基坑開挖爆破對臨近地鐵隧道影響研究

李 娟

(重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020)

如今，城市化進(jìn)程逐漸加快，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也越來越受到重視。在實(shí)際工程建設(shè)中，在既有的建(構(gòu))筑物附近修建新的工程在所難免，比如在既有的隧道附近開挖基坑，需要確保既有隧道工程安全及運(yùn)營安全，要綜合考慮進(jìn)行基坑開挖設(shè)計與施工。

目前，臨近既有隧道進(jìn)行基坑開挖，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，也形成了一定的研究成果。比如，吳敏慧等[1]通過實(shí)際的現(xiàn)場監(jiān)測，分析了TRD工法在杭州某臨近地鐵車站深基坑工程中的應(yīng)用；張治國等[2]考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產(chǎn)生的影響，提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法；肖同剛[3]根據(jù)隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，就基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響進(jìn)行了分析；周丁恒[4]以某臨近地鐵車站和區(qū)間隧道的深基坑為研究對象，對施工順序進(jìn)行優(yōu)化組合，提出了加強(qiáng)墊層、增設(shè)型鋼支撐、隔離樁及加固、施工荷載控制等控制措施；許俊超[5]利用有限元分析軟件，對臨近地鐵深基坑的開挖及支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了地鐵隧道的沉降及變形影響，提出了合理的保護(hù)措施。

可以看出，在臨近既有隧道基坑的研究方面，主要集中在變形分析方法、施工方法、監(jiān)測等方面，對于基坑開挖爆破對臨近隧道的影響研究鮮有成果出現(xiàn)。本文以重慶某臨近既有隧道基坑開挖爆破為實(shí)際工程背景，采用數(shù)值分析方法，分析爆破荷載對隧道的支護(hù)錨桿及襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性影響，所得結(jié)論可為該工程提供參考，也可為相關(guān)的技術(shù)人員以及類似工程提供有益借鑒。

1 有限元模型

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，上覆土層為少量第四系全新統(tǒng)人工填土和殘坡積層，下伏巖層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組粉砂巖、泥巖及砂巖，砂巖居多，且該層的分布較為連續(xù)穩(wěn)定。

該工程為臨近既有隧道基坑爆破開挖，模型平面見圖1。模型平面尺寸大致為65 m×50 m，既有地鐵隧道為多心圓結(jié)構(gòu)，直徑約為5.1 m，隧道距離基坑底部約為10 m，距離右側(cè)的直線距離為8.5 m。

圖1 模型剖面(單位:m)

1.2 計算模型

采用FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行建模，模型尺寸為65 m×50 m×50 m。為簡化分析，突出主要問題，將砂巖層作為模型土體建立的主要對象，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。沿隧道軸向取50 m的長度建立三維有限元模型(圖2)。

圖2 三維有限元模型

靜力計算分析時，在模型左側(cè)、前側(cè)、后側(cè)設(shè)置水平約束，底部設(shè)置水平和豎向約束，在分析中不考慮排水固結(jié)影響；靜力部分完成計算動力部分時，將位移場與速度場清零，模型的右側(cè)面與頂面設(shè)置為自由邊界，其余設(shè)置為粘滯(不反射)邊界。

為便于計算分析，選取隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)輪廓線一些特征點(diǎn)(圖3)。

圖3 隧道周邊特征點(diǎn)示意

根據(jù)依托工程的實(shí)際開挖情況，本次深基坑爆破開挖對臨近既有隧道的動力影響計算過程分以下步驟：

第一步：建立模型并劃分網(wǎng)格，平衡初始地應(yīng)力；

第二步：開挖隧道，并使用內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元加上隧道的襯砌與錨桿；

第三步：開挖基坑的第一級臺階，并平衡地應(yīng)力；

（1）顯著降低水稻各部位稻米中鎘和砷的含量且提升稻米產(chǎn)量。（2）有利于酸性鎘污染土壤改良和鎘/砷在水稻根表的吸附固定，可抑制鎘和砷向水稻內(nèi)部遷移。

第四步：開挖基坑的第二級臺階，并平衡地應(yīng)力；

第五步：將位移場與速度場清零，并在第二級臺階上下高3 m的位置輸入爆破動荷載，觀察隧道襯砌與錨桿的動力響應(yīng)情況。上述各步開挖模型如圖4所示。

圖4 各步開挖模型示意

1.3 材料參數(shù)

混凝土為C30，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2。鋼筋混凝土密度取2.5 g/cm3。襯砌及錨桿在模型計算過程中直接選用FLAC3D內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行簡化模擬。錨桿各方向間距為1 m，為了方便觀測不同深度錨桿的軸力差異，段數(shù)取3段。

1.4 動荷載

在FLAC3D動力計算中，動力荷載輸入可以采用加速度時程、速度時程、位移時程、應(yīng)力時程4種方式。若采用粘滯邊界條件，則必須輸入速度時程進(jìn)行分析。由于此次沒有直接采集爆破臺階炮孔位置的振動數(shù)據(jù)，取規(guī)則的正弦波，頻率為25 Hz，速度為35 cm/s，方向沿著X軸負(fù)方向，振動總時長為0.3 s。

2 結(jié)果分析

采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合開挖要求，主要從錨桿軸力、隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動速度、隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方面進(jìn)行分析。

2.1 錨桿軸力分析

模擬分析發(fā)現(xiàn)，爆破荷載作用下，在極短的時間內(nèi)，隧道錨桿單元軸力迅速增大，錨桿單元總體軸力分布如圖5所示。

圖5 錨桿單元軸力分布

取各根錨桿中軸力的峰值繪制在隧道結(jié)構(gòu)線外側(cè)(圖6)。分析發(fā)現(xiàn)，在爆破荷載作用下，既有隧道錨桿單元的軸力分布有以下規(guī)律：

圖6 各錨桿軸力峰值(單位：kN)

(1)整體來看，右側(cè)隧道(迎爆)各位置錨桿軸力相對左側(cè)(背爆)較大，說明爆破荷載對迎爆側(cè)的影響要大于背爆側(cè)。

(3)從錨桿單元軸力分布圖可以看出，錨桿軸力并非呈現(xiàn)均勻分布，在桿件中部軸力最大，沿著軸向向兩端逐漸減小。

2.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動速度分析

本次動力部分計算模擬的動荷載加載位置基本位于兩條既有隧道的斜上方。在爆破開荷載影響下，兩條隧道襯砌的不同節(jié)點(diǎn)位置必然會受到影響。

圖7、圖8給出了不同襯砌特征點(diǎn)編號的振動速度變化曲線?？梢钥闯?，受到爆破荷載影響時，各襯砌節(jié)點(diǎn)的X方向振動速度變化最為明顯，其次為Z方向振動速度，而Y方向振動速度最小，幾乎可以忽略不計，且迎爆側(cè)各節(jié)點(diǎn)的三向速度峰值也比背爆側(cè)各節(jié)點(diǎn)要大，其中迎爆側(cè)各節(jié)點(diǎn)X方向振動速度峰值約為10.2 cm/s，而背爆側(cè)各節(jié)點(diǎn)X方向振動速度峰值約為8.3 cm/s。

圖7 左側(cè)隧道襯砌節(jié)點(diǎn)三向振速峰值變化

圖8 右側(cè)隧道襯砌節(jié)點(diǎn)三向振速峰值變化

2.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，在爆破地震波的作用下會發(fā)生復(fù)雜的動力響應(yīng)，襯砌混凝土由于要承受壓縮波、拉伸波的反復(fù)作用，其內(nèi)部應(yīng)力也會隨著地震波的作用時而受壓、時而受拉。襯砌結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力大小與其在空間的位置分布有關(guān)。

圖9給出了右側(cè)隧道各襯砌特征點(diǎn)的壓應(yīng)力變化曲線。在爆破地震波影響下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力變化因空間位置的不同而出現(xiàn)較大差異，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力峰值的差別也較大。迎爆側(cè)單元的動壓應(yīng)力峰值明顯大于其他位置的峰值，其中，最大的為位于迎爆側(cè)拱腳處的15號單元，從動壓應(yīng)力方面來說，在一次爆破過程中，迎爆側(cè)拱腳位置在整個既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)中最不利。

圖9 右側(cè)隧道襯砌各點(diǎn)最大壓應(yīng)力峰值

背爆側(cè)與仰拱處的結(jié)構(gòu)單元的動壓力峰值均較小，位于仰拱處的單元的動壓應(yīng)力峰值變化很小，基本在0.4～0.5 MPa左右，而隧道中墻位置處的12號單元的動壓應(yīng)力峰值在所有單元中最小，只有0.23 MPa。

在單元的最大主(拉)應(yīng)力時間歷程曲線中，與動壓應(yīng)力峰值相比，動拉應(yīng)力值峰值要小得多，然而由于混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度要比抗拉強(qiáng)度大很多，所以依然有必要對動拉應(yīng)力進(jìn)行分析。圖10給出了右側(cè)隧道各節(jié)點(diǎn)的拉應(yīng)力變化曲線，可以看出，15號節(jié)點(diǎn)受到拉應(yīng)力最大，即拱腳處受到影響最大。

圖10 右側(cè)隧道襯砌各點(diǎn)最大拉應(yīng)力峰值

3 結(jié)論

以某臨近既有隧道基坑爆破開挖為實(shí)際工程背景，采用有限元數(shù)值計算方法，對爆破荷載作用下隧道錨桿軸力、襯砌結(jié)構(gòu)振動速度及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，可以得到以下主要結(jié)論：

(1)迎爆側(cè)隧道錨桿所受軸力要大于背爆側(cè)隧道錨桿，表明爆破荷載對迎爆側(cè)隧道錨桿影響較大；錨桿中部軸力最大，向兩端逐漸減少。

(2)迎爆側(cè)和背爆側(cè)隧道錨桿的軸力變化規(guī)律相似，主要體現(xiàn)為拱頂處軸力最大，拱腳處軸力最小，最大軸力約為6.78 kN。

(3)爆破荷載作用下，不同方向的襯砌節(jié)點(diǎn)振動速度差異較大。X方向振動速度變化最為明顯，其次為Z方向振動速度，而Y方向振動速度最小。

(4)迎爆側(cè)拱腳位置動壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均最大，表明在整個既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)中拱腳位置最不利。