横洞爆破振动对隧道漏水点稳定性影响研究

黄宏阳　李婷婷　王汉武　李静希

摘要：为预防及减轻隧道涌突水灾害造成的人员伤亡、设备损坏等安全事故影响，以G42沪蓉高速峡口隧道爆破开挖施工过程为背景，采用 ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟峡口隧道内有漏水点情况下邻近施工横洞爆破震动响应规律，并结合现场实测数据验证了模型的可靠性。结果表明：① 采用全断面爆破掘进方案对隧道机械+爆破施工法抢险效率低问题的优化具有良好效果；② 炮孔周围岩石最大破碎范围在工程允许范围内，类似规模的正常爆破施工不会对隧道安全性造成影响；③ 横洞爆破对既有隧道岩石的水平径向振动速度占主导地位，可以用水平振速峰值表征结构最大振动特性；④ 优化分析提出的全断面爆破掘进方案具有可行性，爆破施工对漏水点的安全振动速度判断依据为8.04 cm/s。

关键词：隧道涌突水； ANSYS/LS-DYNA； 爆破； 动力响应

中图法分类号：U45文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.015

文章编号：1006-0081（2024）04-0094-07

0 引 言

近年来，由于隧道涌突水灾害造成的人员伤亡、设备损坏、工期延误等安全事故众多［1］。隧道涌突水是一个多尺度多场相互作用的复杂系统，具有“强隐蔽性、强复杂性、强突发性、强破坏性”四大基本特征，已成为最严重的地质灾害之一，如何防治隧道涌突水灾害是当前面临的一大难题［2-3］。邹静娴等［4］从防、排、堵、截4个方面，阐述了对隧道施工时诱发涌水灾害的防治措施。虞锦峰［5］分析了隧道中渗水漏水的原因，再通过对隧道内渗水漏水的形式和面积进行一定归纳，以点线面3种不同形式针对性进行治理。隧道漏水主要采用封堵或者疏排的处理方法，小规模的漏水可以采用封堵法，但大规模的漏水，封堵无法完成，只能采用在周边挖掘泄水洞疏排的手段。

爆破开挖是中国隧道施工采用的主要方法之一，但爆破开挖过程会对既有结构产生不利振动，进而可能影响既有结构物的正常运营，甚至对既有结构安全构成威胁。爆破开挖过程中的扰动会导致岩体内形成一定范围的损伤区，合理控制损伤区分布对工程的安全运营具有重要意义［6］。钻爆法施工引起的爆破振动对既有隧道围岩和衬砌的损伤或破坏影响较大，应合理控制振动［7］。根据岩体性质和装药参数，夏祥等［8］模拟了爆炸对岩体的损伤，并与实际声波实验进行对比，结果显示：随着药量增加，损伤范围扩大，增速逐渐减小。潘亚辉等［9］对浅埋隧洞爆破振动进行数值分析，发现适当控制单响药量和钻深，可将爆破震动控制在被保护物的震动范围内，避免爆炸震动对被保护物造成不利影响，有助于加快施工进程。陈永建等［10］优化了导流隧洞工程爆破设计，采用全断面开挖，减少了 42.5% 的每米循环掘进耗时，加快施工进度的同时施工成本得到大幅度降低。

袁冉等［11］在交叠隧道爆破研究中得出，爆破动力响应中既有隧道衬砌的竖向振速最大，可以用竖向振速峰值表征结构最大振动特性。吴忠仕等［12］通过现场测试与三维数值模拟的方法对既有衬砌在爆破荷载作用下的振速峰值和应力进行分析，保证了既有隧道的运营安全。李军等［13］采用ANSYS/LS-DYNA非线性动力分析软件研究近距离隧道施工，提出了合理的爆破参数。Xia等［14］综合研究了隧道爆破开挖对围岩及相邻既有隧道衬砌系统的影响，通过现场试验和数值模拟，分析了不同爆炸荷载作用下围岩和衬砌系统的破坏情况。Zhou等［15］对爆破开挖穿越既有隧道造成围岩损伤进行探究，测算出防止爆破对相邻设施损坏的间隔距离。Shin［15］研究团队采用数值方法对软岩隧道进行动力建模，基于对爆炸位置、隧道深度和炸药量等参数的研究，提出了设立爆炸保护区的指导方针。

以上研究均涉及爆破施工对邻近或交叉既有隧道的影响，但针对既有隧道内施工横洞爆破掘进的动力响应研究较少，尤其是当既有隧道内存在漏水点时，如何更快完成横洞施工，且尽量减小爆破振动对漏水点的不利影响问题的研究更少。研究此类问题对于保障隧道内既有结构的安全、确定爆破影响范围具有重要意义。

1 工程概况

G42沪蓉高速公路宜巴段峡口隧道位于兴山县峡口镇。自2020年4月进入汛期以来，由于持续暴雨，峡口隧道蓉沪方向涌水，特别是进入7月后水量较大，漏水点附近隧道二次衬砌结构被冲走，形成长13 m的裂隙。水以射流的形式从裂隙中涌出，形成的水柱高约20 m，涌水量12 000 m3/d。现场漏水情况如图1所示。

经专题讨论后，决定采用排水隧道方案解决涌水问题，具体为在峡口隧道旁挖掘一条长约1 580 m的泄水洞。为了加快施工进度，同时在峡口隧道布置2个施工横洞，增加泄水洞施工工作面。

根据已有勘察成果及现场回弹试验结果，2号横洞掌子面围岩为灰岩，完整性较好，结构致密，具有单轴抗压强度100 MPa以上的特点，可为施工提供较好支持，如图2所示。

泄水洞及施工支洞环境条件较为简单，泄水洞与峡口隧道主线斜交，施工支洞与峡口隧道主线垂直，距漏水点28 m，见图3。

施工横洞与主线隧道相连，亟需评估横洞爆破掘进对主线隧道二次衬砌结构及漏水点围岩可能产生的影响，主要包括2个方面问题：① 2号施工横洞位于漏水点28 m处，在2号横洞爆破掘进过程中产生的应力波传播可能对漏水点处围岩的整体稳定性造成影响；② 合理控制爆破参数，选择合适的爆破掘进方案，并加强对漏水点周围围岩爆破振动的监测，对于保障施工安全具有重要意义。

2 方案优化

2.1 施工方案

2号横洞总掘进长度约35 m，根据上述周边环境及施工特点，为了确保安全和进度，横洞掘进总体方案计划为：① 机械+爆破掘进技术方案；② 全断面爆破掘进技术方案。

机械+爆破掘进技术方案为支洞进口0～5 m范围，以确保支洞爆破掘进爆炸应力波传播不会对隧道二次衬砌及漏水点围岩产生破坏性影响。周边眼采用水磨钻施工，钻孔孔深 70 cm，孔径 16 cm，共需钻孔138孔；中间3排劈裂孔采用管棚机施工，管棚机钻孔孔深2.1 m，孔径13 cm，共需鉆孔140孔，最后采用机械方法破碎（图4）。

在支洞进口0～5 m范围采用爆破开挖施工。炮孔布置与常规隧道全断面掘进类似，与普通爆破差别在于装药量和起爆网路上有较大改变，炸药单耗比松动爆破要小，本次工程初步采用K=0.3 kg/m3，K为单位炸药耗量；起爆网路上，周边孔与掏槽孔一次同时起爆，炮孔布置及爆破参数见图5、表1；爆破完后采用机械破碎，见图6。

由于机械施工进尺小，掘进效率低，为提高施工效率，尽快解决岩溶突水地质灾害，确保洞内行车安全，提出全断面爆破掘进方案。全断面爆破掘进方案炮孔布置位置与机械+炮孔掘进方案炮孔布置位置相同，见图5。

全断面爆破掘进施工方案在单孔药量和最大起爆药量最大值上均大于机械+爆破掘进方案中爆破部分的药量。主要原因是由于全断面爆破掘进方案采用了与机械+爆破掘进相同的炮孔布置，但增加每个炮孔的爆破药量。炮孔参数及起爆网路见表2。

对于掏槽孔、扩槽孔、辅助孔、底板孔采用连续装药形式，将计算好的32 mm药卷逐节装入炮孔内，毫秒雷管引爆。对于周边孔采用间隔装药形式，采用胶带捆绑药串至竹片上，用导爆索引爆。

2.2 爆破振动影响校核

根据有关资料，耦合装药炮孔在单自由面下，对周边围岩最大破裂影响范围为8～100倍炮孔半径。中心掏槽孔破裂范围为0.16～2.00 m，2号横洞宽度6 m，半幅宽3 m，因此中心掏槽孔爆破其围岩破裂影响不到横道外缘。本研究在数值模拟分析中考虑了距离二次衬砌结构较近的扩槽孔和辅助孔振动，较为全面评估其对衬砌结构的潜在影响。结果表明：这些扩槽孔和辅助孔的爆破振动在距离衬砌较近的情况下确实对结构产生一定影响。然而，通过采用掌子面分次中心掏槽孔爆破策略，有效减弱了对周围二次衬砌结构的破坏性影响。此外，隧道二次衬砌的混凝土结构与围岩之间的施工缝进一步提高了结构的稳定性。由此可认为虽然距离衬砌较近的扩槽孔和辅助孔存在一定的振动影响，但整体上掌子面分次中心掏槽孔爆破对周围二次衬砌结构的破坏性影响相对较小。本工程爆破属于高速公路隧道周边爆破，爆破振动对周围围岩的控制标准参照GB 6722-2014《爆破安全規程》中交通隧道结构考虑，按保守取值安全允许振动振速为［V］=12 cm/s。

根据GB 6722-2014《爆破安全规程》，爆破引起地面振动大小及振动传播衰减规律可以用式（1）来计算：

式中：v为安全允许的质点振动速度，cm/s;K为与岩石、爆破方法等因素有关的系数；α为与地质条件有关的地震波衰减系数；Q为爆破起爆药量，kg；R为测点与爆心的直线距离，m。α值可以通过查表3、工程类比及现场实测来获取。

本工程围岩属于坚硬岩石，K=80，α=1.5，R=31 m，Qmax=4.8 kg，代入式（1）得：v=1.02 cm/s<［V］=12 cm/s，安全。说明中心掏槽孔爆破时，只要控制单响最大药量在4.8 kg以内，不会对漏水处岩石产生破裂影响。经计算与校核，在做好烟尘控制、飞石防护、交通管制等爆破安全防护措施条件下，为提高施工效率，尽快解决岩溶突水地质灾害，确保洞内行车安全，采用全断面爆破掘进方案较为符合实际工程要求，故优先采用全断面爆破掘进方案。对于距离漏水点距离更近的泄水洞采用机械掘进方案，以减少振动和震动对周围岩体的影响，维持岩体的稳定性。

3 数值模拟方案确定

3.1 计算模型及边界条件

采用LS-DYNA数值模拟方法进行爆破动力响应计算分析。模型采用 Soild164实体单元，2号横洞掌子面为灰岩，洞高4.7 m，宽6 m，中心线距离漏水点横向距离28 m，以2号横洞中心线为对称轴

构建半模型，模型整体尺寸为1.4 m×28 m×5 m。炮孔直径40 mm，炮孔深度1.4 m，炸药直径40 mm，装药长度1.4 m。炸药、空气采用ALE网格划分，对岩石采用Lagrange网格划分，避免爆炸引起的网格严重畸变，实现流固耦合动态分析。计算采用cm-g-us单位制，对空气和岩石施加无反射边界条件，计算模型如图7所示。

数值模拟分析模型的构建以爆炸应力波对隧道二次衬砌及漏水点围岩产生破坏性影响可能性最大的全断面爆破掘进方案为基础，将布置参数进行简化以方便建模和计算。实际工程中，围岩具有节理裂隙，各种材料的阻尼值大小不相同，不是理想化的均值材料；掏槽孔、扩槽孔、辅助孔、底板孔采用连续装药形式，周边孔采用间隔装药形式；爆破掘进方案采用微差起爆，两个微差分段之前间隔25 ms。在数值模拟分析方案中，不考虑围岩中的节理裂隙、断层破碎带及围岩损伤的影响，将隧道周边围岩视为同种均匀岩质体；所有炮孔均采用连续装药形式；各个种类炮孔同时起爆，起爆点位于炸药中心，起爆方式为中心瞬时起爆，在距离2号横洞中心线顶部28 m 漏水点处设置测点，旨在探究在产生影响比实际爆破更大的工况下，2号横洞能否安全爆破掘进，以及2号横洞周围岩石的破碎范围及漏水点处岩石的振动响应。

3.2 本构模型及计算参数

本次模拟的模型参数主要有炸药、坚硬灰岩以及空气。空气选择MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程来模拟，状态方程如下：

式中：P0为计算压力，Pa；μ为黏度系数，μ=1v-1，v为相对体积;ρ0为气体的初始密度，kg/m3；E为单位体积初始内

4 爆破过程动力响应分析

4.1 横洞爆破冲击波特征

横洞爆破冲击波压力传播特征如图8所示。从图8中可以看出，爆炸后冲击波阵面呈球状，以爆心为起点向四周扩散，由于不同炮孔的冲击波相互影响，爆炸后1 ms之后波阵面形状由球形变为不规则形，冲击波首先到达2号横洞拱顶，随后沿着横洞断面横向传播并逐渐衰减。

4.2 岩石破碎效果分析

由图9可以看出，全断面爆破掘进方案数值模拟的爆破效果较好，2号横洞宽6 m，数值模拟结果中岩石最大破碎距离为6.1 m，爆破产生的裂缝没有延伸至隧道二次衬砌范围内，不会对隧道二次衬砌以及围岩造成破坏性影响。

4.3 爆破动力响应分析

2号横洞中心线至漏水点直线距离28 m，在漏水点处设置测点，采集爆破开始0.03 s内X，Y，Z方向振速速度，3个方向振速峰值分别为7.80，3.00，2.80 cm/s，合成速度峰值8.04 cm/s。振速时程曲线如图10所示。

由图10可知，3个方向振动速度中，X方向的振动速度较大。这是因为柱面应力波在模型边缘位置受到应力波垂直入射作用，从而水平振动强度最大，水平径向振动速度占主导位置。

三维有限元模拟结果表明，漏水点的安全振速判据为8.04 cm/s，符合按爆破规范保守安全取值允许振动振速 ［V］=12 cm/s的要求。为保证2号横洞爆破掘进作用下既有隧道的安全运营，单孔最大允许装药量应该控制在1.935 kg以内。

4.4 可靠性验证

爆破施工现场用1号横洞全断面爆破掘进振动实测数据来预测2号横洞全断面爆破对于28 m处振动的影响。将监测仪器布置在1号横洞往2号横洞方向28 m处进行爆破监测，采集水平方向和竖直方向的振动数据，监测到水平向震动速度峰值为4.26 cm/s，竖直向震动速度峰值为3.89 cm/s。数值模拟所得结果与实测结果有一定误差，分析认为本次数值模拟计算未考虑岩体的结构面和断层对岩体应力波的传播影响，爆破是一个不断重复的过程，每次爆破都会造成岩体物理力学性质劣化，此外数值模拟过程中各炮孔是同时起爆，所以得到的爆破震动影响比实际情况大，实际工程结果偏于安全，可以考虑采用更大的装药量。

5 结 论

本文以G42沪蓉高速峡口隧道为研究背景，结合现场实测爆破振动数据与数值模拟方案，提出峡口隧道2号横洞掘进方案并优化，对2号横洞全断面爆破掘进技术方案爆破振动响应规律进行分析，得到的主要结论如下。

（1） 针对隧道机械+爆破施工法抢险效率低问题，采用全断面爆破掘进方案对实现了优化，具有良好的效果。

（2） 全断面爆破掘进数值模拟结果表明：横洞破碎横向最大距离约为6 m，不会对隧道二次衬砌以及围岩造成破坏性影响。通过对塑形变形云图的分析得出炮孔周围巖石最大破碎范围在工程允许范围内，类似规模的正常爆破施工不会对隧道安全性造成影响。

（3） 横洞爆破对既有隧道岩石的水平径向振动速度占主导位置，可以用水平振速峰值表征结构最大振动特性。既有隧道爆破施工对漏水点的安全振动速度判断依据为8.04 cm/s，单孔最大允许装药量应该控制在1.935 kg以内。

（4） 横洞爆破掘进数值模拟计算结果具有可靠性，优化分析提出的全断面爆破掘进方案具有可行性，通过工程实践得到验证，可为工程施工中同类型隧洞爆破施工提供参考。

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（编辑：张 爽）

Study on effect of blasting vibration on stability of tunnel leakage points in cross-hole blasting

HUANG Hongyang1，LI Tingting2，WANG Hanwu1，LI Jingxi3

（1.Key Laboratory of Ceotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;

2.River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Network and Information Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： Taking G42 Hu-Chengdu high-speed Xiakou Tunnel blasting excavation as the example，ANSYS/LS-DYNA finite element software was used to simulate the blasting vibration response law of adjacent construction transverse tunnel under the condition of water leakage point in Xiakou Tunnel，and the reliability of the model was verified according to the field measured data.The results showed that the full face blasting tunneling scheme had a good effect on the optimization of the low rescue efficiency of tunnel machinery and blasting construction method，the maximum rock crushing range around the gun hole was within the allowable range of the project，and normal blasting construction of similar scale would not affect the safety of the tunnel.The horizontal radial vibration velocity of the existing tunnel rock was dominated by the transverse tunnel blasting，and the maximum vibration characteristics of the structure can be characterized by the peak value of the horizontal vibration velocity.The full-section blasting tunneling scheme proposed by the optimization analysis was feasible，and the judgment basis for the safe vibration velocity of the water leakage point in blasting construction was 8.04cm/s.

Key words： tunnel water burst； ANSYS/LS-DYNA； explosion； dynamic response

收稿日期：2023-11-20

基金項目：国家自然科学基金资助项目（51979009）

作者简介：黄宏阳，男，硕士研究生，研究方向为地基处理和边坡加固技术。E-mail：273746@whut.edu.cn

通信作者：王汉武，男，硕士，工程师，主要从事岩土原位测试技术研究及设备研发工作。E-mail：273270976@qq.com