偏壓對(duì)小凈距隧道爆破開挖的影響分析

摘 要：運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件，數(shù)值模擬淺埋偏壓小凈距隧道在不同埋深、不同偏壓角度下，后行洞爆破開挖對(duì)先行洞的振動(dòng)影響情況，對(duì)比分析得出在爆破振動(dòng)作用下，埋深及偏壓角度對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：偏壓隧道;爆破振動(dòng);初期支護(hù);數(shù)值模擬

近年來，對(duì)于淺埋偏壓小凈距隧道的受力形式以及其破壞機(jī)理，眾多學(xué)者做了相關(guān)研究。王漢鵬等[1]通過有限元彈塑性的三維彈塑性的損傷耦合模型，模擬偏壓隧道的巖體變形和損傷破壞特性，得到了合理的小凈距淺埋偏壓隧道開挖工序;陶連金、張印濤等[2]應(yīng)用遍歷節(jié)理模型對(duì)偏壓隧道的施工過程和結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，分析了隧道圍巖的受力以及變形破壞的特點(diǎn);師偉、展宏越等[3]分別通過隧道圍巖變形監(jiān)控量測(cè)方法和有限元分析計(jì)算兩種方法對(duì)黃土偏壓隧道破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了在黃土偏壓隧道施工時(shí)地表和隧道圍巖的變形破壞機(jī)制。同時(shí)根據(jù)偏壓隧道的受力及變形特點(diǎn)，對(duì)偏壓的合理開挖順序做了一定研究。張運(yùn)良等[4]研究小凈距淺埋偏壓隧道在不同的凈距、偏壓角度、埋深條件下，分別先開挖淺埋或者深埋側(cè)隧道下圍巖的受力以及變形特征，得到了小凈距偏壓隧道在不同條件下的合理開挖順序。但是以上結(jié)果都是基于在靜力作用下隧道的受力及變形特性得出的，未考慮隧道在爆破振動(dòng)作用下的響應(yīng)結(jié)果。

一、有限元模型建立

采用有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖﨧IDAS/GTS進(jìn)行小凈距偏壓隧道數(shù)值模擬分析，模型邊界取4倍左右的隧道開挖洞徑，上邊界為自由邊界。圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。模型的初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，模型在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)，圍巖為實(shí)體單元，采用四面體單元進(jìn)行劃分;初期支護(hù)劃分為板單元，厚度為26cm;錨桿定義為植入式桁架單元，錨桿長(zhǎng)度L=3.5m。建立的隧道三維典型模型圖如下圖1所示。同時(shí)把圍巖視為連續(xù)的彈塑性體，根據(jù)相關(guān)規(guī)范選取各項(xiàng)材料的基本參數(shù)，模型中圍巖及材料基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

二、埋深的影響

偏壓隧道與一般隧道的區(qū)別受到隧道埋深的影響，因此在研究不同埋深情況下，爆破振動(dòng)對(duì)既有偏壓隧道的影響時(shí)，要通過對(duì)比分析在偏壓與未偏壓時(shí)先行隧道在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)情況。

由MIDAS-GTS分析得出：在不同埋深時(shí)，因后行洞爆破開挖，先行洞在偏壓情況與未發(fā)生偏壓情況下的初期支護(hù)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)水平徑向峰值振速，見表2：

三、偏壓角度的影響

由上節(jié)可以看出，偏壓隧道后行洞爆破振動(dòng)主要對(duì)先行洞的拱腰及拱頂有明顯影響，并且對(duì)拱腰及拱頂?shù)挠绊懸?guī)律一致。因此，在研究偏壓角度對(duì)爆破振動(dòng)的影響時(shí)，只需研究迎爆側(cè)拱腰位置（5#關(guān)鍵點(diǎn)）的振速變化即可。由MIDAS/GTS分析得出：偏壓隧道在不同偏壓角度時(shí)，先行隧道初期支護(hù)在后行隧道爆破作用下5#關(guān)鍵點(diǎn)水平徑向峰值振速見下表5：

四、結(jié)語

（一）當(dāng)隧道偏壓時(shí)，后行洞爆破振動(dòng)主要對(duì)先行洞的拱腰及拱頂有明顯影響，其中對(duì)拱腰位置的影響最為明顯。

（二）但是隨著埋深的增加，偏壓隧道后行洞爆破振動(dòng)主要對(duì)先行洞的拱腰及拱頂?shù)挠绊懼饾u變小，并且當(dāng)埋深達(dá)到2.5倍開挖洞徑時(shí)，后行洞爆破對(duì)偏壓隧道先行洞的影響中，先行洞的偏壓情況可以忽略;同時(shí)當(dāng)偏壓隧道埋深大于2.5倍洞徑時(shí)，可以不用考慮埋深對(duì)先行隧道初支結(jié)構(gòu)在爆破爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)影響。

（三）當(dāng)隧道偏壓時(shí)，隧道埋深與偏壓角度對(duì)偏壓隧道爆破振動(dòng)影響的規(guī)律是不同的，因而在研究偏壓隧道爆破對(duì)先行隧道的振動(dòng)影響時(shí)應(yīng)綜合考慮隧道埋深與偏壓角度。

（四）當(dāng)埋深小于0.5倍隧道開挖寬度時(shí)，先開挖淺埋側(cè)隧道對(duì)先行洞因后行洞爆破的振動(dòng)影響較小;當(dāng)埋深大于0.75倍隧道開挖寬度時(shí)，先開挖深埋側(cè)隧道對(duì)先行洞因后行洞爆破的振動(dòng)影響較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]王漢鵬，李術(shù)才，鄭學(xué)芬.偏壓分岔隧道施工過程損傷破壞分析與優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué)，2009，30（6）：1705-1710

[2]陶連金，張印濤，姜德義等.某深埋偏壓公路隧道圍巖破壞機(jī)理及防治對(duì)策研究[C].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2007：712-716

[3]展宏躍，王起才.淺埋偏壓黃土隧道洞口段變形破壞分析及整治措施研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7（4）：117-120

[4]張運(yùn)良，扶曉康，劉海林等.淺埋小凈距偏壓隧道合理開挖順序探討[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，10（5）：57-63.

作者簡(jiǎn)介：廖春泉（197206），男， 四川， 高級(jí)工程師，學(xué)歷： 本科。