爆破動(dòng)載作用下山嶺隧道開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性研究

陳增劍

(廣西交通投資集團(tuán)玉林高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 玉林 537004)

0 引言

山嶺隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,有時(shí)會(huì)遇到鄰近施工隧道施工影響,尤其是當(dāng)鄰近施工隧道采用爆破等方式施工時(shí),影響更為強(qiáng)烈,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)隧道發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究。白建方、張馨等[1-2]以某隧道工程為研究對(duì)象,采用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了列車動(dòng)載對(duì)隧道基坑開(kāi)挖施工影響,研究表明,列車荷載作用下擬開(kāi)挖隧道無(wú)明顯振動(dòng),在豎直方向上設(shè)置圍護(hù)樁和錨索支護(hù)體可以有效防止隧道失穩(wěn)。王忠昊、陳常宇等[3-4]以某隧道工程為例,研究了地面壓路機(jī)荷載對(duì)隧道支護(hù)體系的動(dòng)力影響,結(jié)果表明,當(dāng)隧道埋深較小時(shí),上部振動(dòng)荷載對(duì)隧道彎矩影響較大,隨著隧道埋深增大,振動(dòng)荷載影響逐漸減弱。張露晨、劉娜等[5-6]將爆破荷載和地震荷載轉(zhuǎn)化為等效靜力,施加在隧道模型上,研究了動(dòng)力作用下隧道圍巖的穩(wěn)定性,研究表明,動(dòng)力作用下的隧道安全系數(shù)明顯小于靜力作用下的安全系數(shù),當(dāng)動(dòng)力荷載較大時(shí)可能誘發(fā)隧道失穩(wěn)。吳波、萬(wàn)明富等[7-8]采用數(shù)值模擬的方法,結(jié)合強(qiáng)度折減法,得到了隧道在動(dòng)力作用下的失穩(wěn)判據(jù),可為類似工程判斷隧道在爆破荷載下的穩(wěn)定性提供參考。本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數(shù)值模擬軟件分析了既有營(yíng)運(yùn)隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,研究結(jié)果可為類似工程施工保護(hù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

某擬建高速公路隧道采用爆破法施工方式,在擬建隧道旁存在某既有隧道。既有隧道凈寬為13 m,凈高為10.5 m,具體如圖1所示。既有隧道采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+二襯聯(lián)合支護(hù)形式,噴射混凝土采用C20標(biāo)號(hào),噴射厚度為30 cm,錨桿共13根,采用φ25 mm注漿錨桿,間距為800 mm(環(huán)向)×1 200 mm(縱向),鋼拱架選用Ⅰ20,縱向間距為1 200 mm,鋼筋網(wǎng)直徑為φ8 mm,網(wǎng)格尺寸為200 mm×200mm。

圖1 既有隧道斷面圖(cm)

2 數(shù)值建模

2.1 模型的建立

下頁(yè)圖2所示為本文采用大型有限差分軟件FLAC 3D建立的數(shù)值分析模型。模型長(zhǎng)、寬分別取65 m和40 m,高度為60 m,除模型上邊界外,其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。既有隧道采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+二襯聯(lián)合支護(hù)形式,隧道圍巖和襯砌均采用實(shí)體單元建立,整個(gè)模型均采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算,模擬中將鋼筋網(wǎng)和鋼拱架的彈性模量折算到混凝土中。

(a)模型

2.2 參數(shù)賦值

隧道位于地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈處,巖體表現(xiàn)為破碎,巖性以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主,具體巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。表2為噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)。

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)表

2.3 動(dòng)載施加

為了模擬鄰近隧道爆破施工對(duì)既有隧道的影響,本文在既有隧道內(nèi)部設(shè)置動(dòng)力波監(jiān)測(cè)設(shè)備,圖3所示為監(jiān)測(cè)到的x、y和z方向的應(yīng)力波,將圖中3個(gè)方向的應(yīng)力波均施加在模型之中。為了模擬結(jié)果更加切合實(shí)際,除模型底部邊界外,其他邊界均設(shè)置為粘滯吸收邊界。

(a)x方向

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 靜載作用下隧道開(kāi)挖變形分析

如圖4所示,給出了在靜力作用下(即自重作用下)隧道支護(hù)前后的豎向位移云圖,圖5給出了支護(hù)前后拱頂沉降對(duì)比曲線。由圖4～5可知,在靜載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護(hù)前,拱頂最大沉降值為7.92 mm,拱底最大隆起值為4.89 mm;在支護(hù)后,拱頂最大沉降值為6.13 mm,拱底最大隆起值為4.25 mm。相比于支護(hù)前,支護(hù)后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了22.6%和13.1%。由此可知,采用支護(hù)措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(a)支護(hù)前

圖5 支護(hù)前后拱頂沉降對(duì)比曲線圖

為了更加直觀地得到靜載作用下隧道支護(hù)前后的圍巖松動(dòng)變形情況,如圖6所示,給出了靜載作用下隧道開(kāi)挖支護(hù)前后的塑性區(qū)云圖。由圖6可知,在支護(hù)前,兩側(cè)拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,在拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;在支護(hù)之后,隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護(hù)之前大大提升。

(a)支護(hù)前

3.2 爆破動(dòng)載作用下隧道開(kāi)挖變形分析

圖7所示為在爆破動(dòng)載作用下隧道支護(hù)前后的豎向位移云圖,圖8為動(dòng)載作用下支護(hù)前后拱頂沉降對(duì)比曲線。由圖7～8可知,在爆破動(dòng)載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,且隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護(hù)前,拱頂最大沉降值為8.36 mm,拱底最大隆起值為5.40 mm;在支護(hù)后,拱頂最大沉降值為6.41 mm,拱底最大隆起值為4.50 mm。相比于支護(hù)前,在爆破動(dòng)載作用下支護(hù)后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了23.3%和16.7%。

(a)支護(hù)前

圖8 動(dòng)載作用下支護(hù)前后拱頂沉降對(duì)比曲線圖

對(duì)比圖4和圖7可知,在支護(hù)前,動(dòng)載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高5.3%和9.4%;在支護(hù)后,動(dòng)載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高4.4%和5.6%。由此可知,爆破動(dòng)載作用會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,且采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動(dòng)載穩(wěn)定性更好。

為了更加直觀地得到爆破動(dòng)載作用下隧道支護(hù)前后的圍巖松動(dòng)變形情況,如圖9所示,給出了動(dòng)載作用下隧道開(kāi)挖支護(hù)前后的塑性區(qū)云圖。由圖9可知,在支護(hù)前,隧道拱底附近和兩側(cè)拱墻附近圍巖塑性區(qū)面積較大,且在拱腳附近出現(xiàn)大面積的拉伸剪切破壞;在支護(hù)之后,動(dòng)載作用下隧道圍巖塑性區(qū)較支護(hù)前明顯降低。此外,對(duì)比圖6和圖9可知,隧道在受到爆破動(dòng)荷載之后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長(zhǎng),且爆破動(dòng)載對(duì)未采取支護(hù)措施時(shí)隧道的影響更大。由此可知,爆破動(dòng)載作用會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,且采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動(dòng)載穩(wěn)定性能力明顯提升。

(a)支護(hù)前

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數(shù)值模擬軟件分析了既有營(yíng)運(yùn)隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,得到以下結(jié)論:

(1)靜載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護(hù)后比支護(hù)前分別減小了22.6%和13.1%,即采用支護(hù)措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(2)靜載作用下,支護(hù)前隧道兩側(cè)拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;支護(hù)后隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護(hù)之前大大提升。

(3)爆破動(dòng)載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護(hù)后比支護(hù)前分別減小了23.3%和16.7%,且爆破動(dòng)載作用會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動(dòng)載穩(wěn)定性更好。

(4)隧道在受到爆破動(dòng)荷載后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長(zhǎng),且爆破動(dòng)載對(duì)未采取支護(hù)措施時(shí)隧道的影響更大,采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動(dòng)載穩(wěn)定性能力明顯提升。因此,在隧道施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)支護(hù)并盡量避免鄰近爆破動(dòng)荷載作用,以免對(duì)隧道穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。