上軟下硬地層隧道開挖方法的研究

何萬平，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來，隨著機(jī)械法不斷發(fā)展和進(jìn)步，已在隧道工程中得到成功應(yīng)用。機(jī)械法主要適用于節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小于20MPa的軟弱圍巖中，具有振動(dòng)小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。上軟下硬地層隧道近接既有結(jié)構(gòu)施工，具有施工難度大、技術(shù)要求高和風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)[3]。目前，針對(duì)上軟下硬復(fù)合地層隧道近接施工，常用的施工方法是鉆爆法和機(jī)械開挖法[3-6]。對(duì)于上軟下硬地層隧道近接施工，單獨(dú)采用機(jī)械法開挖，地層適應(yīng)性差、效率無法保證，若單獨(dú)采用鉆爆法施工，爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生顯著的擾動(dòng)。目前，上軟下硬地層隧道近接爆破施工減振方法，主要在起爆順序、藥量控制、掏槽眼數(shù)量、循環(huán)進(jìn)尺、工法轉(zhuǎn)換和振動(dòng)敏感性等方面進(jìn)行優(yōu)化[4-6]，采用鉆爆法和機(jī)械法聯(lián)合開挖以減小爆破振動(dòng)的研究較少。

因此，依托某鐵路隧道近接既有高鐵線路的工程建設(shè)，對(duì)上軟下硬地層采用機(jī)械法和爆破法施工進(jìn)行研究，探討兩種開挖方法綜合應(yīng)用的施工效果。

1 模型建立及工況設(shè)置

1.1 工程簡(jiǎn)介及施工方案

該鐵路隧道全長(zhǎng)1 065m，為單線鐵路隧道，隧道最大埋深約52m。線路位于兩條高鐵線路之間，距既有線最小間距為38m。下伏基巖主要為侵入花崗巖，存在不均與風(fēng)化程度，進(jìn)出口60m范圍內(nèi)主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，中間段落均位于弱風(fēng)化花崗巖區(qū)域，且存在明顯的上軟下硬地層。

該隧道主要以控制爆破開挖施工為主，以銑挖法掘進(jìn)施工為輔，分段采取不同的施工方法，擬對(duì)進(jìn)口40m和出口35m范圍采用機(jī)械開挖施工，其余段落采用機(jī)械和控爆相結(jié)合施工，主要施工方法為：(1)臺(tái)階法留核心土機(jī)械開挖；(2)臺(tái)階法上下斷面銑挖；(3)上斷面銑挖、下斷面控爆；(4)上下臺(tái)階法控爆等四種施工方法。

1.2 工況設(shè)置及計(jì)算模型

為研究上軟下硬地層中隧道采用機(jī)械爆破開挖的振動(dòng)影響，設(shè)置2種工況(如表1)進(jìn)行計(jì)算。兩種工況的模型和開挖示意如圖1、圖2所示。

施工順序：上臺(tái)階控制爆破開挖→上部施作初支→下臺(tái)階控制爆破開挖→施作二襯和仰拱。

表1 工況設(shè)置

圖1 上下臺(tái)階法爆破開挖示意

圖2 上臺(tái)階機(jī)械下臺(tái)階爆破

施工順序：上臺(tái)階機(jī)械法開挖→上部施作初支支護(hù)→下臺(tái)階控制爆破開挖→施作二襯和仰拱。

1.3 材料參數(shù)

彈塑性動(dòng)力學(xué)模型由于其本構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可較好地反應(yīng)巖土體等材料的動(dòng)力特性的同時(shí)可適當(dāng)降低計(jì)算復(fù)雜程度。因此，巖石和二次襯砌、炮泥采用理想彈塑性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解計(jì)算，各材料參數(shù)見表2。

模擬爆破施工的炸藥參數(shù)見表3。

表2 材料參數(shù)

表3 炸藥參數(shù)

計(jì)算模型采用軟件自身的空氣單元，空氣材料參數(shù)見表4。

表4 空氣參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

如圖3所示，在模型中每隔10m設(shè)置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)(-100～100m)，通過對(duì)地表的綜合振速、最大和最小主應(yīng)力進(jìn)行分析，明確隧道爆破施工產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及周邊環(huán)境的影響程度。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.1 綜合振速分析

如表5所示，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振速。

根據(jù)表5、圖4可得：采用上下臺(tái)階爆破開挖法施工時(shí)，所監(jiān)測(cè)到綜合振速的最大值位于隧道正上方地表，最大值為2.134cm/s，采用上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法時(shí)，最大值同樣出現(xiàn)在隧道正上方地表，最大值為1.12cm/s。兩種開挖方式相比較，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法的綜合振速最大值降低47.52 %。對(duì)比兩工況相同位置監(jiān)測(cè)值，采用上臺(tái)階械開挖下臺(tái)階爆破的綜合振速全面降低，最大降幅為58.70 %。

2.2 最大主應(yīng)力分析

如表6所示，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力。

根據(jù)表6、圖5可得：采用上下臺(tái)階爆破開挖法施工時(shí)，所監(jiān)測(cè)到最大主應(yīng)力的最大值位于隧道正上方地表，最大值為130.44kPa，采用上臺(tái)階械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法時(shí)，最大值同樣出現(xiàn)在隧道正上方地表，最大值為75.537kPa。兩種開挖方式相比較，上臺(tái)階械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法的最大主應(yīng)力最大值降低42.09 %。對(duì)比兩工況相同位置監(jiān)測(cè)值，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的最大主應(yīng)力值總體處于降低狀態(tài)，最大降幅為60.30 %。

表5 各工況下地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速

圖4 工況一、二綜合振速對(duì)比

圖5 工況一、二最大主應(yīng)力對(duì)比

圖6 工況一、二最小主應(yīng)力對(duì)比

表6 各工況下地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力值

2.3 最小主應(yīng)力分析

如表7所示，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最小主應(yīng)力。

表7 各工況下地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力值

根據(jù)表7、圖6可得：采用上下臺(tái)階爆破開挖法施工時(shí)，所監(jiān)測(cè)到最小主應(yīng)力的最大值位于隧道正上方地表，最大值為112.43kPa，采用上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法時(shí)，最大值同樣出現(xiàn)在隧道正上方地表，最大值為68.496kPa。兩種開挖方式相比較，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的開挖方法的最小主應(yīng)力最大值降低39.08 %。對(duì)比兩工況相同位置監(jiān)測(cè)值，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的最小主應(yīng)力值全面降低，最大降幅為57.83 %。

由圖4～圖6可知：在上軟下硬地層條件下，上部軟弱地層采用機(jī)械法開挖，避免爆破振動(dòng)對(duì)地層的擾動(dòng)，同時(shí)上臺(tái)階開挖后形成的區(qū)域可減弱下臺(tái)階硬巖爆破施工對(duì)圍巖的影響，綜合振速、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力等指標(biāo)均大幅度 降低；兩種開挖條件下，綜合振速、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力總體上隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隧道中心線水平距離增加而減小，水平20m范圍內(nèi)下降速率較快。

3 結(jié)論

本文通過LS-DYNA軟件，對(duì)上軟下硬地層中隧道采用機(jī)械法和爆破法施工進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)論如下：

(1)與上下臺(tái)階爆破開挖相比，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破開挖的綜合振速、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力最大降幅分別達(dá)47.52 %、42.09 %、39.08 %。

(2)兩種開挖方式下，綜合振速、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力總體隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隧道中心線水平距離增加而減小，在水平20m范圍內(nèi)下降速率較快。

(3)對(duì)比兩工況相同位置，上臺(tái)階機(jī)械開挖下臺(tái)階爆破的綜合振速、最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力值全面降低，最大降幅分別為58.70 %、60.30 %、57.83 %。