小净距隧道爆破振动影响分析及工程应用研究

小净距隧道爆破振动影响分析及工程应用研究摘要：小净距隧道是隧道和地下工程项目是一种在环境较为复杂的条件下进行施工的新型的隧道建筑模式，由于其是一种新技术，所以目前从设计到施工方法都不是很完善，还有许多的问题需要慢慢的进行研究和改善。

特别是采用爆破方法时，爆破震动的双洞会相互影响。

不管是影响第一个孔爆破洞对后面洞爆破施工的影响，还是第一次启动孔爆破同时得相互影响，如爆破振动控制不当，围岩和衬砌可能会受到一定的损害，导致安全隐患，危及建设和运营的安全。

研究小净距隧道爆破振动的主要问题是爆破荷载的量化问题，可以说目前对于这方面的研究方法和实践经验虽然是相对较多的，但是小净距隧道爆破振动具有一定的复杂性和瞬时性，所以对隧道爆破时间曲线的测定和计算爆破振动效应还有待进一步深入研究。

关键词：小净距隧道；爆破振动影响；分析；工程应用；研究1 前言随着我国经济的不断发展和城市化进程的加快，现有的道路交通远远不能满足日益增长的交通需求。

随着全国各城市交通的不断完善和交通网络需求的不断提高，交通网络建设的需求也在迅速增加，以满足城市之间的沟通。

在隧道施工过程中不可避免地会出现山体滑坡，尤其是在我国西南、西北部分山区，以及在山区隧道的施工，是作为交通线路不可缺少的重要组成部分。

在我国公路隧道建设初期，由于隧道数量相对较少，而且经济状况也不是很好，更重要的是我们还缺乏完善的隧道施工技术。

现在随着交通量的增加，中国隧道工程逐年增加。

与早期隧道施工相比，现代隧道掘进的选择越来越受到土地、环境等各种条件的制约。

特别是现代城市的各种管道、道路和其他建筑都很复杂。

为了考虑到邻近建筑的影响，线路规划变得越来越难。

因此，为了适应这种情况的需要，新隧道与隧道之间的距离往往越来越小，从而产生了新的隧道结构形式：小净距隧道。

由于其独特的优势和适应性，小净距隧道在高等级公路隧道施工中越来越受隧道设计者的欢迎。

2 小净距隧道爆破振动影响分析小净距隧道是一种新型的隧道结构，小净距隧道受到地形条件的影响不是很大，以及整体电路线路的影响，和拱隧道施工相比较，其工艺简单、容易进行防水处理，容易控制成本，使用的工程实例也越来越多。

目前在许多的交通运输道路的建设中，在选择小净距隧道施工方案上，目前使用较多的仍是传统的钻孔和爆破方法的施工，特别适合在一些山区的隧道建设中。

因为小净距隧道岩墙厚度小，隧道的爆破开挖后对所要开挖的隧道影响很大，所以我们要严格控制爆破振动对隧道的影响，这在施工过程中是相当重要的。

下文研究中通过平行设置小净距隧道，并通过大量的2 d和3 d数值模拟，分析了不同围岩和不同区间，不同深度条件下的小净距隧道爆破振动响应特征，研究第一隧道岩墙在不同的支持系统和强化措施的不同施工方案下，对洞穴围岩爆破振动和结构的影响，提出了相关的控制措施，对小净距隧道爆破开挖设计和施工进行参考。

3 数值计算模型的建立该计算是由大型通用有限元程序ANSYS进行的。

在截断边界条件下，计算的主要目的是研究隧道爆破开挖对第一条隧道及围岩的影响，这主要与地震的峰值效应有关。

通过不同的边界计算，当边界达到一定距离时，两个隧道之间的净距离较小，不计算边界的反射效应，从而达到隧道周围地震效应的峰值效应。

所以通过对结果进行计算分析，发现边界效应的影响可以通过扩展边界范围来减小。

在左、右、下边界，隧道开挖直径为3～4倍，上界不受限，隧道纵向为50m。

在二维计算中，围岩采用4节点实体单元，螺栓单元采用平面杆单元，初始支护采用梁单元模拟。

在三维计算中，围岩采用20节点实体单元，螺栓采用空间杆单元，在初始支护中采用壳元仿真。

采用壁面注浆加固方法，提高了围岩参数的模拟效果。

3.1 计算参数的选取根据理论分析，在隧道开挖附近的一个小区域内，震波迅速衰减为地震波。

在实际工程施工中，经常采用光面爆破、预裂爆破等爆破措施，减小爆破冲击波对围岩的压力。

因此，该计算假定隧道围岩在弹性范围内，在隧道开挖爆破荷载作用下，假定材料为线性弹性。

众所周知，动态和静态特性是有区别的，根据相关研究，岩石的破坏形式和应变速率小于103 / s，假设静态和动态使用相同的方程式，因此，仍然采用材料的静态指标计算。

3.2 加载区域及爆破荷载根据爆破振动理论分析，将爆破荷载简化为具有线性升序和降压断面的三角形荷载，并假定其作用在隧道开挖的边界层上。

利用该公式可以计算出荷载上升段和下降段的作用时间。

根据大量实际经验，本计算采用0.012s，在下降周期结束时取0.112s。

为了了解爆破荷载后颗粒的响应，计算总持续时间为0.5秒。

3.3 计算分析依据现在爆破振动控制的标准不统一，但通常倾向于最大粒子振动速度作为控制标准，同时，考虑到岩体抗拉能力较差，因此，研究粒子振动速度下产生的岩体爆破加载和讨论与加拉应力作为研究重点。

4 数值计算方案由于大量的三维计算单元使计算工作量很大，不适合进行大量的计算。

虽然只是当地短隧道爆破开挖爆破荷载，并不是一个平面应变问题，数值计算结果的绝对规模是没有意义的，然而，二维平面数值计算模拟爆破开挖，讨论了基本的规律，指导三维数值计算，对减少三维数值模拟计算工作量仍有现实意义。

在本研究中，采用二维数值模拟分析了不同围岩水平、隧道埋深和隧道净距对小净距隧道爆破振动响应的影响。

研究了不同加固措施和不同爆破开挖方法对隧道爆破振动的影响。

然后，在二维数值模拟结果的基础上，对数值模拟结果进行了分析。

在分析二维数值计算的基础上，分析了不同围岩水平、隧道深度和隧道间距对小净距隧道的影响。

后洞采用了不同开挖方式的影响，以及不同支撑体系的影响和中岩壁的加固措施。

在三维数值计算分析中，着重分析了二维数值计算法的可靠性，比如支持的时机问题、爆破初期支护的作用和二次衬里铸造的时机；还研究了相邻隧道爆破震动的纵向距离，并探讨了两个隧道之间的合理距离。

探讨了后洞爆破开挖引起的振动峰速度与峰值应力之间的关系5 二维数值计算结果及分析5.1 围岩级别、埋深及净距的影响性分析为了分析小净距隧道埋深和净距，以及岩体爆破振动响应的影响，对小净距隧道在无支撑的情况下，首先假定左边的洞先修，然后右边的洞后修，最高放置的药量是45公斤，通过计算发现可以影响的隧道开挖荷载为1.7 MPa。

考虑到最不利的情况，第一个洞不受支撑，中间的岩壁没有得到加固，后边的洞被充分挖掘，从实验结果中可以看出，随着埋藏深度的增加，峰值速度增加，但深度达到一定值，趋于稳定。

随着埋深的增加，埋入深度的增加大于净距离，随埋深的增加而减小。

当掩埋深度大于3D时，深度撞击将会更小。

分析主要原因是当埋深小于净距时，埋藏深度方向比地面条件更好，因此，当埋深大于岩墙方向的净距离时受地面条件影响最大，然后随着埋藏深度的增加，围岩额外的压力似乎有减少现象，当埋深达到在一定程度上，夹制作用不再明显增加。

通过类比分析，可以得出结论：为了减小爆破震动的影响，小净距隧道开挖不应大于中岩壁厚。

为安全起见，建议开挖小型净距隧道爆破，不应大于中岩壁厚度的1/3，减小爆破震动对中岩壁的影响。

通过分析建立了在围岩巷道内的峰值速度与加拉应力峰值之间的典型关系曲线，并建立了巷道围岩的净距离。

从图中可以看出，两个隧道之间的净距离越小，爆破振动越强。

当净距离小于3m时，随着净距离的减小，振动速度和应力迅速增加。

当净距离大于12m时，随着净距离的减小，增加速度较慢。

因此，两个隧道之间的净距离不应小于3m。

同时，对于不同净距离的小净距隧道，爆破设计参数、施工措施和控制措施应有所不同。

从实验结果可以看出，围岩水平越高，峰值速度越小，对峰值粘附应力影响不大。

考虑到围岩的抗拉强度低，围岩相对破碎。

因此，围岩水平越低，爆破振动的影响就越明显。

为了减小爆破震动的影响，建议采用机械和弱爆破的方法进行低品位围岩的开挖。

对于高级别围岩，应采用爆破开挖，严格控制爆破进尺和最大剂量。

5.2 后行隧道不同爆破开挖方式的影响分析分析小净隧道所使用的不同的爆破开挖方法，研究了其对先行隧道的影响，在前面分析的基础上，针对Ⅳ级围岩，埋深30米，间隔6米，爆破的最大峰值负载1.7 MPa，分别计算全断面开挖后洞，开挖步骤上下，左右侧左边和右边左边和右边第一个四种典型隧道爆破开挖后的方法。

对不同开挖方式下隧道的最大速度和最大粘附力进行了比较。

从上面可以看出，降低台阶的方法对降低爆破震动有很大的影响。

对于侧墙导轨方法，由于在数值模拟计算中没有考虑到对爆破振动的影响，计算结果不太好。

但是考虑到第一次开挖岩墙的一边，使切割爆破岩墙，同时依赖于岩墙的一侧的后续爆破增加了临空面，从理论分析表明，可以减少爆破振动。

因此，从降低爆破振动的影响角度出发，从岩壁一侧开挖是可取的。

5.3 先行隧道不同支护体系状态及中岩墙加固措施的影响分析先分析隧道支护系统与不同的地位和岩墙加固措施对爆破振动的影响，在前面分析的基础上，针对Ⅳ级围岩，埋深30米，间隔6米，爆破的最大峰值负载1.7 MPa，假定洞使用向上和向下开挖后的步骤方法。

在不同的支护条件下，对隧道中隧道开挖的最大速度和最大粘附力进行了比较。

从以上可以看出：（1）初始支护的及时跟进和关闭对降低爆破震动的影响有很大的影响；（2）注浆加固中的岩壁，可以改善围岩参数，可以显著降低爆破振动速度，而围岩应力随威廉加拉的增大而增大，此时围岩的抗拉强度有所改善；（3）采用锚杆加固或预应力锚杆加固在中部岩壁，不明显降低爆破震动效果；（4）对于二次衬砌的使用，其可以降低爆破振动速度，但其预应力明显增大，混凝土材料的抗拉强度较差，易出现裂缝和剥落，影响使用和长期安全。

因此，为了减小小净距隧道爆破震动的影响，应及时跟踪和关闭隧道的初始支护。

建议采用注浆加固，提高围岩的性能。

二次衬里的时机不应过早。

6 结语通过上面的分析，我们可以得到以下重要结论，可以用来指导小净距隧道爆破设计和施工：（1）先行隧道初期支护及时关闭，可以减少爆破振动效应是非常明显的，因此，在隧道的初期支护应该及时关闭，应该在开始后的先行隧道支护完成后通过。

二次衬砌的浇注应不受后排爆破振动的影响，即在开挖的表面上小于2B，以减小爆破振动对二次衬砌的影响。

（2）在围岩的性能、爆破震动效果等方面进行严格控制。

在围岩的性能上，注浆可以较好地进行裂缝和较低水平的围岩注浆加固。

（3）从减轻爆破开挖的岩墙影响，适当的优先选择用上下台阶法开挖，如采用侧壁导坑开挖方法，适当的挖掘远离岩墙的一边，这样可以为后续的爆破增加临空面。

以上总结的实验结果希望可以为日后相似的工程应用研究提供一定的参考依据。

参考文献：[1]谭忠盛，杨小林，王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2003，（2）：281－285.[2]王明年，李志业，关宝树，等.3孔小间距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术研究[J].岩土力学，2002，（12）：821－824.[3]王暖堂，陈瑞阳.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法施工技术[J].岩土力学，2002，23（2）：208－212.。