无中间墙的双拱隧道在爆破作用下的动态响应与振动控制

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Blast-induced dynamic response and vibration control of double-arch tunnels without the center wall

爆破振动在无中心墙双拱隧道中的衰减规律与动态响应研究。通过现场监测与数值模拟，揭示振动衰减特性随距离变化规律，建立等效传播距离的峰值粒子速度预测模型，分析先进隧道的横向纵向动力响应，提出多区段微差爆破优化方案并验证有效性。研究显示距爆源25米内随距离增加衰减更快，跨断面对称性差异显著，优化方案可使振动峰值降低34.5%并避开隧道固有频率。

　　

魏江|杨碧玉|高启东|王亚雄|杨兆伟|张作富|郭远伟

长安大学公路学院，中国陕西省西安市710064

摘要

过度爆破引起的振动会损坏隧道衬砌结构，尤其是在建造没有中间墙且隧道间距为零的双拱隧道时。因此，确保结构安全需要清楚地了解动态响应并优化爆破设计。本研究回顾了典型的高速公路双隧道横截面配置，以阐明没有中间墙的双拱隧道的结构特性。通过现场监测，研究了此类隧道中爆破引起的振动的传播和衰减特性。然后，通过引入等效传播距离，建立了一个峰值粒子速度（PPV）预测模型。接着，开发了一个动态有限元模型来分析先进隧道的横向和纵向响应。在此基础上，提出了一种优化的多区毫秒延迟爆破方案，并通过带有振动监测的现场测试进行了验证。结果表明，先进隧道和后续隧道中的爆破振动衰减特性不同。当距离爆破源小于25米时，后续隧道中的振动衰减速度比先进隧道快，而超过这个范围后，衰减趋势变得相似。通过引入等效传播距离，所提出的模型可以有效地预测没有中间墙的双拱隧道中的PPV。先进隧道爆破侧的PPV沿隧道轴线随距离工作面的增加而减小。在横截面中，最大PPV出现在隧道拱肩附近，大约是拱跨处的1.6–1.7倍，是拱脚处的1.7–2.6倍。优化的多区毫秒延迟爆破方案将PPV降低了约34.5%，并且产生的主导振动频率高于隧道结构的自然频率，表明其在没有中间墙的双拱隧道挖掘过程中的振动控制效果显著。

引言

传统的双拱隧道通常使用单导洞或三导洞方案进行挖掘；然而，这些方法中固有的分阶段程序和重复应力重分布使得施工和设计变得复杂（Sui等人，2021年；Min等人，2020年）。为了克服这些限制，提出了一种没有中间墙的双拱配置，以简化施工同时保持结构性能。在隧道挖掘过程中，由于成本效益高和对地质条件的要求相对较低，钻孔和爆破被广泛采用作为主要的挖掘方法（Luo等人，2022年）。然而，爆破引起的振动往往是對相邻结构最严重的不利影响（Hasanipanah等人，2017年；Shan等人，2023年；Bian等人，2019年）。在这里考虑的配置中，两个相邻拱的初始支撑直接连接，间距为零，这增加了结构对爆破振动的敏感性（Jian等人，2024年；Ling等人，2023年）。过度振动可能会损坏甚至导致相邻隧道结构的坍塌（Guan等人，2022年；Li等人，2013年）。因此，研究爆破振动对隧道结构的影响对于确保没有中间墙的双拱隧道的结构安全至关重要。

爆破挖掘引起的相邻隧道结构的动态响应已成为隧道工程中的一个重要问题。以往的研究已经研究了在不同隧道配置下的爆破振动响应和结构安全性，包括交叉隧道、间距紧密的隧道、双隧道以及受到附近挖掘影响的现有隧道（Wang等人，2022年；Du等人，2021年；Zhao等人，2024年）。对于这些典型的隧道配置，在理解振动放大和衰减、峰值粒子速度（PPV）分布、波传播特性以及隧道衬砌在爆破扰动下的动态响应方面取得了实质性进展（Lu等人，2025年；Wang等人，2024年；Yang等人，2019年）。特别是，结合现场监测和数值模拟的方法被广泛用于研究复杂施工条件下的振动传播和结构响应，并已被证明是评估爆破对相邻隧道结构影响的有效方法（Xu等人，2023年；Zhao等人，2022年）。除了现场和数值研究外，分析和理论研究还表明，界面条件、波传播路径和岩体特性等因素也会显著影响地下结构在爆破载荷下的动态响应（Fang等人，2025年；Fang等人，2026年）。

目前，控制相邻地下结构中爆破引起的振动的策略主要包括爆破设计优化、波传播路径控制和结构保护。在爆破设计中，优化延迟时间和减少每次延迟的最大装药量被广泛认为是限制波叠加和降低振动强度的有效方法。Zhao等人（2024年）表明，爆破参数在铁路交叉隧道的振动响应和安全性中起着关键作用，而Guan等人（2019年）通过现场测试证明，优化隧道爆破孔的延迟时间可以显著减少爆破振动。对于基于电子雷管的振动减少和隧道工程中的爆破参数优化也得出了类似的结论，进一步强调了精确起爆控制和参数优化在隧道爆破中的重要性（Iwano等人，2020年；Zhang等人，2024年）。除了源头控制外，还有一些研究通过使用阻尼孔、隔离层或预裂裂缝来探索沿传播路径的振动波衰减。Wu等人（2023年）研究了小间隙相邻隧道的振动减少技术，并阐明了周围岩石损伤的相关机制。先前研究还考虑了接收隧道的结构保护。Xia等人（2024年）和Zhang等人（2025年）进一步表明，在制定振动安全控制措施时应明确考虑现有衬砌的状况和适当的控制技术选择。然而，这些研究主要是针对其他隧道配置进行的，并未充分考虑没有中间墙的双拱隧道的结构特性。因此，这种隧道配置的振动衰减规律、结构响应和爆破参数优化仍不够明确。

没有中间墙的双拱隧道是一种特殊的双孔配置，其中先进隧道和后续隧道的主要支撑拱相互重叠，共同形成一个完整的隧道结构。由于这种结构特性，爆破引起的振动可能表现出不同的传播和衰减特性，因此先进隧道的动态响应可能更为复杂。尽管如此，对这些隧道的爆破诱导动态响应及相关振动控制策略的全面研究仍然有限，特别是在振动衰减和结构保护的爆破参数优化方面。因此，本研究通过现场监测和数值模拟研究了一种超大截面的没有中间墙的双拱隧道。引入了等效传播距离来建立PPV预测模型，分析了先进隧道的横向和纵向动态响应，并提出并验证了一种优化的多区毫秒延迟爆破方案。结果为类似隧道项目的振动评估和爆破设计提供了依据。

节选内容

没有中间墙的双拱隧道配置演变和特性

图1展示了高速公路隧道横截面配置的谱系，包括分离的隧道、间距紧密的隧道、传统的双拱隧道以及没有中间墙的双拱隧道。

在实际应用中，当地形限制、土地使用要求和环境限制相对适中时，通常采用分离的双隧道，因为它们提供了足够的结构独立性和施工灵活性（图1(a)）。随着土地使用的限制...

隧道位置和地质条件

Dulang隧道是Wutangxun高速公路项目的一部分，位于中国云南省昆明市。如图2所示，隧道线路从K21 + 407.04延伸到K21 + 900，总长度为492.96米，最大覆土厚度为58.73米。隧道位于海拔1682.42米至1741.94米之间，相对高度差为59.52米。该地区位于构造剥露的中山地形中，地形起伏显著。

先进隧道的观测衬砌状况

在施工过程中，先进隧道同时受到初始支撑和二次衬砌的支撑，而此时后续隧道只有初始支撑，其二次衬砌尚未铺设。在这种条件下，先进隧道的衬砌经历了复杂的、不利的机械环境，包括偏载、双拱系统中的应力不平衡、施工阶段的应力重分布以及随后的爆破

数值模拟分析

隧道结构在爆破作业下的动态力学行为非常复杂，仅基于现场爆破振动监测的研究仍然有限。本研究使用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟，进一步分析了爆破引起的振动对先进隧道的影响特性。

爆破设计参数的优化

为了确保在后续隧道挖掘过程中先进隧道的结构安全，需要一个实用的工程控制标准来控制爆破引起的振动。根据间距紧密隧道的施工规范，Dulang隧道属于没有中间墙的双拱隧道类别，隧道间距小于单个挖掘横截面宽度的0.75倍。在这些条件下，...

没有中间墙的双拱隧道中的振动机制

爆破引起的振动及其控制一直是地下挖掘中的核心问题。大多数以往的研究表明，由于爆炸药量较大且在一个自由表面下起爆，切割爆破通常是周围岩石和相邻结构中PPV的主要来源（Tian等人，2019年；Jiang等人，2025年；Zhu等人，2023年）。然而，当前的结果表明，这种传统理解不一定适用于没有中间墙的双拱隧道

结论

通过结合现场监测和数值模拟，研究了没有中间墙的双拱隧道在爆破载荷下的动态响应。为先进隧道和后续隧道分别开发了PPV预测方程。此外，提出了一种优化的爆破方案，以提高施工方法的可靠性，并在项目现场进行了实施。所提出的方法为类似间距紧密的隧道提供了实用的指导

CRediT作者贡献声明

魏江：撰写——原始草稿、软件、方法论、资金获取。杨碧玉：验证、调查。高启东：方法论、资金获取、概念化。王亚雄：监督、资金获取、概念化。杨兆伟：正式分析、数据管理。张作富：软件、方法论。郭远伟：撰写——审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52379096）、中央高校基本科研业务费（300104240925）、陕西创新能力支持计划（2023-CX-TD-35）、陕西重点研发计划（2023KXJ-159）以及陕西自然科学基础研究计划（2025SYS-SYSZD-036）的财政支持。