基于FLAC3D軟件分析爆破施工對(duì)既有砂巖隧道的影響

伍海龍 梁家琴 梁興印 黃 琪 李佳慧 何麗珍 潘德武 蔡 軍,2

1. 賀州學(xué)院建筑與電氣工程學(xué)院 廣西 賀州 542899；2. 賀州筑夢(mèng)瑤臺(tái)數(shù)字文化創(chuàng)意內(nèi)容制作有限責(zé)任公司 廣西 賀州 542899

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，地下空間的開(kāi)發(fā)利用已成為重要的組成部分。地鐵線路規(guī)劃基本處于城市人口居住和商業(yè)密集區(qū)域，所以不可避免地會(huì)出現(xiàn)線路鄰近等問(wèn)題，在施工時(shí)面臨的安全問(wèn)題不可小覷[1-6]。隧道爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成鄰近既有隧道襯砌開(kāi)裂、剝落甚至坍塌等危及行車安全的現(xiàn)象[7-12]。本文將對(duì)新建廣佛線隧道中的爆破施工進(jìn)行分析與研究。

1 計(jì)算模型建立

1.1 工程地質(zhì)概況

廣佛線地鐵隧道是中國(guó)國(guó)內(nèi)首條跨越地級(jí)行政區(qū)的地鐵線路，起于廣州燕崗站，止于佛山新城東站，大致呈“廠字”走向。

廣佛線在沙園站—燕崗站路段的新建隧道（里程ZDK24+869.5處），與已建的地鐵8號(hào)線中的一段隧道緊鄰且平行，兩隧道之間的間距約為20.13 m，平行的隧道段長(zhǎng)度為73.3 m。廣佛線隧道上覆巖土層厚約17 m，隧道所處巖層為微風(fēng)化砂巖層。經(jīng)試驗(yàn)和相關(guān)資料查詢，該隧道相關(guān)巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重度為22 kN/m3，彈性模量為25 000 MPa，泊松比為0.2，厚度為312 mm。

1.2 數(shù)值模型建立

本文依托的隧道工程洞跨約為6 m，在查閱相關(guān)資料后，為隧道建立數(shù)值計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬動(dòng)力分析。設(shè)定模型長(zhǎng)度為隧道洞跨的8倍，隧道底部與模型底端距離為隧道洞跨的4倍，則此數(shù)值模型的長(zhǎng)×高×寬尺寸為120 m×20 m×60 m，建立所得網(wǎng)格計(jì)算模型如圖1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

在圖1所示模型中，左隧道為已建成的地鐵8號(hào)線隧道，右隧道為新建未開(kāi)挖的廣佛線隧道。為分析新建廣佛線隧道在爆破施工時(shí)對(duì)已建地鐵8號(hào)線隧道的影響，分別進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析。

在進(jìn)行靜力分析時(shí)，為方便計(jì)算，設(shè)置隧道計(jì)算模型前后左右的邊界條件為水平約束，底部為固定端約束，模型上邊界為自由邊界，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率小于10-5。在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，根據(jù)動(dòng)力荷載加載時(shí)間來(lái)確定計(jì)算的動(dòng)力時(shí)間，約為加載時(shí)間的10倍。

2 爆破荷載和監(jiān)測(cè)點(diǎn)確定

2.1 模擬隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程

模擬過(guò)程主要通過(guò)以下3個(gè)步驟展開(kāi)分析：第一，用重力應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算；第二，開(kāi)挖新建隧道，將開(kāi)挖的隧道設(shè)置空模型，利用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則描述巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)行靜力計(jì)算分析；第三，在開(kāi)挖的隧道洞室壁上施加爆破荷載，計(jì)算分析緊鄰隧道拱頂和拱腳處的振動(dòng)速度以及沉降位移等變化規(guī)律。

2.2 爆破荷載的施加

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，隧道在爆破過(guò)程中的爆破荷載可簡(jiǎn)化為具有上升階段和下降階段的三角形線性荷載。根據(jù)隧道爆破荷載施加的加載時(shí)間公式，可確定本次隧道爆破過(guò)程中的荷載總時(shí)間。爆破荷載加載的上升階段荷載時(shí)間為0.01 s，總的荷載時(shí)間為0.06 s，爆破荷載的最大值為26 MPa，荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載加載曲線

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

從隧道模型的前界面至隧道的后界面，每隔2 m在鄰近已建地鐵隧道的拱頂和拱腳處分別設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)新建隧道在爆破施工過(guò)程中對(duì)其安全使用的影響。

3 分析與討論

3.1 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的振動(dòng)速度

利用FLAC3D軟件模擬新建隧道在進(jìn)行爆破施工時(shí)鄰近已建地鐵隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度，再與相關(guān)規(guī)范警戒值作比較，分析新建隧道爆破過(guò)程對(duì)鄰近已建地鐵隧道的影響，從而判斷鄰近已建隧道是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬計(jì)算記錄的拱頂和拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖3、圖4所示。

圖3 部分拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖4 拱腳、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度

由圖3可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度在開(kāi)始爆破后的3.0×104步時(shí)達(dá)到最大峰值，然后由于阻尼、巖石介質(zhì)特性等原因在極短時(shí)間內(nèi)衰減，從3.5×104步時(shí)開(kāi)始振動(dòng)速度不再有較大的波動(dòng)，趨向平緩直線直至衰減到最小。

由圖4可以看出，已建地鐵隧道拱頂與拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的最大振動(dòng)速度峰值均在15 cm/s以內(nèi)，并且呈現(xiàn)同增同減的變化規(guī)律，這是因?yàn)橐呀ǖ罔F隧道拱頂和拱腳的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間距離相差較小。新建隧道爆破施工時(shí)，其開(kāi)挖時(shí)的掌子面與已建隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處于同一截面，新建隧道在爆破時(shí)，會(huì)在已開(kāi)挖區(qū)形成空洞放大效應(yīng)，距離掌子面一定范圍內(nèi)已開(kāi)挖區(qū)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度要大于未開(kāi)挖區(qū)的振動(dòng)速度。所以鄰近已建隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4旁邊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、5的振動(dòng)速度遠(yuǎn)大于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，并且在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處達(dá)到峰值。由于在爆破施工中存在衰減效應(yīng)，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度會(huì)隨爆源距離的增大而出現(xiàn)遞減的現(xiàn)象，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)3—1，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5—11的振動(dòng)速度均為逐漸遞減趨勢(shì)。

本次隧道爆破施加的爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建地鐵隧道拱腳、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的交通隧道安全振動(dòng)速度15 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明本次新建隧道爆破施工對(duì)鄰近已建隧道的影響較小，可以認(rèn)為本次隧道爆破方案可行、爆破參數(shù)合理。

3.2 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移

判斷隧道是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)的另一個(gè)判據(jù)為隧道拱頂、拱腳沉降是否超過(guò)相關(guān)規(guī)范的警戒值。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析時(shí)，記錄的既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 拱頂、拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移變化規(guī)律

由圖5可知，在新建隧道爆破施工時(shí)，鄰近已建隧道拱底和拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移變化規(guī)律不一樣，拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移從監(jiān)測(cè)點(diǎn)1開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，沉降位移隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破開(kāi)挖區(qū)距離的增大而不斷減小。而拱底在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1—6之間，沉降位移隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破開(kāi)挖區(qū)距離的增大而不斷增大，而后從拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)7開(kāi)始呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì)。拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移最大值為6.0 mm，拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移最大值為3.5 mm，拱頂和拱底的沉降量均在允許范圍之內(nèi)（警戒值30 mm）。

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)8之前，已建隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移都要比拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移大，差值在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1時(shí)達(dá)到最大，為4 mm。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)8后，已建隧道拱頂和拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移差值逐漸變小。由此可以看出，在同一截面中，鄰近已建隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移受到新建隧道爆破施工時(shí)的影響要比拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移大，并且在監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離新建隧道爆破開(kāi)挖區(qū)最近時(shí)達(dá)到最大值。隨著已建隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)與新建隧道爆破開(kāi)挖區(qū)的距離不斷增大，拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)與拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的沉降位移差值逐漸變小。

綜上所述，新建隧道在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，施加的爆破荷載在26 MPa范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)鄰近既有地鐵隧道的安全影響較小。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)隧道拱頂位置的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，模擬新建隧道爆破施工對(duì)鄰近已建隧道的影響，得出結(jié)論如下：

1）本次試驗(yàn)算得的新建隧道爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建隧道拱底、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于15 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)值。鄰近已建隧道的拱底、拱頂最大沉降位移分別為6.0 mm和3.5 mm，說(shuō)明爆破方案合理，新建隧道爆破施工對(duì)鄰近已建隧道的影響較小。

2）新建隧道爆破施工開(kāi)挖區(qū)形成的掌子面會(huì)使得鄰近已建隧道的振動(dòng)速度變大，離新建隧道爆破開(kāi)挖區(qū)掌子面越遠(yuǎn)，振動(dòng)速度越小。

3）在同一斷面下，新建隧道爆破施工對(duì)已建隧道拱頂沉降位移的影響要比其拱底大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破開(kāi)挖區(qū)距離的增大，已建隧道拱頂沉降位移減小，拱底沉降位移增大。

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