1 引 言
无中墙连拱隧道是一种取消了相邻两隧洞间的中隔墙，仅以洞壁支护结构作为中间支撑的一种特殊的小净距隧道形式，因其具有避免洞口路基分幅、减少占地、隧道两端接线工程量小且线形顺畅、洞口位置选择灵活、减少洞口边坡开挖、避免洞口大桥特别是跨河大桥分幅等优势，在我国云南、四川等省份山区的高等级公路工程中得到了越来越广泛的应用。但是，由于无中墙连拱隧道取消了中隔墙，在简化施工工序的同时，也使两洞间的支护结构受力更为复杂。目前，钻爆法仍是隧道开挖的主要施工方法，单洞法施工时，先行洞围岩和支护结构必然受到后行洞爆破施工的不利影响，导致出现许多稳定性和安全性问题，如仰拱、边墙、二次衬砌等部位开裂，甚至坍塌。因此，研究无中墙连拱隧道先行洞围岩及支护结构在后行洞爆破作用下的动力和损伤响应具有重要意义，工程上也需要一套成熟可靠的爆破减振技术及安全控制方法。
针对小净距隧道支护结构及围岩在爆破荷载作用下的动力响应特征，学者和工程技术人员开展了大量的关于振动传播与衰减规律的研究。朱正国等对超小净距隧道爆破下衬砌的振动特征进行了监测和分析，发现先行洞衬砌迎爆侧振速大于背爆侧振速，爆破面前方受振动影响大于后方。高宇璠等对中夹岩内部的爆破振动进行了测试与分析，发现隧道表面振动速度大于岩石内部，且衰减速度更快。Tian等结合现场监测数据分析和数值模拟结果，提出了小净距隧道洞壁爆破振动速度的预测公式，量化了段药量、距离等参数对振动传播与衰减的影响。
在小净距隧道围岩的爆破损伤特征方面，杨杭澎等以厦门海沧疏港通道分岔隧道工程为基础，结合现场岩体声波测试结果研究了分岔隧道中夹岩的爆破损伤分布规律，研究表明隧道中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大。刘闽龙等对现场围岩损伤探测结果进行分析，发现中夹岩受相邻隧洞交替爆破影响损伤程度更高。曹峰等基于HJC本构模型开展的数值计算结果也表明后行洞循环多次爆破荷载下中夹岩最大损伤范围明显增加。因此，为严格控制后行洞掘进爆破对先行洞支护结构及围岩的损伤效应，工程技术人员采用了各种隧道爆破隔振和减振技术，以减小支护结构和围岩的损伤程度和范围，保证工程安全。石洪超等发现，在小净距隧道后行洞上台阶采用楔形掏槽爆破时，减小掏槽孔的布置角度可以降低爆破振动强度。另外，分段装药和延时爆破方式也可取得明显的减振效果。Wu等基于深圳莲塘高速公路隧道工程，采用四段分区爆破预留缓冲层和微差爆破技术，取得了良好的减振效果，有效减小了中夹岩的损伤范围。增设减振构造也是一种有效的减振方法，如增加减振孔直径、缩小间距等措施，可取得良好的减振效果。江伟等依托某高速公路隧道，研究了隧道衬砌减振层不同材料、厚度和高度对减振效果的影响，确定了适用于该连拱隧道的最优隔振方案。
由此可见，目前小净距隧道和连拱隧道在爆破荷载作用下的振动和损伤控制方法研究主要集中在爆破设计方案和起爆方法优化方面，针对隧道支护结构和围岩本身的被动减振措施和技术并不多见，而减振结构形式及材料、施工方法的优化对减小连拱隧道爆破损伤和振动效应十分重要。鉴于此，本文依托云南勐绿高速公路无中墙连拱隧道，以现场爆破振动监测和分析为基础，采用混凝土塑性损伤模型对后行洞爆破荷载作用下先行洞衬砌混凝土的损伤演化进行研究，分析后行洞爆破时预留隔振柱厚度、减振层布设位置等对隧道振动响应和衬砌损伤演化的影响，根据衬砌损伤程度及范围与振动速度之间的经验关系，提出针对该连拱隧道工程后行洞爆破时保证先行洞支护结构安全的控制方法和标准，为类似工程提供参考。
2 工程概况与爆破减振设计
2.1 工程背景
云南省勐醒—江城—绿春高速公路有多处连拱隧道工程，根据地质勘察报告，隧址区围岩等级主要为Ⅳ、Ⅴ级。隧道采用无中墙连拱结构形式（图1），单洞净宽11m，净高8.55m，支护系统由初期支护（锚杆、钢拱架、钢筋网加喷射混凝土）和二次衬砌（模筑混凝土）组成，具体参数见表1。
图1 连拱隧道衬砌形式
表1 衬砌支护设计参数
2.2 无中墙连拱隧道爆破施工减振措施
依托工程采用单洞法开挖，先行洞掌子面开挖30~35 m后，再采用台阶法开挖后行洞，两洞掌子面间距始终保持上述距离，且后行洞开挖必须在先行洞支护结构达到指定强度、变形稳定后进行。因此，无中墙连拱隧道爆破施工过程中的减振措施至关重要，缺失或不合理将可能造成隧道结构或围岩的失稳破坏，影响工程安全。为此，采用在后行洞爆破施工中预留隔振柱分区爆破，同时在先行洞衬砌结构中铺设泡沫混凝土减振层等多种减振措施。
2.2.1 后行洞爆破预留隔振柱
后行洞爆破开挖时，在开挖掌子面靠近先行洞一侧预留一定厚度的岩柱，即隔振柱，作为爆破区与先行洞衬砌结构之间的缓冲层，如图2所示，该区域在后行洞对应断面开挖完成后采用横向爆破方式开挖。隔振柱的存在减小了一次性爆破开挖面积，且预留隔振柱在新自由面的有利条件下，二次爆破对先行洞既有衬砌结构的影响将大幅减弱。基于爆炸应力波的传播理论，隔振柱厚度增加以后，先行洞衬砌临近隔振柱部位的约束也会增强，综合效应导致了复杂的振动速度及应力变化规律，需要进一步分析确定隔振柱的最优厚度。
图2 爆破开挖分区示意
2.2.2 先行洞衬砌减振层
目前，对于无中墙连拱隧道先行洞衬砌结构的爆破减振保护措施，常用的是在靠近后行洞一侧的衬砌外围铺设泡沫混凝土或其他材料的减振层，泡沫混凝土具有大量孔隙，能吸收围岩变形，可以有效保护衬砌结构的安全。隧道衬砌结构大多有两层，即“初期支护”和“二次衬砌”，因此，减振层的布设位置通常有两种：减振层处于初期支护外侧，即图3（a）阴影位置，可以改变围岩与先行洞迎爆侧衬砌层的刚性接触，通过变形缓冲，使应力波产生衰减，但同时较软的减振层难以限制围岩的变形，降低了围岩的承载能力，不利于初期支护发挥对围岩的支护作用；减振层处于二次衬砌外侧，如图3（b）阴影位置，初期支护将直接面对通过围岩传递过来的爆破冲击，可能因此会出现损伤与破坏，较早丧失承载力进而引起二次衬砌的破坏与失效。因此需要对减振层的最佳位置进行进一步研究与讨论。
图3 减振层位置
3 减振措施下连拱隧道动力响应研究
3.1 现场爆破振动监测
为了研究不同减振措施下先行洞振动分布与传播规律，评价减振效果，进行了现场爆破振动监测，现场监测所得振动数据可以用以验证数值模型计算结果的准确性与合理性。在先行洞洞壁二次衬砌迎爆侧拱腰处布设振动速度传感器，如图4所示。根据后行洞爆破掘进情况，确定先行洞内与后行洞掌子面同一平面位置的横截面位置，由此横截面向掌子面后方（已开挖区）布置3个振动监测点，距该横断面轴向距离分别为1m、1.5m、3.5m，距隧道底板1.8 m，如图5所示。在施工过程中对减振方案进行调整，监测不同减振措施下先行洞洞壁振动速度，结果见表2。
图4 振动监测装置现场布置
图5测点位置示意
表2峰值振动速度监测结果（单位：cm·s-1）
表2为上台阶爆破时振动速度现场监测数据，拱腰处测点水平向一侧为自由面，因此振动速度以水平向为主。由表2可见，掏槽段药量越大，测点越靠近掌子面，峰值振速越大；掏槽段药量一致时，当减振层位于初期支护外侧时，测点峰值振速有明显的降低。
3.2数值计算模型参数
受限于现场条件等客观因素，监测点不够连续、全面，对于结构塑性应变、损伤等指标难以直接测量，因此通过数值模拟对现场工作进行补充及完善。
用Abaqus有限元软件建立三维连拱隧道模型，如图6所示，模型尺寸为水平方向120m，竖直方向48m，沿开挖轴线方向60m。围岩采用Mohr-Cou⁃lomb本构模型，钢拱架、锚杆采用弹性本构模型，为实现衬砌混凝土材料的损伤与劣化，混凝土采用塑性损伤本构模型（CDP），其能准确反映混凝土材料在各种荷载及边界条件下的损伤发展与演化，损伤因子的具体计算公式可参考Abaqus用户手册。文献中，以混凝土开裂应变达到特定值作为破坏的标准，本文参考相同设定，二次衬砌C30混凝土开裂应变达到0.001时，损伤因子为0.73，残余拉应力与峰值拉应力比值为0.79，应变为峰值拉应力下应变的1.8倍，此时二次衬砌混凝土近似被破坏。
为减小边界效应的影响，设置等效黏弹性边界，通过在模型边界设置一层厚度较小的实体单元，修改其材料参数使其能在一定精度内模拟水平及深度方向的无限场。根据工程地质勘察报告和室内岩体力学试验，计算所需的各材料基本物理、力学参数，见表3~表5。隧道区围岩等级主要为Ⅳ、Ⅴ级，考虑到围岩节理的存在，岩体模型的变形模量有所折减。衬砌混凝土中的钢筋网在计算模型中不予体现，为强度储备。岩体在弹性振动区时，其力学参数数值随荷载变化较小，本文主要分析弹性区内的围岩及支护，特别是衬砌的响应，因此围岩及支护参数取值仍按照静力分析下的取值。
表3围岩材料参数
表4 CDP本构材料参数
表5 钢拱架/锚杆材料参数
3.3爆破荷载模拟
爆破过程中爆炸产生的应力波与高温高压气体在短时间内与孔壁附近的岩体发生复杂的相互作用，目前对于爆破的精确化模拟尚存在一定困难，本文对爆破过程进行简化，用爆炸荷载峰值和适当波形相结合的方法对其进行描述。首先，参照文献，炸药爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆轰压计算，有：
式中：ρ0为炸药密度；D为炸药爆轰速度；γ为爆轰产物的膨胀绝热指数。本工程中使用2#岩石乳化炸药密度取1310kg/m3，爆轰速度取3500m/s，绝热膨胀指数取3。
参考文献，针对隧道掘进中的钻孔柱状装药结构，爆孔岩石壁受到的冲击波压力可以采用式（2）计算：
式中：lb为炮孔长度；le为装药长度；db为炮孔直径；de为装药直径；n为压力增大系数；Pm平均爆轰压。
荷载时程曲线采用三角形荷载，持续时间统一取5ms。在计算过程中需要将孔壁荷载换算成等效弹性边界上的爆破荷载，具体方法参考文献。
后行洞上台阶开挖施工中预留核心土，分区分段爆破，如图7所示，先爆破掏槽段，开挖Ⅰ区左右导洞，再分段开挖Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区辅助孔，每段间隔100ms。
图7 后行洞爆破分区示意
表6 等效边界荷载示例
3.4 模型验证
对比后行洞爆破开挖掌子面前方1m处迎爆侧拱腰测点的水平向振动速度实测结果与数值计算结果，如图8所示。由于掏槽段首先起爆，自由面最少，振动速度峰值往往出现在第一个波峰处。计算结果各段波形起始时间与现场实测结果基本吻合，且分界较为清晰，掏槽段峰值振动速度计算值略大于实测数据，相对误差在可接受的范围内，在一定程度上说明建模合理，计算结果可信。
图8 振动速度时程曲线比较
4 减隔振参数比选及安全控制标准
4.1 隔振柱厚度比选
4.1.1 振动响应分析
在后行洞上台阶爆破开挖时，与后行洞掌子面处于同一横截面的先行洞洞壁各点峰值振速（PPV）如图9所示。由图9可知，先行洞横断面迎爆侧振动速度大于背爆侧振动速度，在迎爆侧拱腰处取得最大值；隔振柱厚度的增加削弱了应力波的冲击，取得了较好的缓冲效果，各点峰值振动速度都出现下降，其中迎爆侧拱腰处PPV下降最为明显，隔振柱厚度从1m增加至1.5m时，PPV从14.11cm/s减小至12.44 cm/s，降幅11.8%；隔振柱厚度从1.5m增加至2m时，PPV减小至11.39cm/s，减小了8.4%。
图9 不同隔振柱厚度下先行洞PPV横断面包络图（单位：cm·s-1）
先行洞迎爆侧拱腰PPV在掌子面前后的纵向分布如图10所示。由图10可知，振动速度于掌子面处取得最大值；随纵向距离的增加，振动速度逐渐减小；同一纵向距离下，PPV随隔振柱厚度的增加而减小。增加预留岩柱厚度对掌子面前后4m左右范围内的PPV有明显影响，超出此范围，不同隔振柱厚度下先行洞洞壁PPV的纵向分布差异较小。
图10 不同隔振柱厚度下先行洞PPV纵断面分布
4.1.2 衬砌结构损伤分布规律
在爆破荷载作用下，衬砌混凝土破坏形式以拉剪破坏为主，图11为先行洞二次衬砌混凝土在爆破作用下的损伤云图。由图11可知，衬砌损伤主要集中在掌子面迎爆侧拱腰处，该点临近掌子面且两侧均靠近临空面，支护效果较差，受爆破荷载影响最大。衬砌最有可能在该处最先出现破坏与失效，因此施工中宜加强对掌子面迎爆侧拱腰处的监测。
图11 爆破后先行洞衬砌损伤云图
CDP本构模型中损伤因子表征了材料的损伤状态，统计不同隔振柱厚度下先行洞二次衬砌迎爆侧拱腰损伤程度（最大损伤因子）与损伤因子大于0.6的单元体积，如图12所示。增加隔振柱厚度，缓冲效果更好，衬砌迎爆侧拱腰处最大拉应力有所降低，分别为1.11 MPa、1.07 MPa和1.03 MPa，对应的衬砌迎爆侧拱腰损伤程度也有所减少。在上台阶分段开挖下，预留隔振区面积增大，减小了一次性开挖体积，在卸荷效应和应力重分布的影响下，衬砌应力减小，衬砌整体稳定性更高，因此后行洞掌子面前后衬砌损伤范围随隔振柱厚度的增加有较大幅度的下降。
图12 不同预留岩柱厚度下先行洞衬砌损伤程度与范围
4.1.3 减振柱最佳厚度
综上，隔振柱厚度的增加可以减小先行洞洞壁的振动响应及损伤，但仅在掌子面前后4m范围内振动有明显降低，且降低效果递减，预留较厚的岩柱区域在后续针对预留部分进行横向爆破时易对衬砌及围岩造成更大的破坏。针对所讨论的实际工程，如果先行洞衬砌在后行洞爆破掌子面前后一定范围内出现连续大面积破坏与失效时可考虑增加隔振柱厚度，若无上述情况，建议在后行洞爆破时于靠近先行洞一侧预留宽1m的隔振柱即可。
4.2 减振层位置比选
4.2.1 振动响应分析
对比两种减振层位置的振动响应，如图13、图14所示。可知，先行洞衬砌峰值振动速度于掌子面迎爆侧拱腰处取得最大值。减振层铺设在初期支护外侧时，因其更靠近爆源，变形缓冲效果更好，在隔振柱厚度一致的情况下，先行洞衬砌PPV有明显降低，掌子面迎爆侧拱腰处PPV减小30%，这与现场振动监测结果一致。
图13 不同减振层位置下先行洞PPV横断面包络图（单位：cm·s-1）
图14 不同减振层位置下先行洞PPV纵断面分布
4.2.2 初期支护衬砌结构损伤分布规律
对比两种减振层位置下先行洞衬砌的损伤分布范围，如图15所示，由后行洞爆破产生的衬砌损伤也都集中分布于先行洞迎爆侧拱腰处。按照新奥法理论，混凝土初期支护与围岩承担大部分荷载，当减振层位于初期支护外侧时，较软的减振层无法限制围岩的变形，围岩承载能力减小，先行洞衬砌在自重荷载下最大应力增加10%，虽然衬砌振动响应的强度有所减小，但应力水平较高，在后续爆破施工扰动下更易出现损伤。因此减振层铺设于初期支护外侧时，先行洞衬砌损伤范围更大，衬砌结构损伤程度也更高。
图15 不同减振层位置下先行洞衬砌损伤范围
4.2.3 初期支护减振层最优位置
综上所述，将减振层铺设在初期支护外侧时，有效减小了先行洞洞壁振动速度，但先施工减振层再施工初期支护，不利于初期支护发挥对围岩的支护作用，降低了隧道的整体承载能力，衬砌在爆破荷载下损伤增大；另外考虑施工工序，在初期支护成型后再铺设减振层泡沫混凝土，更易控制减振层施工质量，因此减振层铺设在二次衬砌外侧为最优。
4.3 爆破损伤安全控制方法
由于围岩及衬砌的损伤情况和支护结构的稳定性难以有直观的指标可以测量和判断，振动速度在一定程度上可以反映衬砌应力、围岩损伤范围等指标，进而判断整体结构的稳定性及损伤情况，工程上也多以质点振动速度作为安全控制标准。
现行《爆破安全规程》（GB6722—2014）对安全允许质点振动速度也有明确要求，但并未将无中墙连拱隧道这一特殊隧道形式单独考虑，在使用中多有不便，因此需要结合实际工程确定适用于无中墙连拱隧道的先行洞衬砌临界破坏振速。
针对本文所讨论的工程背景，采取最优减振方案时，各台阶开挖步下，先行洞衬砌损伤程度及范围随洞壁PPV的变化如图16所示。由图16可知，当爆破荷载较小，随着洞壁PPV的增大，衬砌混凝土损伤程度缓慢增长，衬砌损伤范围并未有明显增大；当荷载逐渐增大，振动速度超过26.22cm/s时，衬砌损伤程度及损伤范围开始加速增长，说明衬砌开始大范围破坏和失效；当衬砌PPV为26.22cm/s时，迎爆侧拱腰处最大拉应力达到1.25MPa，小于规范要求的C30混凝土抗拉强度设计值（1.43MPa），此时衬砌损伤因子达到0.69，小于上文定义的损伤阈值（0.73）。
图16 先行洞衬砌损伤程度及范围与PPV关系曲线
从保护先行洞衬砌的角度出发，预留一定的安全储备，后行洞爆破时应控制先行洞洞壁最大PPV不超过25cm/s。将该速度视为爆破的控制标准，在后续的施工中振动速度未超过控制标准，先行洞衬砌未出现明显开裂破坏，后行洞围岩变形稳定，说明该安全控制标准实用可靠。
5 结 论
以实际工程为依托，结合现场振动监测数据与有限元数值模拟，研究了隔振柱、减振层两种常规减振措施在连拱隧道爆破中的应用及减振效果，为隔振柱最优厚度、减振层最佳布设位置的确定提供理论依据，进一步提出了以先行洞洞壁PPV为指标的安全控制标准，具体结论可归纳为如下几点：
（1）在连拱隧道后行洞爆破开挖时，先行洞洞壁最大PPV出现在与后行洞掌子面位于同一横截面的迎爆侧拱腰处，迎爆侧PPV大于背爆侧PPV；先行洞衬砌混凝土最大损伤出现在该横截面迎爆侧拱腰处，应重点监测。
（2）增加后行洞爆破隔振柱的厚度降低了掌子面前后4m左右范围内先行洞洞壁振动速度，减小了衬砌混凝土损伤范围，但过厚的隔振柱会增强先行洞迎爆侧衬砌的约束效应，且在后续针对保留部分的二次爆破中增加衬砌损伤与破坏的风险，建议预留1m厚隔振柱。
（3）与减振层铺设在二次衬砌外侧相比，减振层位于初期支护外侧时，衬砌振动明显减小，但同时会降低围岩的承载力，衬砌应力增大，爆破荷载下衬砌混凝土的损伤增大。为保护支护结构，减小先行洞衬砌在后续爆破施工中的损伤，建议将减振层铺设于先行洞二次衬砌外侧。
（4）针对本文所讨论的实际工程，以先行洞洞壁PPV为安全控制指标，即要求与后行洞爆破掌子面处同一截面的先行洞迎爆侧拱腰处PPV不超过25 cm/s。在该控制标准下，后续爆破施工衬砌未出现明显开裂及破坏，变形稳定可控。
摘自《现代隧道技术》