既有隧道加固后對小凈距隧道爆破震動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬研究

李萍萍 茍勝榮

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100)

既有隧道加固后對小凈距隧道爆破震動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬研究

李萍萍 茍勝榮

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100)

本文主要研究了在新建隧道爆破時(shí)，既有隧道的加固措施，以實(shí)際工程為依托，進(jìn)行了有限元的相關(guān)計(jì)算，通過等效計(jì)算分析了不同間距的鋼拱架作用。

既有隧道；爆破震動(dòng)；加固；數(shù)值模擬

1.工程概況

在實(shí)際工程中，在DK80+354～DK80+391段，既有隧道襯砌背后采用鉆孔壓注M30水泥砂漿進(jìn)行了加固，鉆孔直徑是50mm，徑向間距是2.5m，縱向間距是5.0m，梅花型布置，孔深應(yīng)打穿二次襯砌，注漿壓力不大于0.5MPa。為確保安全，工程中將對既有線此段隧道采用I16型鋼拱架進(jìn)行加固，鋼拱架間距1榀/m（如圖1）。

圖1 既有隧道小凈距段鋼拱架加固圖

2.模型的建立

2.1 加固措施的簡化

本文對鋼拱架加固措施進(jìn)行等效的數(shù)值模擬，把既有隧道鋼拱架的彈性模量折算給與它相鄰的混凝土襯砌，具體為：

折算后砼彈模=原砼彈模+鋼拱架面積x鋼材彈模/砼的截面積。

在這個(gè)公式中原混凝土彈性模量為2.3x1010pa，鋼拱架采用I16型鋼，鋼拱架截面積查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》附表F.4得26.131cm2，型鋼彈性模量20.5 x1010pa，混凝土的截面面積根據(jù)鋼拱架的間距確定，混凝土的厚度為25cm。

既有隧道加固鋼拱架間距為0.3m時(shí)，折算后的彈性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x30=3.0142 x1010pa

既有隧道加固鋼拱架間距為0.5m時(shí)，折算后的彈性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x50=2.7285 x1010pa

既有隧道加固鋼拱架間距為1.0m時(shí)，折算后的彈性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x100=2.5 x1010pa

既有隧道加固鋼拱架間距為2.0m時(shí)，折算后的彈性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x200=2.4071 x1010pa

既有隧道加固鋼拱架間距為5.0m時(shí)，折算后的彈性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x500=2.343 x1010pa

2.2 模型

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元程序，采用空間三維來模擬新建隧道爆破時(shí)既有隧道不同間距鋼拱架的加固方案。在鋼拱架加固等效數(shù)值模擬過程中，有限元模型的尺寸取為75m×42m×35m，整體有限元模型如圖2所示。模型六個(gè)邊界均施加無反射邊界，模型底部施加三向約束。有限元模型中，圍巖采用solid181實(shí)體單元，襯砌采用 shell163殼單元。計(jì)算模型中，圍巖、炸藥、堵塞段和空氣段采取共用節(jié)點(diǎn)法劃分網(wǎng)格。模型坐標(biāo)X與新建隧道邊墻垂直，Z對應(yīng)新建隧道軸向，Y垂直面X軸與Z軸形成的平面。

圖2 鋼拱架等效加固，有限元模型

3.鋼拱架等效加固模擬振速分析

本文選取里程為DK356的爆破斷面，采用ANSYS/LS-DYNA有限元程序分析了既有隧道的不同間距下鋼拱架等效加固下的振速，確定合理的鋼拱架間距，既能保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營，同時(shí)節(jié)約成本。

既有隧道選取了不同鋼拱架間距（如表1所示）、未采用鋼拱架及混凝土彈性模量為1.5 x1010pa的七種工況，進(jìn)行了等效加固數(shù)值模擬，分析了不同間距的鋼拱架等效加固對既有隧道的影響及其合理性。表中S代表鋼拱架的間距。

表1 鋼拱架間距分類

首先對爆破荷載下既有隧道襯砌的振速進(jìn)行了分析，如圖 5所示，通過相關(guān)文獻(xiàn)可知，既有隧道的最大振速出現(xiàn)在邊墻的位置，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測布置如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測布置位置圖

圖4 單元監(jiān)測布置位置圖

（a） 彈性模量1.5 x1010pa

（b） 未加固

（c） S=5m

（d） S=2m

（e） S=1m

（f） S=0.5m

圖5 既有隧道邊墻速度時(shí)程曲線

通過圖5的數(shù)值分析，數(shù)據(jù)列于表2。

表2 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)

三 5 2.343 x1010 8.61四 2 2.4071 x1010 8.63五 1 2.5 x1010 8.67六 0.5 2.7285 x1010 8.74七 0.3 3.0142 x1010 8.82

由圖5分析可知，在所有的既有隧道邊墻速度時(shí)程曲線圖上，5ms內(nèi)都出現(xiàn)了一段直線，值的大小為0，這是由于爆源與監(jiān)測點(diǎn)有一定的距離，爆破產(chǎn)生的爆炸波需要一定的時(shí)間傳到監(jiān)測點(diǎn)的位置，但是這個(gè)時(shí)間很短，還不到 5ms，說明爆炸的速度很快，當(dāng)爆炸波傳到監(jiān)測點(diǎn)，振速逐漸變大，當(dāng)振速達(dá)到最大時(shí)，然后就逐漸變小，隨著時(shí)間的推移，振速的波動(dòng)變得很小，趨于穩(wěn)定。

4.結(jié)論

從振速分析可得，隨著鋼拱架加固間距的減小，也就是通過等效計(jì)算既有隧道襯砌的彈性模量逐漸增大，振速逐漸變大，但是增大幅度不是很大，說明一味的減小間距，并不是很好的抗爆辦法，同時(shí)還增加了工程成本。

[1] 李術(shù)才, 朱維申, 陳衛(wèi)忠, 等.彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002, 21(4) ∶ 466-470.

U445

B

1007-6344（2015）03-0192-02

李萍萍，1985年生，女，江蘇連云港人，碩士，助教，主要從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)工作。