既有隧道加固后對小凈距隧道爆破震動響應數值模擬研究

李萍萍 茍勝榮

(楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100)

既有隧道加固后對小凈距隧道爆破震動響應數值模擬研究

李萍萍 茍勝榮

(楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100)

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

既有隧道；爆破震動；加固；數值模擬

1.工程概況

在實際工程中，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行等效的數值模擬，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《鋼結構設計原理》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，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，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，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，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，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實體單元，襯砌采用 shell163殼單元。計算模型中，圍巖、炸藥、堵塞段和空氣段采取共用節點法劃分網格。模型坐標X與新建隧道邊墻垂直，Z對應新建隧道軸向，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構安全和正常運營，同時節約成本。

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，進行了等效加固數值模擬，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行了分析，如圖 5所示，通過相關文獻可知，既有隧道的最大振速出現在邊墻的位置，節點監測布置如圖3所示。

圖3 節點監測布置位置圖

圖4 單元監測布置位置圖

（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程曲線

通過圖5的數值分析，數據列于表2。

表2 爆破振動數據

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程曲線圖上，5ms內都出現了一段直線，值的大小為0，這是由于爆源與監測點有一定的距離，爆破產生的爆炸波需要一定的時間傳到監測點的位置，但是這個時間很短，還不到 5ms，說明爆炸的速度很快，當爆炸波傳到監測點，振速逐漸變大，當振速達到最大時，然后就逐漸變小，隨著時間的推移，振速的波動變得很小，趨于穩定。

4.結論

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，同時還增加了工程成本。

[1] 李術才, 朱維申, 陳衛忠, 等.彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預估系統研究中的應用[J] .巖石力學與工程學報, 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，主要從事建筑結構教學工作。