平行導洞爆破擴挖對隧道圍巖穩定性的影響研究

康歡歡

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074）

1 概述

隧道建設的耗資大、周期長，在加快我國鐵路網建設的同時，越來越重視既有隧道設施的再利用，而我國在隧道擴挖方面還缺乏一定的施工經驗。鐵路隧道擴挖經常采用爆破施工，難度大、干擾因素多、安全風險高，隧道周邊巖體直接影響隧道開挖以后的穩定性以及襯砌設計的強度，當隧道平行導洞爆破擴挖掘進施工時對隧道圍巖穩定性影響較大，容易造成隧道失穩，甚至發生工程事故。本文依托實際工程研究平行導洞爆破擴挖形成隧道正洞，采用有限元數值模擬方法對平行導洞爆破擴挖過程的力學特征進行分析，確保施工的安全以及施工進度順利，加強對施工過程的管理。

2 有限元數值模型的建立與分析過程

2.1 有限元計算模型建立

為了保證數值分析的準確性與實際狀況的貼合度，所截取巖土體的尺寸根據其他巖土工程有限元分析研究進行取值：隧道開挖橫向左右巖土體取開挖洞徑的3 到5 倍、豎直向下巖土體取開挖洞高的3 至5 倍、豎直向上直至地表。參考上述標準，數值模擬計算模型尺寸定為60m×40m×80m。本文可采用一般的理想彈塑性模型，選用摩爾- 庫倫（Mohr-Coulomb）本構作為彈塑性模型的本構關系，選取M-C 屈服準則作為材料屈服的判定準則。

計算模型的材料參數選取如表1 所示。

表1

2.2 數值模擬中爆破動力荷載的施加形式與參數確定

在涉及爆破開挖的有限元數值模型中，選取合理的爆破參數對于數值模擬的結果的準確性發揮著至關重要的作用。將爆破的動力看作是垂直作用在巖壁上的面壓力，面壓力的數值是一個隨時間變化的脈沖函數。為了考慮結果準確性與計算簡便性，合理選取爆破荷載非常重要。本文根據實際工程爆破情況，擬采用三角波形作為爆破荷載的添加形式來模擬爆破對圍巖造成的影響；根據研究經驗，確定模型中爆破的加載時長t加=10ms，卸載時長t卸=90ms，然后確定爆破荷載的峰值，根據荷載的時程函數最終確定爆載；確定爆破荷載后，將爆破荷載等效為面壓力即可。在此過程中，盡量使得數值模擬參數的選取與實際情況相貼合，保證數值模擬的準確性。

2.3 爆破對隧道圍巖穩定性的影響分析

為了保證便于分析，加入了相同圍巖條件無平行導洞的對比模型（即全斷面開挖正洞），建立隧道全斷面開挖和平行導洞擴挖兩種施工方法得有限元數值模型，進尺分別取1m、2m、3m，以此六種情況進行數值模擬，分析隧道在爆破荷載作用下，平行導洞的擴挖對爆破后圍巖穩定性影響規律，為平行導洞爆破開挖形成正洞的施工方法的選擇提供一定的理論支持。

表2 爆破作用下隧道開挖施工方案表

通過對三種不同開挖進尺情況下平行導洞爆破擴挖與全斷面開挖過程進行有限元模擬計算，得到不同開挖進尺下隧道圍巖在爆破作用下最大的位移數值并提取開挖巖體拱頂最大豎向位移、仰拱最大豎向位移、邊墻最大橫向位移。爆破荷載作用下各測點圍巖的最大位移分析如下表所示：

表3 不同開挖進尺下拱頂豎向最大位移表（單位：mm）

表4 不同開挖進尺下仰拱豎向最大位移表（單位：mm）

表5 不同工況中左邊墻水平橫向最大位移表（單位：mm）

從上表的對比可以得出：

開挖進尺越大，爆破導致的位移值也越大，但是開挖進尺與圍巖位移不呈明顯的線性相關，開挖進尺從1m 增加到2m 時位移值變化最快，符合實際工程，即Ⅴ級圍巖開挖進尺通常不大于1m。

不同測點的位移值在不同施工方法情況下稍有不同，爆破作用下圍巖最大位移所呈現的規律為全斷面開挖>平行導洞擴挖，即平行導洞的存在會減低隧道開挖時圍巖的穩定性。

3 結論

綜上所述，隧道既有平行導洞的爆破擴挖形成正洞的施工情況比較復雜，通過有限元數值模擬的方法研究平行導洞爆破擴挖對隧道圍巖穩定性的影響規律，分析了隧道圍巖在爆破作用下不同施工方法以及開挖進尺情況下隧道圍巖的位移情況，得出以下結論：

隧道爆破時的開挖進尺對隧道圍巖穩定性有較大影響。相較于1m 的開挖進尺，2m 和3m 的開挖進尺在爆破作用下使隧道圍巖周邊位移增大153.4%、201.0%，過大的開挖進尺會導致隧道發生工程事故。

爆破作用下隧道開挖斷面邊墻處圍巖最大位移隨施工方法不同變化較為敏感，表明隧道開挖面邊墻受平行導洞影響較大，應加強隧道開挖面邊墻處圍巖的控制，合理對該處圍巖進行加固處理。