淺埋偏壓小間距隧道爆破對既有隧道震動影響分析

賈　亮

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，山西太原　030013)

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淺埋偏壓小間距隧道爆破對既有隧道震動影響分析

賈亮

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，山西太原030013)

摘要結(jié)合太興線新風(fēng)平嶺隧道工程，應(yīng)用有限元軟件分析新建隧道不同爆破進(jìn)尺施工時對臨近隧道的動力響應(yīng)，同時與既有隧道震速的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。研究表明：現(xiàn)場量測速度值分布和數(shù)值計算的結(jié)果基本一致，最大值在迎爆側(cè)邊墻腰至拱腳范圍內(nèi)；確定既有隧道震動速度閾值為10.6 cm/s；爆破進(jìn)尺越大，震速和應(yīng)力越大，偏壓側(cè)出現(xiàn)的拉應(yīng)力越大，破壞范圍越大；由爆破引起的既有隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力位于拱頂。

關(guān)鍵詞爆破震動數(shù)值模擬現(xiàn)場監(jiān)測震動速度

近些年，很多學(xué)者對小間距隧道爆破施工做了大量的研究工作，包括理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測，并得到一些有益的結(jié)論[1-2]。例如，姚勇[3]、畢繼紅[4]和馮仲仁[5]等采用有限元方法，模擬計算分析了間距、埋置深度、施工工法等條件對小間距隧道爆破震動特性的影響。王春梅[2]和王新宇[6]等以相應(yīng)隧道工程為背景，運用現(xiàn)場監(jiān)控技術(shù)研究新建隧道爆破施工時保障既有隧道安全穩(wěn)定的控制技術(shù)。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以太興鐵路新風(fēng)平嶺隧道淺埋偏壓小間距段為研究對象，采用有限元軟件分析新建隧道爆破施工時臨近隧道的動力響應(yīng)，同時與既有隧道震動速度的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并據(jù)此提出可行的爆破減震技術(shù)和安全防護措施。

1工程概況

新風(fēng)平嶺隧道位于山西省古交市，地處剝蝕侵蝕中山區(qū)，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，基巖裸露。巖體受節(jié)理切割，風(fēng)化程度強，節(jié)理較為發(fā)育，圍巖連續(xù)性差，圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。隧道里程DK48+510～DK48+643，是全長133 m的單線電氣化鐵路隧道，埋深約25 m，偏壓嚴(yán)重，左側(cè)與既有太嵐線風(fēng)平嶺隧道平行，兩隧道凈距7.4 m。

2有限元數(shù)值分析

采用動力有限元法進(jìn)行新建隧道爆破施工對既有隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的影響分析，選取施工進(jìn)尺為1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m五種計算工況。為減少邊界效應(yīng)的影響，左、右及下邊界取5倍洞徑的區(qū)域，上邊界取至地面作為計算分析區(qū)域，并在有限元網(wǎng)格的邊界上施加彈簧阻尼邊界約束，采用1972年Lysmer和Wass提出的黏性邊界，計算模型如圖1所示。

圖1　有限元模型

2.1計算參數(shù)的選取

計算采用共同變形理論，材料假定為線彈性。既有隧道襯砌混凝土確定為C20混凝土，圍巖考慮Ⅲ級，其強度和容重根據(jù)規(guī)范取值。

基于眾多學(xué)者的研究，本次計算假定在爆破荷載作用下襯砌的彈性模量提高25%，泊松比降低20%，圍巖強度進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣?，修正后的材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型材料力學(xué)指標(biāo)

定義黏性邊界時，需要計算相應(yīng)巖體在水平和豎直方向的阻尼，單位面積上的阻尼按公式(1)和公式(2)計算

P波：

(1)

S波：

(2)

式中，λ為體積彈性系數(shù)(MPa)，其表達(dá)式為

(3)

G為剪切彈性系數(shù)(MPa)，其表達(dá)式為

(4)

式中，E為彈性模量(MPa)；ν為泊松比。

經(jīng)計算，Cp=10.77(MPa·s·m-1)；Cs=6.59(MPa·s·m-1)

2.2爆破震動荷載的確定

根據(jù)新風(fēng)平嶺隧道爆破時炸藥的起爆順序，將作用在結(jié)構(gòu)上的爆破荷載簡化為具有線性上升段和下降段的8個三角形荷載。各段爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax采用公式(5)求解[7]

(5)

(6)

式中，Pmax為峰值壓力的最大值/kPa；R為炮眼至荷載作用面的距離/m；Z為比例距離/(m/kg-3)；Q為炮眼裝藥量/kg。

爆破荷載的作用時間與炮眼裝藥量、圍巖材料特性、巖石中質(zhì)點到裝藥中心的距離以及炮眼半徑等因素有關(guān)，它們之間的經(jīng)驗關(guān)系式為[8]

上升段時間

(7)

總作用時間

(8)

式中，K為巖石的體積壓縮模量/105Pa；ν為巖石泊松比；Q為炮眼裝藥量/kg；K為質(zhì)點到裝藥中心的距離與炮眼半徑的比值。

Ⅲ級圍巖進(jìn)尺2 m時，爆破荷載峰值、加載和卸載時間計算結(jié)果見表2，時程函數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示。

表2　荷載計算峰值、加載和卸載時間

圖2　爆破荷載時程曲線

2.3計算結(jié)果及分析

(1)襯砌表面震動速度

通過有限元分析，得出不同施工進(jìn)尺工況下結(jié)構(gòu)主要控制點的震速時程曲線，從中可以看出新建隧道爆破施工對既有隧道造成很大的影響，迎爆側(cè)控制點的震速明顯比背爆側(cè)控制點的震速大很多，水平方向的震速遠(yuǎn)大于豎向震速。另一方面，既有隧道結(jié)構(gòu)邊墻部位的震速較大，而拱部和拱腳附近的震速均較少，最大震動速度點主要集中在墻腰至拱腳范圍內(nèi)。襯砌震動速度峰值主要集中在前4段，且第3、4段衰減較慢，襯砌震動速度隨著爆破進(jìn)尺的增加而不斷增加。因此，為了降低爆破對既有隧道的影響，小間距隧道的爆破施工進(jìn)尺應(yīng)小于中夾巖柱的厚度。為了減少爆破對中夾巖柱的影響，建議小間距隧道爆破施工進(jìn)尺不宜大于中夾巖柱厚度的1/4。

由圖3、圖4、圖5及表3可知，隨著震動速度的擴散，峰值有所衰減，當(dāng)震動速度范圍移動到既有隧道邊墻時，襯砌震動速度達(dá)到峰值，然后由既有隧道邊墻向拱頂和底板方向移動，最后向圍巖邊界方向衰減，直至為零。

圖3　進(jìn)尺2.0 m時隧道迎爆側(cè)拱腳震速時程曲線

圖4　進(jìn)尺2.0 m時隧道迎爆側(cè)邊墻震速時程曲線

圖5　震速云圖

表3　不同爆破施工進(jìn)尺質(zhì)點最大震速　cm/s

(2)襯砌震動應(yīng)力

由計算結(jié)果可知，爆破震動應(yīng)力沿新建隧道工作面向周圍傳播，首先到達(dá)既有隧道迎爆側(cè)邊墻附近，由于應(yīng)力波反射拉伸作用，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而后拉應(yīng)力迅速向拱頂和墻腳轉(zhuǎn)移，隨著應(yīng)力波的傳播和衰減，拉應(yīng)力波傳播到其背爆側(cè)，既有隧道結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力基本呈上下對稱分布。爆破進(jìn)尺越大，在偏壓的右上方出現(xiàn)的拉應(yīng)力越大，表現(xiàn)為拉破壞，破壞范圍較大。

表4　既有隧道不同爆破進(jìn)尺質(zhì)點最大主應(yīng)力峰值　MPa

表4為不同爆破施工進(jìn)尺既有隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)點最大主應(yīng)力峰值，既有隧道在爆破荷載作用下，隨著爆破進(jìn)尺的增加，主應(yīng)力總體上呈線性增大趨勢。迎爆側(cè)所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)高于背爆側(cè)，迎爆側(cè)拱頂和邊墻腳部位受爆破沖積的影響最大，最大主應(yīng)力主要集中在拱頂，而邊墻附近的主應(yīng)力較少。圖6為既有隧道襯砌主應(yīng)力與最大震速關(guān)系曲線，由圖6可知，既有隧道襯砌最大震動速度與主應(yīng)力具有良好的線性關(guān)系?；貧w分析方程如下：σ=0.162Vmax-0.016，將既有隧道襯砌混凝土抗拉強度帶入上式，可得出控制最大爆破震動速度。經(jīng)計算，既有隧道襯砌邊墻的震動速度閾值為10.6 cm/s。

圖6　不同爆破進(jìn)尺既有隧道主應(yīng)力與最大震速關(guān)系曲線

3既有隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工采用楔形掏槽光面爆破，爆破施工進(jìn)尺1.5 m，炮孔直徑為φ42 mm，藥卷規(guī)格為φ35 mm×200 mm，炸藥主要為巖石粉狀乳化炸藥。掏槽眼間距60～75 cm，在其間梅花形設(shè)置減震空眼，周邊眼間距40 cm，并在靠近既有隧道側(cè)的周邊眼間設(shè)置減震空眼，裝藥集中度0.1～0.2 kg/m，最大單響裝藥量為2.1 kg。

采用上述爆破參數(shù)進(jìn)行爆破試驗，在爆破試驗中既有隧道的最大震速為5.22 cm/s，震速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成震動波形如圖7所示。由實測結(jié)果可知，現(xiàn)場量測速度峰值分布和數(shù)值計算的結(jié)果基本一致，最大速度峰值在迎爆側(cè)邊墻腰部至拱腳范圍內(nèi)，且兩種情況所得的速度峰值差距很小。實際施工過程中，有少數(shù)幾次爆破震速大于8 cm/s時，既有隧道的震動明顯，隧道內(nèi)二襯墻壁積灰震落，個別為防水而抹的水泥表皮有脫落現(xiàn)象，但隧道內(nèi)的老裂縫沒有明顯發(fā)展趨勢。綜合分析確定，新風(fēng)平嶺隧道爆破施工時，既有隧道襯砌震動速度預(yù)警值為6 cm/s，報警值8 cm/s，控制值10 cm/s。

圖7　既有隧道迎爆側(cè)邊墻震速時程曲線

4結(jié)論

(1)現(xiàn)場量測速度值分布和數(shù)值計算的結(jié)果基本一致，最大值在迎爆側(cè)邊墻腰至拱腳范圍內(nèi)，且兩種情況所得的速度峰值差距很小，既有隧道結(jié)構(gòu)迎爆側(cè)的震速要比背爆側(cè)大，這與既有研究結(jié)論相似。

(2)在爆破沖積作用下，隨著時間的移動，既有隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力依次出現(xiàn)在迎爆側(cè)邊墻、拱腳、拱頂、墻腳等位置，并且強度值由小變大，又由大變小后逐漸消失。由爆破引起的既有隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力位于拱頂，拱頂周邊的圍巖易發(fā)生破壞，成為施工最不利區(qū)域。

(3)既有隧道結(jié)構(gòu)邊墻部位的震速較大，而拱部和拱腳附近的震速較少，最大震速主要集中在墻腰至拱腳范圍內(nèi)。襯砌震動速度峰值主要集中在前4段，且第3、4段衰減較慢，襯砌震動速度隨著爆破進(jìn)尺的增加而不斷增加。

(4)既有隧道結(jié)構(gòu)震速峰值由最大段裝藥量爆破引起，施工時要嚴(yán)格控制各個段別的裝藥量，選用上下臺階法開挖，并加大雷管相鄰段的段位差，避免應(yīng)力波疊加，減少爆破施工對既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

(5)既有隧道襯砌最大震動速度與主應(yīng)力具有良好的線性關(guān)系，根據(jù)其線性，綜合分析既有隧道襯砌邊墻的震動速度閾值為10.6 cm/s。

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收稿日期：2016-02-20

作者簡介：賈亮(1981—)，男，2006年畢業(yè)于北京交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0036-04

中圖分類號：U455.41； U456

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Shallow Buried Side Small Spacing Tunnel Blasting Impact on the Existing Tunnel Vibration Analysis

JIA Liang