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小净距地铁隧道爆破动力特性与破坏模式研究

文档作者：史鹏飞文档来源：中铁十八局集团第一工程有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月08日
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施工技术2013年4月上
!!!一竺竺NSTRucTIoN TECHNOLOGY 22222232222222=========================== 第42卷 第7期 竺兰竺：至
DOI：10．7672／s舒s2叭3070102
小净距地铁隧道爆破动力特性与破坏模式研究
史鹏飞
(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州072750)
【摘要]小净距地铁隧道爆破极易引起先行洞衬砌开裂、剥落现象，具有很大施工风险。以在建青岛地铁小净距隧
道为例，建立三维有限元动力模型，研究先行洞衬砌振动速度、应力状态以及能量时程。后行洞爆破对先行洞衬砌
迎爆侧边墙影响最大，最大振速达到15mm／s。振速蜂值时刻均<5ps，可采用微差爆破控制地震波叠加效应，避免
过大振动破坏。先行洞衬砌迎爆侧边墙衬砌混凝土主要呈振动破坏和剪切破坏；拱顶主要为横向拉伸破坏，易出
现纵向拉伸裂纹，先行洞衬砌边墙能量密度远大于拱顶。
[关键词]隧道工程；爆破；振速；能量特性；破坏模式
[中图分类号]TU74；U455．6 [文献标识码]A
在施工时，应确保迎爆侧边墙厚度和配筋率。
【文章编号]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
由于城市特殊地形条件，采用小净距隧道可以
不受地形条件以及总体线路线型的限制，同时小净
距隧道穿越各种工程地质，得到了广泛的应用’1。3 J。
然而后行洞爆破产生的动荷载，极易导致先行洞衬
砌开裂、剥落等危及结构整体稳定性和行车安全等
问题‘4⋯。
当今对此方面的研究缺乏系统理论支持，使隧
道施工面对此类情况时表现出很大的随意性甚至
盲目性，使得实际工程常常表现出两种极端现象：
[作者简介]史鹏飞，工程师，E-mail：shipen毋imail@163．CO／i't
[收稿日期]2012．08_05
一是对先行洞进行盲目的爆破，药量过小而无法得
到预期进度，造成不必要浪费和施工困难；另一种
采用过大的药量爆破，对相邻隧道造成破坏或损
坏，给后期的运营带来工程隐患。现行相关规范对
小净距隧道修建只是原则性规定，有学者研究了爆
破对围岩松动圈的影响；也有学者研究了小净距爆
破对运营既有隧道结构振动的影响，或加固中夹岩
柱对爆破的减弱效应∽‘11I。而研究先行洞衬砌振动
各向异性及破坏模式等方面并不多。目前学者对
小净距隧道研究主要集中在平面数值模拟和经验
工程等方面，而对三维爆破引起先行洞衬砌动力特
万方数据
2013 No．7 史鹏飞：小净距地铁隧道爆破动力特性与破坏模式研究103
性与破坏模式研究较少。本文结合青岛市地铁小
净距隧道，研究围岩级别对爆破动力效应的影响。
1工程概况
青岛市地铁一期工程(3号线)清江路站一双山
站区间，沿线多为双山拆迁空地及商铺。左线设计
里程为K12+520．019一K13+481．347，区间总长
961．328m；右线设计里程为K12+520．019一K13+
489．796，区间总长969．777m，区间均采用矿山法施
工。本工作区内强风化带埋深最大可达19m，基岩
强风化层最大厚度近18m。根据本区间的基岩裂隙
水文孔抽水试验，强、中风化岩层属弱透水层。地
下水在基岩中的赋存量较小，径流条件也差，透水
性弱，最小间距6m。
2计算模型与计算参数
2．1三维计算模型
通过LS．DYNA软件模拟小净距隧道的爆破响
应，选取Solidl64三维实体单元构成整个模型，横断
面方向为200m，隧道中心到底部边界选取45m，上
边界取值地表，隧道间距6m，埋深19m，共有6 157
个节点，6 312个单元，三维整体模型如图l所示，隧
道跨度12．8m，高宦10．3Ill
图l 三维计算模型
Fig．1 Three-dimensional computational model
2．2计算参数
由于采用分段微差爆破，后行洞掏槽爆破时刻
对先行洞衬砌振动影响最大。因此，只分析掏槽眼
爆破产生的动力特性及破坏模式。根据地质勘察
报告和隧道设计规范，计算分别采用Ⅲ，Ⅳ，V级围
岩，爆破进尺为1m，钻头直径42ram，掏槽眼4孔同
时爆破，每卷药量0．2kg，单次掏槽眼爆破炸药总用
量4．0kg左右。根据工程设计资料及相关文献，围
岩介质采用弹塑性模型；初期支护及二次衬砌混凝
土采用JHC材料模型。国内外学者对介质受力性
能进行的大量研究表明，在爆破冲击荷载作用下，
围岩弹性模量提高到原来的5倍，支护弹性模量分
别提高50％和25％，具体计算参数如表1所示。
隧道模型的前、后、左、右边界以及隧道模型的
上顶面与下底面设置为无反射边界。
表1 围岩及支护结构计算参数
Table 1 Computational parameters of surrounding
rock and supporting structure
3动力响应分析结果
选取先行洞衬砌两个关键部位进行监测：拱顶
与迎爆侧边墙，分别研究各方向振动速度(水平横
向、水平轴向、竖向)、应力状态及能量时程。
3．1衬砌振动速度分布
3．1．1 迎爆侧边墙衬砌振速
通过三维动力有限元模拟，掏槽眼爆破引起先
行洞衬砌边墙各方向振动速度峰值如表2所示。
表2先行洞衬砌边墙振速峰值
Table 2 Peak particle velocity(PPV)of lining
at side wall facing blasting for existing tunnel
Cm·S
依据计算得到不同级别围岩边墙衬砌振速时
程曲线如图2所示。由表2和图2可以看出，水平
横向(茗向)振速最大，水平轴向(y向)与竖向(z
向)振动速度峰值几乎相同。右洞开挖爆破产生的
振动对先行洞衬砌迎爆侧边墙影响程度最大，此处
是爆破开挖最危险的部位，最大振动达到15mm／s，
小于《爆破安全规程》GB6722--2003¨21安全允许标
准50mm／s。因此，左洞衬砌是安全的。
先行洞衬砌振动响应是随着爆破冲击荷载时
程而变化，爆破荷载达到峰值时刻均<5p,s，可采用
微差爆破进行控制，避免地震波的叠加效应引起过
大的振动速度。
3．1．2拱顶衬砌振速
衬砌拱顶通常是易损伤部位，掏槽眼爆破过程
中，振动速度峰值及时程曲线如表3和图3所示。
由表3和图3可以看出，Ⅳ，V级围岩先行洞拱
顶衬砌振动速度差别不大。随着围岩强度的变低，
振动速度峰值越大，但是总体较小，最大值
<3mm／s，远小于GB6722--2003安全允许标准
50mm／s，拱顶衬砌不会发生振动破坏或振裂。
万方数据
104 施工技术第42卷
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图2先行洞迎爆侧边墙衬砌振动时程曲线
Fig．2 Time·history curves of PPV of lining at side wall facing blasting for existing tunnel
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图3先行洞拱顶振速时程曲线
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Fig．3 Time-history curves of PPV of lining at vault for existing tunnel
表3先行洞衬砌拱顶振速峰值
Table 3 PPV of Hning at vault for
existing tunnel cm·s“
方向Ⅲ级围岩Ⅳ级围岩V级围岩
水平横向0．03 0．14 0．20
水平轴向0．03 0．21 0．27
竖直方向0．02 0．20 0．20
3．1．3迎爆侧衬砌边墙纵向振速空间分布
由上述分析，横向最大振速发生的边墙水平方
向，边墙沿纵向振速峰值空间分布如表4、图4
所刁≮o
表4迎爆侧边墙爆源前、后振速分布
Table 4 PPV of lining at side wall facing blasting
for existing tunnel along axis cm‘s
1
与边墙距离／m
V级0．41 0．83 1．52 1．13 0．52 0．32 0·21
Ⅳ级0．20 0．43 0．84 0．57 0．32 0．17 0．13
注：“一”表示已开挖部分，“正数”表示掌子面前方为开挖部分
随着远离爆源，先行洞衬砌迎爆侧边墙振速峰
值逐渐衰减，从表4、图4可以看出，爆源前、后方先
行洞衬砌振速相差不大，前方稍大于后方。先行洞
衬砌在爆源前、后10m范围内振速变化显著，减小
幅度达80％之多。因此，在修建过程中，该区域应
该作为监测的重点。
3．2衬砌应力时程分析
先行洞衬砌拱顶、迎爆侧边墙应力时程分布如
表5及图5，6所示，图中规定“拉正压负”。
图4先行洞衬砌迎爆侧边墙纵向速度峰值分布曲线
Fig．4 PPV of Hning at side wall facing blasting for
existing tunnel along tunnel route
表5先行洞衬砌应力
Table 5 Stress of Hning for existing tunnel MPa
受力类型位置m级围岩iv级围岩v级围岩
拉应力曩羹。2：4375 。2：9368 21：7160 拱顶．
． ．
剪应力羹霎21：6536 63：4194 83：9859 拱顶．
． ．
从图5中可以看出，针对先行洞边墙，V级围岩
最大应力值为1．16MPa，1V级围岩边墙最大应力值
为0．93MPa，，Ⅲ级围岩边墙最大应力值为
0．47MPa，总体来看，拉压应力非常小，远小于C25
混凝土抗拉极限强度(2．0MPa)，不会引起边墙衬砌
拉伸破坏。而V级围岩最大剪应力达8．85MPa，边
墙衬砌极易发生剪切破坏。
从图6可以看出，针对拱顶而言，V级围岩衬砌
最大拉应力值为2．7MPa，>C25混凝土抗拉极限强
度2．OMPa，混凝土将拉伸破坏，拱顶衬砌极易出现
沿纵向拉伸裂纹。V级围岩最大剪应力为
一1s．Ⅲo一＼趟锻需鞲
万方数据
史鹏飞：小净距地铁隧道爆破动力特性与破坏模式研究
高山
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蜡,-K：
时间tILLs
a最小主应力
图5先行洞迎爆侧衬砌边墙受力特征时程曲线
Fig．5 Time·history curves of mechanical
characteristic of fining at side wall facing
blasting for existing tunnel
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时间∥邺
a最小主应力
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时间f，us
b最大剪应力
图6先行洞拱顶衬砌受力特征时程曲线
Fig．6 Time-history curves of mechanical
characteristic of lining at vault for existing tunnel
3．99MPa，其值较小，拱顶衬砌不会发生剪切破坏。
3．3衬砌能量密度特征
物质破坏是能量驱动下一种状态失稳现象，隧
道结构稳定性与衬砌储存应变能大小有直接关系。
追踪单元能量过程，其主应力空间岩体总能量可具
体表示为：
u：r盯。d占。+f5盯：d占：+r仃，dg， (1)
J 0 J 0 J 0
式中：U为主应力在主应变方向上做的总功，盯i(i=
1，2，3)为岩体3个主应力，sj(i=1，2，3)为岩体3
个主应变。
不同级别围岩条件下，后行洞掏槽爆破开挖引
起的先行洞衬砌能量密度如表6所示。
表6先行洞衬砌能量密度
Table 6 Energy density of lining for existing tunnel
kJ．m一3
从表6可以看出，随着围岩强度变差，先行洞衬
砌能量密度越高，其中边墙远大于拱顶；各级围岩
引起的能量密度差异较大，呈倍数增长。先行洞边
墙和拱顶衬砌能量密度分布时程曲线如图7所示j
5 10 1 5 20 25
时间t／us
a边墙
时间t／us
b拱顶
图7先行洞衬砌能量时程曲线
Fig·7 Time-history curves of energy density of lining
从图7a可以看出，边墙的能量密度较大，在爆
破后25i山s范围内，能量没有明显减小，因此施工阶
段，要确保先行洞迎爆侧边墙衬砌厚度和配筋率，
为爆破控制的关键部位。从图7b可以看出，拱顶衬
砌在爆破开始的5斗s范围内衬砌的能量降低很快，
总体较小，不会造成损伤，施工时要保证配筋率，防
止拱顶衬砌发生拉伸破坏。
3．4现场测试
试验采用成都中科动态仪器的IDTS一3850爆破
测振仪，是一款在工程爆破中记录分析爆破信号的
专用仪器。相邻测点间距为2m，传感器借助石膏粉
固定于边墙上，测点布置如图8所示。
测试得到的地震波如图9所示，其最大爆破振
速对应掏槽时刻，由于单临空面，岩石对爆破约束
程度较大，重点控制掏槽眼起爆药量。
青岛市地铁一期工程(3号线)清江路站一双山
站区间属于V级围岩。对爆破面前、后方分别进行
现场测试，各测点沿隧道衬砌振速测试结果如图10
所示。
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万方数据
106 施工技术第42卷
先行洞
——4m——2m Om 2m 4m 6m
- ● ● ● ● ● 燃m等乃乃7
图8振动测试传感器布置
Fig．8 Layout of monitoring points
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图9先行洞衬砌典型波形实测
Fig．9 Typical curve of vibration wave
of existing tunnel lining
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磐
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幅
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图10先行洞村砌沿纵向振速峰值现场实测曲线
Fig．10 In situ PPV of lining for—existing tunnel along
tunnel route induced by blasting
对比图10与图4中V级围岩先行洞衬砌振动
速度，可以看出现场测试与数值模拟峰值分布规律
基本一致，从而验证数值模拟的正确性，先行洞衬
砌振速峰值在爆破面前方稍大于后方，lOre范围内
振速变化显著。
4结语
采用三维动力有限元软件LS—DYNA模拟不同
围岩级别条件下爆破引起先行洞衬砌动力特性和
破坏模式，得到以下结论。
1)先行洞迎爆侧衬砌水平横向振速最大，是潜
在的危险部位，最大振动达到15mm／s，小于
GB67722--2003中安全允许标准50mm／s。水平轴
向与竖向振动速度峰值几乎相同，并且数值较小。
Ⅳ．V级围岩先行洞拱顶衬砌振动速度差别不大，
但是总体较小，最大值<0．3cm／s，不会引起拱顶衬
砌的振动破坏。
2)先行洞衬砌振动响应是随着爆破冲击荷载
时程而变化，爆破荷载达到峰值时刻均<5斗s，可采
用微差爆破进行控制，避免地震波的叠加效应引起
过大的振动速度。
3)先行洞衬砌迎爆侧边墙爆源前方振速峰值
稍大于后方。爆源前、后在lOm范围内振速变化显
著，峰值减小幅度达80％之多，该范围应作为监测
重点。
4)针对边墙而言，最大拉应力值远小于C25混
凝土抗拉极限强度(2．OMPa)，不会引起衬砌拉伸破
坏；而剪应力为V级围岩最大剪应力达8．85MPa，极
易发生剪切破坏。针对拱顶而言，最大拉应力值为
2．70MPa，大于C25混凝土抗拉极限强度，混凝土将
发生拉伸破坏；最大剪应力达3．99MPa，从数值上看
不会发生剪切破坏。
5)随着围岩强度的变差，先行洞衬砌能量密度
越高，其中边墙远大于拱顶；各级围岩引起的能量
密度呈倍数增长。边墙的能量密度较大，在爆破后
25斗s范围内，能量没有明显减小，施工阶段要确保
先行洞迎爆侧边墙厚度和配筋率，为爆破控制的关
键部位。拱顶爆破开始5斗s范围内衬砌的能量降低
很快，总体较小，不会造成损伤，施工时要保证配筋
率，防止先行洞拱顶衬砌发生受拉破坏。
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