1、第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 12;修回日期:2021 12 02基金项目:国家自然科学基金项目(41807265)作者简介:王永伟(1988 )，男，甘肃庆城人，工程师，从事现场施工技术管理工作。E-mail:1107517750 qq comdoi:10 11988/ckyyb 202108312023，40(1):165 170西双版纳隧道爆破开挖动力学特征及损伤效应王永伟，李冠中(中交第二
2、航务工程局有限公司 第五工程分公司，武汉430012)摘要:为了研究高地应力作用下软岩隧道的围岩稳定性，以实际工程案例为背景，并采用有限元数值模拟软件ANSYS/LSDYNA 和实际监测数据结果，分析了隧道爆破近区距掌子面不同距离处，隧道轮廓面的振动速度分布规律，并结合现场声波测试数据，研究了不同爆破次数作用下，围岩深部不同位置的爆破损伤效应。研究结果表明:在隧道爆破近区，隧道内质点的垂直方向振动速度峰值大于隧道径向方向振动速度峰值大于隧道轴向方向振动速度峰值，并且在隧道质点垂直方向，隧道底板和隧道边墙的振动速度较大，而隧道顶部的振动速度次之，隧道拱肩和拱脚处最小;隧道合振动速度峰值出现在隧道
3、未开挖区，同时隧道未开挖区的质点振动速度衰减较慢;随着爆破次数的增加，围岩不同深度处的声波速度呈逐渐衰减的变化趋势，但爆破振动对于围岩损伤范围有限。关键词:围岩稳定性;爆破振动;数值模拟;声波速度;损伤效应中图分类号:TU92文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0165 06开放科学(资源服务)标识码(OSID):Dynamic Mechanical Characteristics and Damage Effects of TunnelBlasting Excavation in XishuangbannaWANG Yong-wei，LI Guan-zhong(The
4、 Fifth Engineering Branch，CCCC Second Harbor Engineering Co，Ltd，Wuhan430012，China)Abstract:The aim of this study is to investigate the sorrounding rock stability of soft rock tunnel under highgeostress The vibration velocity of rock mass near blasting at different distances from the blast face was a
5、nalyzed byusing numerical simulation software ANSYS/LSDYNA and field monitoring data Meanwhile，the blasting damageeffect on surrounding rock under different number of blastings was studied esults demonstrated:(1)In the areanear blasting，the peak vibration velocity of particles in the tunnel was larg
6、er in vertical direction than that in radialdirection and axial direction sequently The vibration velocity in vertical direction in the bottom and sidewall of tun-nel were larger than that in tunnel crest，and far more greater than those in arch shoulder and arch foot(2)Thepeak joint vibration veloci
7、ty was found in the unexcavated area of the tunnel，and the vibration velocity of particlesin the unexcavated area of the tunnel decayed more slowly(3)With the increase in the number of blasting，the a-coustic velocity at different depths of the surrounding rock showed a trend of gradual decay;but the
8、 blasting vibra-tion had a limited damage to the surrounding rock in terms of damage rangeKey words:surrounding rock safety;blast vibration;numerical simulation;acoustic velocity;damage effect1研究背景随着中国基础建设和“一带一路”等政策的不断实施，铁路隧道的施工不断增加，长大隧道、软岩深埋隧道等屡见不鲜。隧道的施工开挖方式必将影响隧道围岩的安全稳定性 1 2，而当隧道穿越高地应力的软岩区域时，如何控制爆
9、破振动对于隧道自身结构以及已有衬砌的扰动损伤至关重要 3 4，因此研究软岩隧道围岩的稳定性评价具有重要的理论应用价值。长江科学院院报2023 年目前国内外研究学者多采用数值模拟、理论分析、工程实测等综合方法对隧道围岩的稳定性进行了不同层次和角度的研究5 6。吉凌等7 采用有限元法研究了不同掏槽方式影响下大断面隧道的振动响应，得到的优化掏槽方式对于现场施工进程和施工成本有较好的控制。而围岩级别的降低和地应力的逐渐提高，使得隧道的掏槽方式对于围岩稳定性的影响逐渐降低，而开挖方式和支护技术的选择逐渐成为影响隧道安全稳定的另一关键因素8。另一方面，隧道稳定性的评价手段也对隧道开挖方式的优化选择存在重大
10、影响9。赵桂林等10 采用隧道内质点的最大振动速度作为隧道稳定性评价的重要指标，然而针对隧道内质点爆破振动速度作为隧道安全性的评价指标，许多学者又将爆破振动速度分为幅值、频率、波长三方面进行研究，然后基于傅里叶变换原理和应力波基础等理论，建立了能够反映隧道安全稳定性的评价指标。目前这些关于考虑了质点振动速度阈值的评价指标主要有以下 3 种:基于希尔伯特 黄变换(Hilbert-Huang)等理论，研究了隧道内监测点处的振动频率与衬砌结构自身频率之间的对应关系，并基于频率建立了相关隧道控制标准11 12;基于应力波理论中的一维弹塑性应力波在一维节理中的传播建立的应力 振速对应关系曲线，并结合岩石
11、屈服准则建立的应力控制标准13;基于规范和标准建立频率、埋深、地形等对应的隧道安全振动速度控制标准14 15，建立的隧道安全稳定性控制标准具有考虑振动波的参数特征、简单易用的优点。其中李小贝16 结合实际工程案例，研究了隧道不同位置处振动速度对于隧道围岩稳定性的影响，但是仅考虑了隧道衬砌表面的安全稳定性，而未考虑距离掌子面更近的围岩内部的损伤情况。杨小林等17 结合现场实际振动速度峰值在不同爆破振动次数作用下，萨道夫斯基的拟合系数的变化来研究爆破累积损伤对于围岩结构的影响，但其研究手段过于单一，研究隧道近区累积损伤缺少岩体内部声波现场测试的结果，同时其仅采用现场实测数据，未增加数值模拟等手段进
12、行综合研究。李红泽18 以实际工程案例为背景，对振动速度的压力公式进行修正，但是主要研究了衬砌结构的影响，忽略了掌子面近区围岩的损伤。本文基于实际工程案例，结合数值模拟和现场实测数据，引入隧道损伤深度概念，研究了隧道不同轴向和环向位置处围岩的振动响应特征，并分析了爆破振动荷载作用下隧道围岩的损伤范围，对围岩爆破振动控制进行研究，为类似工程提供参考。2工程背景本工程位于云南省西双版纳傣族自治州野象谷站西双版纳站区间，为玉溪至磨憨铁路工程的一部分。左右线间距为42 5083 m。工程北接昆玉铁路的玉溪站，南止于勐腊边境磨憨口岸，止点里程为DK358+730，全长 10 680 m。西双版纳隧道采用
13、矿山法施工。隧道建筑界限为147 m(宽)143 m(高)，隧道埋深 340 m，隧道内路面横坡 15%+15%，路面标高242 258 m。围岩级别为级，采用全断面法施工。采用的爆破参数为:雷管分段为1 17 段，共10 响;最大一响药量35 kg。炮孔布置如图1 所示。图 1西双版纳隧道炮孔布置Fig1Layout of blast holes in a tunnel of Xishuangbanna模拟条件的参数选取直接影响模拟结果，根据西双版纳隧道工程地质勘察结果，在岩体力学室内试验的基础上，选用作为模拟隧道一般条件下的围岩结构的物理力学参数，如表 1 所示。表 1数值模型相关计算参数
14、Table 1Calculation parameters for numerical model岩体密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦角/()抗拉强度/MPa体积模量/GPa剪切模量/GPa安山岩2 5006102 0223804339254图 2数值模拟爆破三角形荷载Fig2Triangle blast load innumerical simulation3数值模拟31掏槽孔边缘等效的压力荷载本文采用三角形荷载垂直施加至数值模型掏槽孔等效弹性 边 界，也 就 是炮孔 粉 碎 区 边 缘，如图 2所示，并根据经验公式 即 式(1)可 以 计 算 出 应 力峰值19。
15、661第 1 期王永伟 等西双版纳隧道爆破开挖动力学特征及损伤效应P0=0D22(+1)dcd()b2。(1)式中:P0为爆轰平均压力;0为炸药密度，0=1 200kg/m3;D 为爆轰速度，D=4 100 m/s;为等熵指数 20，=3;dc为药卷直径，dc=32 mm;db为炮孔直径，db=42 mm。等效到炮孔粉碎区边缘的爆炸荷载Pbe为 19 Pbe=kP0rbr()c2+1rcr()f21。(2)式中:k 与掏槽的个数以及爆破的参数有关20，k=10;rb为炮孔半径;rc为粉碎区半径;rf为破裂区半径，参考文献 21 22 可知，rc=3rb，rf=10rb;为岩石泊松比。其中荷载上
16、升时间为 1 ms，正压时间为 7 ms20。32数值计算模型采用动力有限元计算软件 ANSYS/LSDYNA，结合实际工程背景和圣维南原理，选择西双版纳隧道轮廓线3 5 倍洞径作为数值模型计算的塑性变形边界，故计算模型尺寸为100 m 100 m 90 m(x y z)，采用 SOLID164 单元来划分网格，并选取整体模型除上部自由表面外的所有面为无反射边界。如图3所示。选取现场实测隧道掌子面前方 50 m 的5 个监测点的振动速度峰值与数值模型内得到的振动速度峰值进行分析，测试结果如表 2 所示，同时图 4(a)展示了 x、y、z 方向振动速度峰值对比，图4(b)展示了与爆心直线距离为 50 m 时，1#监测点 y 方向的振动速度时程曲线现场实测数据与数值模拟数据的对比。图 3数值模型示意图Fig3Schematic diagram of the numerical model表 2现场实测数据与数值模拟对比Table 2Comparison between field measured data and numerical simulation点号与爆心直线距离/mx 方向振速
