雙螺旋公路隧道爆破振動對初襯結構的影響

張國祥 肖清華 熊強 韓翔宇 錢家珺 朱玉

（1.河北省高速公路延崇籌建處，河北 張家口 075400；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

一、引言

我國地形復雜多樣，其中山地面積約占國土總面積的1/3。山地高差大、坡度陡的特點，給山地基礎設施建設帶來了一定的困難。尤其對于山地公路隧道而言，往往存在隧道進出口高差大的問題。因而，可采取修建螺旋隧道的方法，即通過增加隧道的整體里程降低隧道的局部坡度，保證隧道行車安全。

目前，關于螺旋隧道的研究較少，螺旋隧道爆破開挖影響的研究更是匱乏。已有研究表明，爆破荷載是一種沖擊荷載，其作用壓力大、釋放能量高、作用時間短，會對爆源一定范圍內的結構產生破壞作用。因此，螺旋隧道必須研究爆破荷載對隧道初襯結構的影響。本文以金家莊雙螺旋公路隧道為研究背景，采用MIDAS/GTS對隧道爆破開挖進行三維數(shù)值模擬，分析爆破對隧道結構的影響，得到隧道不同部位的振動響應特點，以期為類似螺旋隧道爆破安全控制提供參考。

二、數(shù)值仿真

（一）模型及參數(shù)

根據(jù)金家莊雙螺旋公路隧道設計方案，雙螺旋隧道主洞的最大橫向、豎向跨徑分別為13m、10m。采用MIDAS/GTS建模時，為了削弱邊界效應的影響，本研究在一定程度上增加隧道至模型邊界的距離，如圖1所示。隧道平均深度為100m，在模擬時通過在上部邊界施加相應的地層荷載來模擬自重應力。

圖1 模型尺寸圖

參照相關地質勘察報告及施工方案，隧道所在地段為Ⅳ級圍巖，爆破開挖后，采用錨噴進行支護。本研究借助4m植入式桁架單元模擬系統(tǒng)錨桿，采用2D板單元模擬噴射混凝土，借助摩爾-庫倫本構模型描述圍巖的應力-應變關系，具體模擬材料相關力學參數(shù)如表1所示。由于開挖面附近隧道仍未施作二次襯砌，因此在本研究的隧道結構模擬中并未考慮二襯結構。

表1 模型力學參數(shù)取值

對于爆破荷載的模擬，本研究參照爆破方案，針對施工中選用的2#巖石乳化炸藥，指定周邊孔的爆破荷載作為爆破動載。通過爆破荷載計算公式，得到模擬采用的等效爆破峰值荷載為8.7MPa。

（二）測點布置

根據(jù)螺旋隧道爆破施工方案，左側隧道先行于右側隧道施工，左側掌子面領先于右側掌子面約20m，其襯砌結構早于右側隧道施作，既受到先行洞的影響，又受到后行洞的爆破影響。因此，本研究主要以左側隧道襯砌結構為研究對象。如圖2所示，在左側先行洞掌子面后方20m襯砌結構均勻布置4個監(jiān)測斷面，每個斷面之間間隔10m。對于每個斷面，分別選擇拱頂、左右拱腰、拱底四個位置作為監(jiān)測點。

圖2 監(jiān)測點布置圖

三、計算結果及分析

（一）先行洞爆破

首先，研究先行洞爆破對左側隧道襯砌結構的影響。對先行洞掌子面施加爆破荷載，以圍巖矢量振動速度為指標，分析模擬計算結果。限于篇幅，本研究僅提取左右兩側隧道間距為30m工況的計算結果。

從圖3中不同監(jiān)測斷面的振動速度可以發(fā)現(xiàn)：在距離爆源10m、20m、30m、40m的監(jiān)測斷面，最大振動速度分別為7.06cm/s、2.41cm/s、1.20cm/s、0.63cm/s，最大振動速度隨著與爆源距離的增加而迅速降低。在距離爆源較近的區(qū)域，最大振動速度出現(xiàn)在監(jiān)測斷面拱底的位置。在距離爆源較遠的區(qū)域，最大振動速度出現(xiàn)在隧道拱頂處，該現(xiàn)象可能與隧道空間放大效應有關。

圖3 距先行洞爆源不同位置各監(jiān)測點的振動速度

（二）后行洞爆破

隨后，研究后行洞爆破對左側隧道襯砌結構的影響。對后行洞掌子面施加爆破荷載，以振動速度為指標，開展爆破振動模擬。

根據(jù)圖4振動速度統(tǒng)計結果可以看出，在距爆源20m、10m、0m、-10m位置，最大振動速度分別為1.18cm/s、1.44cm/s、1.45cm/s、1.06cm/s，隨著與爆源距離的增加，最大振動速度逐漸降低。此外，不同于先行洞爆破模擬結果，對于4個監(jiān)測斷面而言，最大振動速度均出現(xiàn)在右拱腰位置。究其原因，右洞爆破開挖時，左洞的右側拱腰位置距離爆源最近，振動衰減最小。因此，在右洞施工時，要重點關注左洞襯砌結構在右側拱腰位置的動力響應情況。

圖4 距爆源不同位置各監(jiān)測點的振動速度

四、結語

爆破振動速度隨著時間的推移迅速衰減，并隨著與爆源距離的增加逐漸減小；先行洞爆破時，左側隧道在距離爆源較近區(qū)域，最大振動速度出現(xiàn)在監(jiān)測斷面拱底位置，在距離爆源較遠區(qū)域，最大振動速度出現(xiàn)在隧道拱頂處；后行洞爆破時，左側隧道各監(jiān)測斷面的最大振動速度均出現(xiàn)在右拱腰位置，在隧道爆破施工過程中應重點關注。