號線)清江路站一雙山
站區(qū)間，沿線多為雙山拆遷空地及商鋪。左線設(shè)計(jì)
里程為K12+520．019一K13+481．347，區(qū)間總長
961．328m；右線設(shè)計(jì)里程為K12+520．019一K13+
489．796，區(qū)間總長969．777m，區(qū)間均采用礦山法施
工。本工作區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化帶埋深最大可達(dá)19m，基巖
強(qiáng)風(fēng)化層最大厚度近18m。根據(jù)本區(qū)間的基巖裂隙
水文孔抽水試驗(yàn)，強(qiáng)、中風(fēng)化巖層屬弱透水層。地
下水在基巖中的賦存量較小，徑流條件也差，透水
性弱，最小間距6m。
2計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)
2．1三維計(jì)算模型
通過LS．DYNA軟件模擬小凈距隧道的爆破響
應(yīng)，選取Solidl64三維實(shí)體單元構(gòu)成整個(gè)模型，橫斷
面方向?yàn)?00m，隧道中心到底部邊界選取45m，上
邊界取值地表，隧道間距6m，埋深19m，共有6 157
個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 312個(gè)單元，三維整體模型如圖l所示，隧
道跨度12．8m，高宦10．3Ill
圖l 三維計(jì)算模型
Fig．1 Three-dimensional computational model
2．2計(jì)算參數(shù)
由于采用分段微差爆破，后行洞掏槽爆破時(shí)刻
對先行洞襯砌振動影響最大。因此，只分析掏槽眼
爆破產(chǎn)生的動力特性及破壞模式。根據(jù)地質(zhì)勘察
報(bào)告和隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算分別采用Ⅲ，Ⅳ，V級圍
巖，爆破進(jìn)尺為1m，鉆頭直徑42ram，掏槽眼4孔同
時(shí)爆破，每卷藥量0．2kg，單次掏槽眼爆破炸藥總用
量4．0kg左右。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)，圍
巖介質(zhì)采用彈塑性模型；初期支護(hù)及二次襯砌混凝
土采用JHC材料模型。國內(nèi)外學(xué)者對介質(zhì)受力性
能進(jìn)行的大量研究表明，在爆破沖擊荷載作用下，
圍巖彈性模量提高到原來的5倍，支護(hù)彈性模量分
別提高50％和25％，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。
隧道模型的前、后、左、右邊界以及隧道模型的
上頂面與下底面設(shè)置為無反射邊界。
表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)
Table 1 Computational parameters of surrounding
rock and supporting structure
3動力響應(yīng)分析結(jié)果
選取先行洞襯砌兩個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測：拱頂
與迎爆側(cè)邊墻，分別研究各方向振動速度(水平橫
向、水平軸向、豎向)、應(yīng)力狀態(tài)及能量時(shí)程。
3．1襯砌振動速度分布
3．1．1 迎爆側(cè)邊墻襯砌振速
通過三維動力有限元模擬，掏槽眼爆破引起先
行洞襯砌邊墻各方向振動速度峰值如表2所示。
表2先行洞襯砌邊墻振速峰值
Table 2 Peak particle velocity(PPV)of lining
at side wall facing blasting for existing tunnel
Cm·S
依據(jù)計(jì)算得到不同級別圍巖邊墻襯砌振速時(shí)
程曲線如圖2所示。由表2和圖2可以看出，水平
橫向(茗向)振速最大，水平軸向(y向)與豎向(z
向)振動速度峰值幾乎相同。右洞開挖爆破產(chǎn)生的
振動對先行洞襯砌迎爆側(cè)邊墻影響程度最大，此處
是爆破開挖最危險(xiǎn)的部位，最大振動達(dá)到15mm／s，
小于《爆破安全規(guī)程》GB6722--2003¨21安全允許標(biāo)
準(zhǔn)50mm／s。因此，左洞襯砌是安全的。
先行洞襯砌振動響應(yīng)是隨著爆破沖擊荷載時(shí)
程而變化，爆破荷載達(dá)到峰值時(shí)刻均<5p,s，可采用
微差爆破進(jìn)行控制，避免地震波的疊加效應(yīng)引起過
大的振動速度。
3．1．2拱頂襯砌振速
襯砌拱頂通常是易損傷部位，掏槽眼爆破過程
中，振動速度峰值及時(shí)程曲線如表3和圖3所示。
由表3和圖3可以看出，Ⅳ，V級圍巖先行洞拱
頂襯砌振動速度差別不大。隨著圍巖強(qiáng)度的變低，
振動速度峰值越大，但是總體較小，最大值
<3mm／s，遠(yuǎn)小于GB6722--2003安全允許標(biāo)準(zhǔn)
50mm／s，拱頂襯砌不會發(fā)生振動破壞或振裂。
萬方數(shù)據(jù)
104 施工技術(shù)第42卷
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圖2先行洞迎爆側(cè)邊墻襯砌振動時(shí)程曲線
Fig．2 Time·history curves of PPV of lining at side wall facing blasting for existing tunnel
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圖3先行洞拱頂振速時(shí)程曲線
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時(shí)間t／las
c：方向
Fig．3 Time-history curves of PPV of lining at vault for existing tunnel
表3先行洞襯砌拱頂振速峰值
Table 3 PPV of Hning at vault for
existing tunnel cm·s“
方向Ⅲ級圍巖Ⅳ級圍巖V級圍巖
水平橫向0．03 0．14 0．20
水平軸向0．03 0．21 0．27
豎直方向0．02 0．20 0．20
3．1．3迎爆側(cè)襯砌邊墻縱向振速空間分布
由上述分析，橫向最大振速發(fā)生的邊墻水平方
向，邊墻沿縱向振速峰值空間分布如表4、圖4
所刁≮o
表4迎爆側(cè)邊墻爆源前、后振速分布
Table 4 PPV of lining at side wall facing blasting
for existing tunnel along axis cm‘s
1
與邊墻距離／m
V級0．41 0．83 1．52 1．13 0．52 0．32 0·21
Ⅳ級0．20 0．43 0．84 0．57 0．32 0．17 0．13
注：“一”表示已開挖部分，“正數(shù)”表示掌子面前方為開挖部分
隨著遠(yuǎn)離爆源，先行洞襯砌迎爆側(cè)邊墻振速峰
值逐漸衰減，從表4、圖4可以看出，爆源前、后方先
行洞襯砌振速相差不大，前方稍大于后方。先行洞
襯砌在爆源前、后10m范圍內(nèi)振速變化顯著，減小
幅度達(dá)80％之多。因此，在修建過程中，該區(qū)域應(yīng)
該作為監(jiān)測的重點(diǎn)。
3．2襯砌應(yīng)力時(shí)程分析
先行洞襯砌拱頂、迎爆側(cè)邊墻應(yīng)力時(shí)程分布如
表5及圖5，6所示，圖中規(guī)定“拉正壓負(fù)”。
圖4先行洞襯砌迎爆側(cè)邊墻縱向速度峰值分布曲線
Fig．4 PPV of Hning at side wall facing blasting for
existing tunnel along tunnel route
表5先行洞襯砌應(yīng)力
Table 5 Stress of Hning for existing tunnel MPa
受力類型位置m級圍巖iv級圍巖v級圍巖
拉應(yīng)力曩羹。2：4375 。2：9368 21：7160 拱頂．
． ．
剪應(yīng)力羹霎21：6536 63：4194 83：9859 拱頂．
． ．
從圖5中可以看出，針對先行洞邊墻，V級圍巖
最大應(yīng)力值為1．16MPa，1V級圍巖邊墻最大應(yīng)力值
為0．93MPa，，Ⅲ級圍巖邊墻最大應(yīng)力值為
0．47MPa，總體來看，拉壓應(yīng)力非常小，遠(yuǎn)小于C25
混凝土抗拉極限強(qiáng)度(2．0MPa)，不會引起邊墻襯砌
拉伸破壞。而V級圍巖最大剪應(yīng)力達(dá)8．85MPa，邊
墻襯砌極易發(fā)生剪切破壞。
從圖6可以看出，針對拱頂而言，V級圍巖襯砌
最大拉應(yīng)力值為2．7MPa，>C25混凝土抗拉極限強(qiáng)
度2．OMPa，混凝土將拉伸破壞，拱頂襯砌極易出現(xiàn)
沿縱向拉伸裂紋。V級圍巖最大剪應(yīng)力為
一1s．Ⅲo一＼趟鍛需鞲
萬方數(shù)據(jù)
史鵬飛：小凈距地鐵隧道爆破動力特性與破壞模式研究
高山
主
-R
筐
趙
霎1：
雜6
器4
蠟,-K：
時(shí)間tILLs
a最小主應(yīng)力
圖5先行洞迎爆側(cè)襯砌邊墻受力特征時(shí)程曲線
Fig．5 Time·history curves of mechanical
characteristic of fining at side wall facing
blasting for existing tunnel
3
疊2
乏1
蠶。
輟l
一2
矗4
山
要3
R
通2
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斗<1
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一--II 級E I巖一Ⅳ級圍巖一V級圍巖
蠊飆‰^㈣
．yN” y。w硎踟Py＼』w y
5 10 15 20 25
時(shí)間∥鄴
a最小主應(yīng)力
0 5 10 5 2(J 25
時(shí)間f，us
b最大剪應(yīng)力
圖6先行洞拱頂襯砌受力特征時(shí)程曲線
Fig．6 Time-history curves of mechanical
characteristic of lining at vault for existing tunnel
3．99MPa，其值較小，拱頂襯砌不會發(fā)生剪切破壞。
3．3襯砌能量密度特征
物質(zhì)破壞是能量驅(qū)動下一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，隧
道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與襯砌儲存應(yīng)變能大小有直接關(guān)系。
追蹤單元能量過程，其主應(yīng)力空間巖體總能量可具
體表示為：
u：r盯。d占。+f5盯：d占：+r仃，dg， (1)
J 0 J 0 J 0
式中：U為主應(yīng)力在主應(yīng)變方向上做的總功，盯i(i=
1，2，3)為巖體3個(gè)主應(yīng)力，sj(i=1，2，3)為巖體3
個(gè)主應(yīng)變。
不同級別圍巖條件下，后行洞掏槽爆破開挖引
起的先行洞襯砌能量密度如表6所示。
表6先行洞襯砌能量密度
Table 6 Energy density of lining for existing tunnel
kJ．m一3
從表6可以看出，隨著圍巖強(qiáng)度變差，先行洞襯
砌能量密度越高，其中邊墻遠(yuǎn)大于拱頂；各級圍巖
引起的能量密度差異較大，呈倍數(shù)增長。先行洞邊
墻和拱頂襯砌能量密度分布時(shí)程曲線如圖7所示j
5 10 1 5 20 25
時(shí)間t／us
a邊墻
時(shí)間t／us
b拱頂
圖7先行洞襯砌能量時(shí)程曲線
Fig·7 Time-history curves of energy density of lining
從圖7a可以看出，邊墻的能量密度較大，在爆
破后25i山s范圍內(nèi)，能量沒有明顯減小，因此施工階
段，要確保先行洞迎爆側(cè)邊墻襯砌厚度和配筋率，
為爆破控制的關(guān)鍵部位。從圖7b可以看出，拱頂襯
砌在爆破開始的5斗s范圍內(nèi)襯砌的能量降低很快，
總體較小，不會造成損傷，施工時(shí)要保證配筋率，防
止拱頂襯砌發(fā)生拉伸破壞。
3．4現(xiàn)場測試
試驗(yàn)采用成都中科動態(tài)儀器的IDTS一3850爆破
測振儀，是一款在工程爆破中記錄分析爆破信號的
專用儀器。相鄰測點(diǎn)間距為2m，傳感器借助石膏粉
固定于邊墻上，測點(diǎn)布置如圖8所示。
測試得到的地震波如圖9所示，其最大爆破振
速對應(yīng)掏槽時(shí)刻，由于單臨空面，巖石對爆破約束
程度較大，重點(diǎn)控制掏槽眼起爆藥量。
青島市地鐵一期工程(3號線)清江路站一雙山
站區(qū)間屬于V級圍巖。對爆破面前、后方分別進(jìn)行
現(xiàn)場測試，各測點(diǎn)沿隧道襯砌振速測試結(jié)果如圖10
所示。
一rLu王一＼巡船唧澀
一0uJ．蘭＼魁靜蕊攔
萬方數(shù)據(jù)
106 施工技術(shù)第42卷
先行洞
——4m——2m Om 2m 4m 6m
- ● ● ● ● ● 燃m等乃乃7
圖8振動測試傳感器布置
Fig．8 Layout of monitoring points
，14
g 10
＼ )
器。
魁5
馨一10
騷一1 5
圖9先行洞襯砌典型波形實(shí)測
Fig．9 Typical curve of vibration wave
of existing tunnel lining
，
廿
三
2
測
磐
魁
瑙
幅
蜷
圖10先行洞村砌沿縱向振速峰值現(xiàn)場實(shí)測曲線
Fig．10 In situ PPV of lining for—existing tunnel along
tunnel route induced by blasting
對比圖10與圖4中V級圍巖先行洞襯砌振動
速度，可以看出現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬峰值分布規(guī)律
基本一致，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，先行洞襯
砌振速峰值在爆破面前方稍大于后方，lOre范圍內(nèi)
振速變化顯著。
4結(jié)語
采用三維動力有限元軟件LS—DYNA模擬不同
圍巖級別條件下爆破引起先行洞襯砌動力特性和
破壞模式，得到以下結(jié)論。
1)先行洞迎爆側(cè)襯砌水平橫向振速最大，是潛
在的危險(xiǎn)部位，最大振動達(dá)到15mm／s，小于
GB67722--2003中安全允許標(biāo)準(zhǔn)50mm／s。水平軸
向與豎向振動速度峰值幾乎相同，并且數(shù)值較小。
Ⅳ．V級圍巖先行洞拱頂襯砌振動速度差別不大，
但是總體較小，最大值<0．3cm／s，不會引起拱頂襯
砌的振動破壞。
2)先行洞襯砌振動響應(yīng)是隨著爆破沖擊荷載
時(shí)程而變化，爆破荷載達(dá)到峰值時(shí)刻均<5斗s，可采
用微差爆破進(jìn)行控制，避免地震波的疊加效應(yīng)引起
過大的振動速度。
3)先行洞襯砌迎爆側(cè)邊墻爆源前方振速峰值
稍大于后方。爆源前、后在lOm范圍內(nèi)振速變化顯
著，峰值減小幅度達(dá)80％之多，該范圍應(yīng)作為監(jiān)測
重點(diǎn)。
4)針對邊墻而言，最大拉應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C25混
凝土抗拉極限強(qiáng)度(2．OMPa)，不會引起襯砌拉伸破
壞；而剪應(yīng)力為V級圍巖最大剪應(yīng)力達(dá)8．85MPa，極
易發(fā)生剪切破壞。針對拱頂而言，最大拉應(yīng)力值為
2．70MPa，大于C25混凝土抗拉極限強(qiáng)度，混凝土將
發(fā)生拉伸破壞；最大剪應(yīng)力達(dá)3．99MPa，從數(shù)值上看
不會發(fā)生剪切破壞。
5)隨著圍巖強(qiáng)度的變差，先行洞襯砌能量密度
越高，其中邊墻遠(yuǎn)大于拱頂；各級圍巖引起的能量
密度呈倍數(shù)增長。邊墻的能量密度較大，在爆破后
25斗s范圍內(nèi)，能量沒有明顯減小，施工階段要確保
先行洞迎爆側(cè)邊墻厚度和配筋率，為爆破控制的關(guān)
鍵部位。拱頂爆破開始5斗s范圍內(nèi)襯砌的能量降低
很快，總體較小，不會造成損傷，施工時(shí)要保證配筋
率，防止先行洞拱頂襯砌發(fā)生受拉破壞。
參考文獻(xiàn)：
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