采石場(chǎng)爆破對(duì)鄰近隧道的影響分析

方智淳，陳志敏,2

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

山體開采主要采用爆破法，爆破工藝對(duì)鄰近隧道的結(jié)構(gòu)安全有重要影響。主要表現(xiàn)在隧道開挖引起隧道圍巖應(yīng)力重分布，持續(xù)的爆破振動(dòng)將會(huì)使得既有隧道強(qiáng)度弱化并且產(chǎn)生損傷。當(dāng)隧道存在病害且距離爆破點(diǎn)較近時(shí)，在爆破施工過程中需要保證爆破的振動(dòng)強(qiáng)度不會(huì)危及既有隧道的結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全[1]。

劉敦文等[2]利用 ANSYS/LS-DYNA模擬了鄰近隧道爆破對(duì)既有隧道的影響，分析了最大段裝藥量不同時(shí)迎爆側(cè)的振動(dòng)速度，并提出了一些控制爆破振動(dòng)的措施。于天生[3]以莞惠城際GZH-7標(biāo)段為例，利用有限元軟件對(duì)小凈距隧道爆破開挖過程進(jìn)行了模擬分析，通過研究開挖過程中鄰近隧道各特征點(diǎn)的水平位移、豎向位移、速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，得到了小凈距隧道爆破開挖對(duì)鄰近隧道的影響規(guī)律。陳紹輝等[4]建立靜力模型分析了新隧道開挖所引起的鄰近隧道襯砌應(yīng)力重分布情況，建立動(dòng)力模型分析新隧道爆破導(dǎo)致鄰近隧道二次襯砌產(chǎn)生的應(yīng)力變化，并將兩種模型中隧道襯砌的應(yīng)力進(jìn)行矢量疊加，以評(píng)判新隧道爆破開挖對(duì)鄰近隧道的影響。

上述文獻(xiàn)均分析了爆破對(duì)鄰近隧道的影響，但是大多數(shù)忽略了瞬時(shí)動(dòng)力和爆破振動(dòng)的關(guān)聯(lián)。本文利用有限元軟件，研究當(dāng)采石場(chǎng)單次爆破且所用裝藥量很大的情況下，鄰近采石場(chǎng)爆破對(duì)既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響。

1 工程概況

陜西省紅柳林至神木西鐵路沙峁溝隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng) 3 471 m。隧址區(qū)上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)沙、洪積碎石土、坡積塊石土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，下伏侏羅紀(jì)中統(tǒng)砂巖。整個(gè)隧道III級(jí)圍巖占80%，Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖占20%。

在隧道右側(cè)里程DK7+200處有一采石場(chǎng)，采石場(chǎng)呈矩形分布，長(zhǎng)約60 m，寬為30 m，整個(gè)采礦區(qū)域占地面積約 2 000 m2。根據(jù)實(shí)際需要，爆破采用直眼打孔，每次打1～3個(gè)孔，孔徑50 mm，孔距10 m，孔深20 m。用藥壺法裝藥，每孔裝藥約500 kg，大約半年爆破1次。

從爆破點(diǎn)到隧道垂直距離約60 m，如圖1所示。

圖1 采石場(chǎng)位置

2 有限元模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)隧道與采石場(chǎng)的空間位置關(guān)系，選取與采石場(chǎng)爆破點(diǎn)水平距離最小的斷面建立分析模型，見圖2 。

圖2 有限元分析模型(單位：m)

模型由炸藥、襯砌(采用C25混凝土)和巖體3部分組成。炸藥方程選用JWL(Jones-Wilkens-Lee)狀態(tài)方程[5]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將采石場(chǎng)多個(gè)藥孔微差爆破施工方式簡(jiǎn)化為1次爆破的方式，炸藥總當(dāng)量為500 kg。爆破點(diǎn)位于所選斷面隧道中線右側(cè)，距隧道中線水平距離60 m，布置炸藥處高程與隧道襯砌迎爆面拱腳高程相同。巖石采用了考慮速率效應(yīng)的各向同性、塑性運(yùn)動(dòng)硬化材料模型[6]，采用Lagrange來(lái)描述炸藥及與其發(fā)生相互作用的材料。此算法的優(yōu)點(diǎn)在于可以得到清楚的物質(zhì)界面。

2.2 材料及參數(shù)的選取

圍巖?、艏?jí)，采用彈塑性材料模擬。隧道襯砌為C25整體式混凝土，采用彈性材料模擬。圍巖和襯砌的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)

炸藥采用ANSYS/LS-DYNA自帶的高性能炸藥。炸藥密度為 1 200 kg/m3,爆破速度為 6 000 m/s，爆破壓力為 30 000 MPa。一般采用JWL狀態(tài)方程來(lái)描述炸藥爆炸時(shí)的情況。JWL狀態(tài)方程可表示為

(1)

式中：V為相對(duì)體積；E0為常數(shù)；A，B，R1，R2，w為特征參數(shù)，對(duì)某種炸藥而言為常數(shù)，此文分別取600 GPa,12.4 GPa，4.5,1.1,3.4。

2.3 邊界條件及求解

選取有限元模型上x=12.0 m和x=-121.5 m 界面上的所有節(jié)點(diǎn)，約束其水平方向的位移；選取z=0和z=-1.8 m 界面上的所有節(jié)點(diǎn)，約束其縱向位移；選取y=-10 m 界面上的所有節(jié)點(diǎn)，約束其豎直方向的位移。選擇計(jì)算時(shí)間為 0.032 5 s。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 隧道襯砌整體應(yīng)力及單元應(yīng)力

1)隧道襯砌及周邊圍巖應(yīng)力

選取采石場(chǎng)爆破過程中隧道襯砌及周邊圍巖在水平方向、豎直方向及縱向上的應(yīng)力云圖。通過觀察動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)：在采石場(chǎng)整個(gè)爆破過程中，隧道周邊圍巖上的應(yīng)力逐漸增大。

爆破完成時(shí)在采石場(chǎng)爆破開挖過程中產(chǎn)生的爆炸波影響到了隧道襯砌。爆破完成時(shí)傳遞到隧道周邊圍巖上的最大拉應(yīng)力為7 MPa，最大壓應(yīng)力為6 MPa,超出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖初始應(yīng)力值。所以必須對(duì)采石場(chǎng)爆破完成時(shí)迎爆側(cè)襯砌的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)及最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)進(jìn)行分析。

2)迎爆側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處單元應(yīng)力

選取與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的單元，列出最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)與最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)，進(jìn)一步比較所選取單元的應(yīng)力與C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa 和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa的大小，分析隧道襯砌開裂的原因。

將隧道襯砌分為迎爆側(cè)和背爆側(cè)。在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。拱頂及右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處單元最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力見表2。

表2 拱頂及右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處單元最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力 MPa

由表2可見：拱腳處單元最大拉應(yīng)力超出C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而壓應(yīng)力未超出，因而拱腳處的混凝土開裂主要是由于采石場(chǎng)爆破導(dǎo)致C25混凝土二襯受到的拉應(yīng)力超出了其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值所致。拱腰處最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均未超出C25混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。若出現(xiàn)混凝土開裂可能是由于多次爆破累積破壞所致。拱肩處最大拉應(yīng)力超出C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值而壓應(yīng)力為9.6 MPa，與C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相差不大且處于增大趨勢(shì)，故而拱肩處的裂縫主要是由于采石場(chǎng)爆破導(dǎo)致隧道二襯上的拉應(yīng)力超出了C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值所致。拱頂處最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，若出現(xiàn)裂縫很可能是由于采石場(chǎng)爆破導(dǎo)致整體受力變化及二襯變形所致。

2.4.2 隧道襯砌的位移

采石場(chǎng)爆破完成時(shí)，襯砌上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移云圖見圖3?？梢钥闯?最大位移發(fā)生在右側(cè)(迎爆側(cè))隧道襯砌拱腳G點(diǎn)，向隧道內(nèi)側(cè)最大位移4.3 mm；迎爆側(cè)拱腰E點(diǎn)位移為2.8 mm。從拱腳到拱頂隧道襯砌向內(nèi)水平收斂值逐漸減小至很小，隧道拱頂幾乎不發(fā)生位移。背爆側(cè)隧道襯砌位移很小，可忽略不計(jì)。

圖3 隧道襯砌位移云圖(單位：m)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值對(duì)比見表3。可以發(fā)現(xiàn)，兩者誤差不大，數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)可靠。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值對(duì)比 mm

3 結(jié)論

通過分析采石場(chǎng)爆破對(duì)既有隧道造成的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可得以下結(jié)論：

1)在采石場(chǎng)爆破過程中，襯砌上最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱腳處，其值為4.32 MPa，超出C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值3.05 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩處，其值為9.60 MPa，比C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小2.30 MPa。

2)采石場(chǎng)的爆破對(duì)既有隧道的影響不能忽視，特別是在受到采石爆破波影響最大的迎爆面。

3)隧道迎爆面在長(zhǎng)期的爆破過程中，特別是在襯砌出現(xiàn)裂縫后，襯砌的整體承載力明顯下降。

[1]張璟，陳志敏，藺鵬臻,等.采石場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)附近沙峁溝鐵路隧道影響有限元研究[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，24(3):1-7.

[2]劉敦文，宋廣晨，褚夫蛟,等.隧道爆破開挖對(duì)鄰近隧道安全影響的數(shù)值分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14(2)：64-68.

[3]于天生.小凈距隧道爆破開挖對(duì)鄰近隧道的影響分析[J].工程與建設(shè)，2013，27(5):652-654.

[4]陳紹輝，張賢康，石波,等.隧道爆破施工對(duì)鄰近隧道安全性的影響研究[J].公路交通技術(shù)，2016，32(6):100-105.

[5]孫海利.基于ANSYS/Ls-dyna仿真模擬對(duì)條形藥包爆破地震效應(yīng)的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2015.

[6]邵鵬,東兆星,張勇.巖石爆破模型研究綜述[J].巖土力學(xué),1999,20(3):91-96.