爆破開挖路塹對(duì)羅依溪隧道安全影響的數(shù)值分析

董 翔

(都勻高速公路管理處，貴州都勻 558000)

1 工程概況

新建永吉高速公路在焦柳鐵路K1040+752.36處以路塹形式上跨焦柳鐵路羅依溪隧道，因公路路塹開挖導(dǎo)致隧道頂覆土減薄，對(duì)應(yīng)的鐵路里程范圍為K1040+723～K1040+811，影響范圍內(nèi)原隧道頂覆土厚度為93 m～119 m，高速公路建成后，公鐵交叉點(diǎn)處鐵路隧道頂至公路路面的最小覆土厚度為55.3 m，即公路路塹的最大挖深約52 m。

鑒于既有焦柳鐵路隧道建于20世紀(jì)70年代，為當(dāng)時(shí)的三線建設(shè)工程，其工程施工質(zhì)量受當(dāng)時(shí)環(huán)境的影響較大。由于隧道上覆開挖土層挖方量大，采取一般的開挖方式存在諸多困難和不足，因此考慮采用爆破開挖路塹。路基面下方存在鐵路隧道，有必要對(duì)爆破引起的隧道振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算。研究內(nèi)容包括:隧道振動(dòng)規(guī)律、邊坡開挖加固控制措施等。本文采用有限元軟件對(duì)隧道洞頂爆破開挖圍巖振動(dòng)影響進(jìn)行數(shù)值分析。

本文通過大型有限元模擬軟件ABAQUS，模擬路塹爆破開挖，以計(jì)算爆破對(duì)隧道及邊坡的影響，為隧道及邊坡的施工及監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

2 建立模型

本模型采用ABAQUS提供的顯式積分算法，計(jì)算爆破荷載作用對(duì)邊坡及隧道圍巖產(chǎn)生的影響。

2.1 邊界條件

由于ABAQUS計(jì)算采用的模型為有限元模型，為了盡量滿足實(shí)際工程地質(zhì)條件，除控制模型尺寸外，對(duì)邊界進(jìn)行如下條件限制:限制模型底面豎直方向位移，同時(shí)在X方向限制模型X軸向邊界位移，Y方向限制模型Y軸向邊界位移。

2.2 模型尺寸及材料參數(shù)

按照永吉高速公路設(shè)計(jì)施工圖以及既有鐵路竣工圖等相關(guān)資料，利用ABAQUS軟件建立三維有限元模型(見圖1)。

圖1 ABAQUS計(jì)算模型

在網(wǎng)格劃分時(shí)，由于不考慮水的作用，采用的是C4D4(四節(jié)點(diǎn)四面體)單元［8］。根據(jù)所提供的資料以及相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，在有限元分析中，圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 爆破荷載計(jì)算及加載方法

ABAQUS對(duì)爆破荷載的施加一般有三種方法:1)用狀態(tài)方程模擬炮轟產(chǎn)物以獲得作用在孔壁上的壓力［9-11］;2)半經(jīng)驗(yàn)化公式計(jì)算得到作用在孔壁上的壓力;3)基于圣維南原理將爆轟壓力等效加載在孔壁連線上［12］。前兩種方法對(duì)于較小的ABAQUS模型較為適用，但遇到較大模型時(shí)，由于炸藥孔徑小而模型大，會(huì)給模型網(wǎng)格劃分造成困難，往往導(dǎo)致計(jì)算不收斂或者網(wǎng)格劃分過多導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長。而對(duì)于較遠(yuǎn)距離來說，三種方法得到的結(jié)果相近。由于本報(bào)告中所采用模型較大，且爆破點(diǎn)距離隧道頂部較遠(yuǎn)(超過50 m)，本文采用第三種等效加載方式。

本文采用的炸藥布置方案為:炮眼2 m×2 m間隔布置，孔徑為40 mm，藥卷直徑為32 mm，單藥卷長200 mm，單孔采用8個(gè)藥卷長1.6 m重5.5 kg，單孔深3 m，一次爆破采用3×10布置炮眼共30孔，單次爆破總耗藥量為165 kg。

對(duì)于等效荷載的大小，一般通過半經(jīng)驗(yàn)化公式計(jì)算單孔壁上壓力再通過圣維南原理計(jì)算得到孔壁連線上均布?jí)毫Α１疚耐ㄟ^該計(jì)算方法得到的單列炮眼對(duì)側(cè)向孔壁壓力峰值為10.16 MPa，徑向孔壁荷載最大值為50.8 MPa。

根據(jù)潘曉馬等［13］分析，Ⅲ級(jí)圍巖爆破作用在隧道壁上的圍巖峰值壓力為10 MPa，與計(jì)算結(jié)果接近，為確保安全，本報(bào)告取為計(jì)算值 10.16 MPa。

單排炮眼荷載布置如圖2所示。

圖2 單排炮眼荷載布置圖

簡化爆破荷載曲線為三角形荷載曲線，如圖3所示。其中，爆破荷載在10 ms時(shí)刻達(dá)到峰值，在之后90 ms逐漸衰減至0。

3 爆破引起的邊坡位移分析

距離邊坡最高點(diǎn)不同距離位移曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著邊坡深度的增加，邊坡位移減小。說明爆破對(duì)邊坡的影響沿深度方向呈遞減趨勢(shì)。

路塹開挖導(dǎo)致路塹上方出現(xiàn)長大邊坡，因此有必要考察爆破作用下邊坡的位移。由于本模型考慮了重力的影響，而ABAQUS/Explicit模塊無法進(jìn)行地應(yīng)力的平衡，為避免土體自重作用下引起的位移帶來的誤差，需要單獨(dú)計(jì)算重力作用下的位移。僅考慮重力與同時(shí)考慮重力和爆破荷載作用下的位移云圖如圖5，圖6所示。

圖3 三角形爆破荷載加載圖

圖4 邊坡位移隨深度變化曲線

圖5 重力作用下位移云圖

圖6 重力與爆破荷載共同作用下位移云圖

在同一坐標(biāo)系中繪制兩種情況下的位移—時(shí)間曲線，見圖7。

從圖7可看出，僅在重力作用下和重力爆破荷載同時(shí)作用下的曲線基本重合。因此爆破作用對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性基本無影響。但由于ABAQUS的局限性，無法完全模擬施工遇到的各種情況，如爆破震動(dòng)引起的邊坡開裂、松散等，施工過程中有必要對(duì)邊坡位移及振速進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)新建高速公路采用爆破開挖路塹跨既有鐵路隧道交叉部位建立了三維數(shù)值分析模型，考察爆破引起的邊坡位移、襯砌振動(dòng)速度以及襯砌加速度隨施工進(jìn)程的變化規(guī)律。

圖7 爆破作用引起的邊坡位移曲線

本文采用的炸藥布置方案為:炮眼2 m×2 m間隔布置，孔徑為40 mm，藥卷直徑為32 mm，單藥卷長200 mm，單孔采用8個(gè)藥卷長1.6 m重5.5 kg，單孔深3 m，一次爆破采用3排×10孔布置炮眼共30孔，單次爆破總耗藥量為165 kg。

得出以下主要結(jié)論:

1)爆破對(duì)邊坡的影響沿深度方向呈遞減趨勢(shì)。隨著邊坡深度的增加，邊坡位移減小。

2)在隧道頂部55.2 m以上采用爆破開挖路塹對(duì)隧道及邊坡位移及整體穩(wěn)定性影響不大。

3)根據(jù)不同的施工面，炮眼可采取3排×10孔或5排×6孔交叉間隔布置。單次爆破排間采用微差爆破方式以提供更大自由面同時(shí)減小單次爆破引起的振動(dòng)，微差時(shí)間控制在100 ms左右。

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