前言

第1章  緒論

  1.1  引言

  1.2  國內外研究現狀

    1.2.1  岩體動力學特性

    1.2.2  爆破作用分析和數值模擬

    1.2.3  隧道爆破振動測試

    1.2.4  隧道爆破開挖減震技術

  1.3  本書的內容與技術路線

    1.3.1  研究內容

    1.3.2  技術路線

  參考文獻

第2章  工程概況

  2.1  自然概況及工程簡介

  2.2  工程地質概要

    2.2.1  工程地質特征

    2.2.2  隧道圍岩分布

  2.3  圍岩物理力學參數測定

    2.3.1  圍岩試樣采集和現場調查

    2.3.2  圍岩物理力學參數

    2.3.3  既有隧道襯砌表面回彈值和計算參數的確定

  2.4  小結

  參考文獻

第3章  既有隧道爆破振動特性研究

  3.1  既有隧道迎爆側襯砌動應變測試

    3.1.1  測試繫統及斷面布置

    3.1.2  測試結果及分析

  3.2  實測爆破速度分析

    3.2.1  進口端實測數據分析

    3.2.2  出口端實測數據分析

    3.2.3  不同圍岩級別的爆破速度統計規律

    3.2.4  測試成果及分析

  3.3  爆破振動速度預測方法研究

    3.3.1  數據樣本和計算方法

    3.3.2  計算結果及分析

    3.3.3  討論

    3.3.4  小結

  參考文獻

第4章  爆破振動彈塑性動動力分析

  4.1  分析理論和計算方法

  4.2  二數值模擬

    4.2.1  數值模型與計算參數

    4.2.2 體繫的振型分析

    4.2.3  新建隧道爆破振動荷載分析

    4.2.4  計算結果及分析

  4.3  Ⅲ級圍岩爆破振動三維彈塑數值模擬分析

    4.3.1  模型的建立

    4.3.2  襯砌表面振動速度

    4.3.3  襯砌振動位移

    4.3.4  襯砌振動應力

    4.3.5  襯砌振動速度閾值

  4.4  小結

  參考文獻

第5章  降低爆破振動的工程措施

  5.1  爆破振動速度閾值研究

    5.1.1  同類工程爆破振動速度閾值的確定

    5.1.2  關於爆破振動閾值速度的不同判別標準

    5.1.3  由爆破振動所產生的應力確定允許振動速度閾值

  5.2  影響爆破振動速度的因素和控制方法

    5.2.1  確定爆破振動速度的衰減方程

    5.2.2  圍岩級別對爆破振動速度的影響

    5.2.3  既有隧道結構形式對爆破振動速度的影響

    5.2.4  相鄰兩隧道間淨距對爆破振動速度的影響

    5.2.5  開挖爆破形式對爆破振動速度的影響

    5.2.6  影響既有隧道振動速度的關鍵性因素分析和控制方法

  5.3  降低爆破振動的工程措施

    5.3.1  楔形掏槽級數的確定

    5.3.2  掏槽孔布置

    5.3.3  工法小結

  參考文獻

附錄A  Ⅱ級圍岩爆破振數值模擬結果

附錄B  Ⅲ級圍岩（有導洞）爆破振數值模擬結果

附錄C  Ⅳ級圍岩爆破振數值模擬結果

第1章緒論

1.1引言

隨著我國國民經濟的發展，越來越多的單線鐵路增建為復線，由於受到地形地質條件、環境保護和節約土地等方面的制約或限制，往往不得不將新建隧道與既有隧道之間的距離設計得很小，因此，在新建隧道施工過程中，既有隧道結構時常遭到破壞，從而危及行車安全。對於我國大多數山嶺隧道而言，鑽爆法施工占有較大的比重。在新建隧道施工時，爆破施工對既有隧道結構安全的影響主要表現在兩個方面，即爆破振動影響和開挖引起圍岩應力重分布影響。而對於中硬岩以上圍岩隧道，爆破振動影響較大，如日本的荻津公路隧道、磁浮試驗線上初狩隧道以及意大利的LocooColio公路隧道；而國內的西康線響水溝隧道、湘黔鐵路增建線坪口隧道、流潭隧道等，也因隧道間距較小，出現過既有隧道襯砌開裂、剝落等危及行車安全等現像。因而，有關鄰近隧道爆破施工或小間距爆破隧道施工對既有隧道安全性影響的研究，成為具有重要理論和現實意義的課題，近年來取得了較為豐碩的研究成果。

目前國內在臨近公路隧道爆破施工方面的理論研究和工程實踐較多，而鐵路隧道方面則較少，從目前相關文獻報道來看，僅有少數幾例，如株六鐵路復線關寨1#隧道、湘渝二線蛇皮溝隧道等，並且爆破施工多采用分部開挖法，以減小單段或總藥量，從而達到降低爆破速度的目的。對臨近隧道采用全斷面爆破方法進行施工的尚不多見。眾所周知，鐵路隧道的穩定性、重要性和安全性等級，相比於公路隧道要高出很多，並且鐵路隧道一般都是整條線路的控制性工程，基本沒有可調節或備用的輔助方式，某個隧道因施工或其他因素導致的停運或中斷，意味著整條線路的中斷，與公路隧道相比所帶來的經濟損失和社會影響要大得多。特別是本項研究中的庫魯塔格隧道，是南疆鐵路的控制性工程，因其特殊的地理位置和在南疆經濟社會發展中的重要作用，而具有更為舉足輕重的意義。

在建的新疆吐庫鐵路復線的控制性工程之一——新庫魯塔格隧道，與既有線路隧道平行設置，兩隧道的中心距為22m，兩邊牆直線距離為15m。既有線路隧道修建於20世紀70年代末，施工技術和水平有限，加之經過近30多年的運營，新線隧道爆破施工對舊隧道的強度和整體穩定性的影響如何？我國頒布的國家標準《爆破安全規程》（GB6722-2003）規定：“交通隧道安全振動速度控制標準為10~20cm／s”，而業主和設計單位要求，既有隧道襯砌表面的爆破振動速度上限為7cm/s，受此要求的限制，施工進度較為緩慢。那麼，此界限值可否超越？能超越至多大，或者說是否還有振動速度的安全富餘？在保證既有隧道安全的前提下，應如何優化施工參數和工藝等來加快新建隧道的施工進度，提高施工質量與安全性？這些問題不僅具有重要的理論意義，而且具有顯著的經濟效益和社會效益。

1.2國內外研究現狀

新建隧道爆破開挖施工對既有隧道結構安全性的影響是涉及岩石動力學、爆炸力學、工程地質和隧道工程等方面的復雜課題，近年來進行了較多的研究。已有的研究成果可大致分為岩體動力學特性、爆破作用分析和數值模擬、隧道爆破振動測試，以及隧道爆破開挖減震技術等方面，已獲得了許多有價值的結論和經驗方法。

1.2.1岩體動力學特性

在爆炸或地震動力作用下，岩石的力學響應表現出比靜力荷載作用時更為復雜的特性。國內外對岩石動力學特性的實驗研究主要有兩大類型：一種是以疲勞荷載為主，主要應用於地震荷載或機械疲勞振動，如席道瑛等對南京大理岩、葛修潤院士等對砂岩等進行的循環荷載或疲勞荷載作用下的實驗研究等；另一種則是針對爆炸荷載或衝擊型荷載的，如利用Hopkinson杆對岩石動力變形或強度特性的研究、對花崗、軟岩、岩體節理動力學特性的研究等。在實驗研究的基礎上，楊仁華等、李夕兵等、楊春和、東兆星等、戚承志等從理論上探討了動力荷載作用下岩石力學特性的應變率效應及其機理。總的來說，關於岩體動力學特性的研究主要集中在動荷載的應變率效應對變形特性和強度特性的影響方面，具體而言就是動彈性模量、動泊松比、動抗拉強度、抗壓強度及動抗剪切強度。

耿乃光應用高頻脈衝法測量了彈性波在岩石樣品中的傳播速度，從而得到了岩石的動態楊氏模量Ed，用單軸壓縮試驗測出的岩石應力應變曲線及切線法得到岩石靜態楊氏模量Es，10種岩石樣品測量得到的Ed變化範圍為35.2~127GPa，Es的變化範圍為27.1~110GPa。對比結果表明：Ed/Es的變化範圍為1.15~1.30；對於輝長岩、輝綠岩和玄武岩等硬岩，Ed/Es的變化範圍為1.15~1.20；對於片麻岩、砂岩等軟岩，Ed/Es的變化範圍為1.15~1.30；花崗岩的值界於硬岩和軟岩之間，為1.22。就岩體的動彈性模量（Ed）和靜彈性模量（Es）之間的關繫，按文獻\\[38\\]實測的數據計算，有如下關繫式：

JZ(Ed=0.5686E1.086s，R2=0.999（1.1）

式中，Ed為岩石的動態楊氏模量，GPa；Es為岩石的靜態楊氏模量，GPa；

R為相關繫數。

王思敬等根據我國若干工程20多組試驗結果（地震法測得動彈性模量、千斤頂法測得靜彈性模量），擬合出如下動彈性模量（Ed）和靜彈性模量（Es）的經驗關繫：

式中，括號內為原文公式，符號意義同上。其中，式（1.2）適合於岩石或完整岩體；式（1.3）適合於大部分岩體和破碎岩體；而對松散、破碎而有充水的岩體，式（1.4）也適用。這要根據現場的具體情況而使用。

瀋明榮等認為，岩體動彈性模量比靜彈性模量高百分之幾甚至10倍，一般岩體越完整，兩者的差值越小，否則，兩者的差值就越大。絕大多數（95%以上）岩體的動彈性模量Ed與靜彈性模量Es的比值在1~20倍，而85%以上在1~10倍。從動彈性模量的數值來看，大多集中在15~50GPa。動彈性模量Ed與靜彈性模量Es之間具有如下關繫：

（1.5）

或

（1.6）

式中，j為折減繫數，可按表1-1選取。

表1-1折減繫數j與岩體完整性指數Kv的關繫岩體完整性指數

對於岩體在動力荷載作用下的泊松比，文獻認為“動泊松比與靜泊松比很接近，故在一般計算中可直接取靜泊松比代替動泊松比”。楊桂桐給出了表1-2所示的常見岩石的建議參數，其中的動態泊松比則比靜態泊松比小。

表1-2部分岩石力學性質指標

式中，μd和μs分別為岩體的動泊松比和靜泊松比。

就岩石動強度，一般認為，岩石的抗動荷載強度比抗靜荷載強度高，一般高出5~10倍，其中堅硬岩石抗動荷載強度比抗靜荷載強度高5倍以上，軟岩可高出10倍。文獻也認為，在衝擊荷載作用下，岩石的強度也將提高5～10倍。動強度大於靜強度的結論主要是在單軸壓縮或拉伸試驗資料的基礎上得出的，而在有圍壓條件下強度的變化情況，限於試驗條件的限制，成果較少。李海波等\\[28\\]采用岩石高壓動三軸實驗繫統，對花崗岩在圍壓0~170MPa範圍內進行試驗，應變速率為10-4~100s-1範圍內的試驗研究結果表明：花崗岩在動態壓縮下的破壞模式與靜態壓縮下基本相同，而強度的增量約為15%，但是彈性模量和泊松比隨應變速率增加沒有明顯的變化，且結果比較發散。

由於實際中岩石性質具有典型的非均勻性和各向異性，岩體又是被各種結構面所切割，因此岩體中的各種節理和裂隙的產狀、長度和充填特征等對爆炸應力波的傳播具有重要影響，是影響爆破效果和爆炸地震波傳播的重要因素。朱瑞庚等綜合各種岩石的動強度試驗資料，按如下方法給出了岩體的動強度與靜強度的關繫。

岩石的動強度計算公式為

（1.8）（1.9）

式中，σp和σc分別為岩石的動抗拉強度與抗壓強度，0.1MPa；

σp0和σc0分別為岩石的靜抗拉強度與抗壓強度，0.1MPa；VH=(σHσ1SX)為加荷速率；σH為任意加荷速度（σH≥1），0.1MPa/s；σ1為加荷速度，取σ1=0.1MPa/s；KDTX-為岩石動強度提高繫數。

考慮到爆炸地震波作用下岩石的加荷速度可達106MPa/s，一般情況下岩石隧道的加荷速度在101~103MPa/s，按上述公式計算，岩石的動抗拉強度提高繫數為1.24~1.48；同時，考慮到地質構造上存在的裂隙、節理等不利因素，使岩體的動強度低於岩石的動強度，所以取岩石的強度降低繫數為0.80~0.90，因此，岩體的動強度提高繫數為

JZ(KD=(0.80~0.90)KDTX-=0.992~1.332JZ)JY（1.10）

式中，KD為岩體的動強度提高繫數。

上述研究結果表明：岩石的加載頻率效應對其動力變形特性和強度特性有重要影響，其表現就是在較高的加載頻率下，其彈性模量和強度都有不同程度的提高;但是提高程度如何，是否應該考慮岩體動荷載作用時的應變率效應，現有的大多數計算分析中對參數的選取，並未給出詳細說明，或者直接取靜態參數進行計算。表1-3是國內部分文獻對岩體計算參數的選取情況。

1.2.2爆破作用分析和數值模擬

1.爆破作用分析

炸藥的爆炸反應是一個高溫、高壓和高速的過程，能量的轉化、釋放、傳遞和做功過程也極為短促，隻有幾十微秒到幾十毫秒（ms）就完成了，岩石本身又具有各向異性和非均質性，裝藥爆炸後產生的高溫、高壓的爆生氣體和強大的衝擊波，是岩石在爆破過程中遭受破壞的外力根源。炸藥爆炸的瞬間，在一個極短的時間內，炸藥的能力以高溫（3000℃）和高壓（10~100GPa）的衝擊波和氣體形式釋放出來。當爆轟波陣面到達炸藥和岩石的分界面時，高強度的爆轟波就傳播進入了岩石，傳輸給岩石的能量取決於炸藥和岩石特性，岩石中波的傳播類型是球面波還是柱面波則取決於炸藥的形狀和藥卷的起爆方式。在傳播過程中，岩體中的衝擊波能量將隨遠離爆源而衰減，波形也將相應地發生變化，大體可分為如下三個作用區：

(1)衝擊波作用區。以徑向和切向應力形式的衝擊波傳播進入岩石後，在炮孔孔壁近區，隻要衝擊波強度超過岩石的動力壓縮強度，大部分能量就消耗於粉碎岩石。在距離爆源很小範圍內，大致為3~7倍的藥包半徑（集中裝藥），或可能達到2~4倍的炮孔半徑範圍（柱狀裝藥）。該區域的衝擊波強度很大，波峰壓力大大超過岩石的抗壓強度，使岩石產生熔化流動、塑性變形或粉碎，因而也稱為粉碎區。

……