摘 要 采用有限元数值软件对地下隧道爆破进行模拟，结合工程实际情况，研究了隧道中部爆破对地表振速的影响，包括地表振动的总速度、水平速度、轴向速度以及竖向速度的规律；地表振速的传播规律；以及爆破振动速度沿隧道轴向和径向的传播衰减规律。研究结果可用于判断隧道的安全性以及优化隧道的安全评价标准。
关键词 隧道爆破；数值模拟；地表振速；传播规律
1 引言
随着贵州山区交通建设力度的加大，出现大量的隧道工程，而隧道在爆破开挖过程中，往往会使地表产生较大的震动，如果对隧道掘进爆破的震动控制不当，很容易带来灾难性的后果。因此，很有必要对隧道爆破工程产生的振动效应展开研究。实际工程中，主要采用现场监测的手段来保证工程的安全。随着计算机技术及数值模拟软件的发展和应用，使得数值模拟软件广泛应用于爆破震动效应的研究中[1，2]，目前，已有大量的学者对隧道爆破施工中地表振速的规律进行了研究[3-5]。研究成果可在一定程度上指导现场监测，有利于爆破方案的优化及爆破震动效应的控制。
本文采用Midas GTS NX有限元分析软件，以贵州某隧道为例，建立与现场地形条件和隧道设计概况一致的三维数值模型，研究了隧道中部爆破对地表振速的影响，研究成果可为工程实践提供参考。
2 计算模型与参数
2.1 工程地质概况
隧道采用矿山法施工。该隧道为设计时速为120km/h的双向六车道高速公路隧道，隧道左线起止里程为ZK64+300～ ZK65+320；右线起止里程为K64+280～ K65+250。隧道区属构造剥蚀、溶蚀低中山山地地貌，地形较简单，山顶浑圆、椭圆。隧道区岩性为中、薄层状灰岩、泥岩，节理裂隙较发育，且不规则，杂乱，地表及浅部以风化裂隙为主，深部以构造节理裂隙为主，围岩大多属IV和V级。本文主要研究隧道左线中部爆破对地表的影响，左线隧道中部段属于IV级围岩，围岩岩性为中风化石灰岩，岩质较硬，根据工程勘查报告和已有资
2.2 模型建立
根据隧道中部爆破的实际地形情况，采用Midas GTS NX有限元分析软件，建立与现场地形条件和隧道设计概况一致的三维数值模型。左线隧道中部爆破掌子面里程为ZK64+520，本项目在工程地质平面图、左线纵断面图中选取的隧道中部爆破数值模拟研究区域.
由于隧道中部爆破模型左洞和右洞边墙间距为32m，模型的横向边界从左线边缘分别延伸至隧道跨度的3倍，所以X向长度取为180m。由于隧道左线和右线掘进长度都取100m，所以模型Y向长度可取為140m。下边界离隧道拱底的距离为隧道跨度的4倍由于上部岩体的自重对地下结构有一定的作用，对数值模拟会产生一定的影响，因此，模型的上边界按实际地形情况来建立，其中左线平均埋深为20.85m，右线平均埋深约为14.43m。其中，模型坐标X向对应垂直隧道轴线的水平切向，Y向对应隧道的轴线方向，Z向对应隧道的埋深方向。
3 计算结果及分析
3.1隧道左线中部爆破振动沿隧道轴向传播的振速分析
为研究隧道左线中部爆破振动产生的振速沿隧道轴向传播和衰减的规律，选取如图1所示t=12ms时刻隧道拱顶的总振速、水平振速、轴向振速和竖向振速沿隧道掘进轴向方向变化的计算结果进行分析，其中，轴向距离为0的节点在隧道待爆破掌子面拱顶的123564节点。
由图1可知，模型的总振速和竖向振速沿着隧道掘进轴向方向先急剧衰减再平稳衰减至0。例如，当隧道左线中部掘进轴向距离从0m增大至99m时，总振速先从5.813m/s急速减少至0.155cm/s，降低幅度为97.3%，竖向振速从5.786cm/s减少至0.044cm/s，降低幅度为99.2%。因此，隧道左线中部爆破轴向距离为0至99m的范围内应该以竖向振速作为爆破安全与否的评价标准。另外，轴向振速沿着隧道掘进轴向方向先负向增大后减少，水平振速沿着隧道掘进轴向方向变化平稳。
3.2 隧道左线中部爆破振动沿隧道径向传播的振速分析
为研究隧道左线中部爆破振动产生的振速沿隧道径向传播和衰减规律，本文选取如图2所示t=12ms的总振速、水平振速、轴向振速和竖向振速沿隧道掘进径向方向变化的计算结果进行分析，其中，径向距离为0的节点在出洞口拱顶正上方的123564节点。
可以看出，隧道左线中部爆破工况下的总振速随着隧道掘进径向深度的增加而先减少后增加。随着隧道掘进径向深度的增大，待爆破掌子面上计算點的水平振速在零振速附近平稳变化，轴向振速先负向增大后负向减小，竖向振速先负向减少至0后从0逐渐增大。例如，当隧道中部爆破待爆破掌子面计算点的径向深度从0m增大至11.7m时，竖向振速先负向从-6.099cm/s衰减至-0.276cm/s再正向从0.299cm/s增大至5.786cm/s，轴向振速在负方向上先从0.112cm/s增大至1.211cm/s再减少至0.136cm/s，总振速先从6.123 cm/s减少至1.487cm/s再增大至5.813cm/s。
4 结束语
（1）左线中部爆破对隧道右线不产生任何振速的影响；模型的最大总振速为6.184cm/s，发生在隧道左线出洞口的拱顶节点16103处，总振速低于交通隧道安全振速的下限值10cm/s，因此该隧道中部爆破的设计方案满足安全要求。
（2）模型的总振速和竖向振速沿着隧道掘进轴向方向先急剧衰减再平稳衰减至0；隧道左线中部爆破轴向距离为0至99m的范围内应该以竖向振速作为爆破安全与否的评价标准。
（3）隧道左线中部爆破工况下的总振速随着隧道掘进径向深度的增加而先减少后增加。随着隧道掘进径向深度的增大，待爆破掌子面上计算点的水平振速在零振速附近平稳变化，轴向振速先负向增大后负向减小，竖向振速先负向减少至0后从0逐渐增大。
参考文献
[1] 夏祥，李俊如，李海波，等.爆破荷载作用下岩体振动特征的数值模拟[J].岩土力学，2005，26（1）：50-56.
[2] 张顶立，李鹏飞，侯艳娟，等.浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）： 95-102.
[3] 张顶立，李鹏飞，侯艳娟，等.城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策[J].岩土工程学报，2010，32（2）：296-301.
[4] 王利，王海亮.隧道爆破不同类型最大振动速度对建筑物的影响研究[J].爆破，2012，29（4）：6-9.
[5] 喻军，刘松玉，童立元.浅埋隧道爆破振动空洞效应[J].东南大学学报（自然科学版），2010，40（1）：176-179.
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