近接隧道爆破減震技術(shù)研究

向君霞

重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，中國(guó)·重慶 400074

結(jié)合中國(guó)成渝高速中梁山隧道擴(kuò)容改造工程近接既有老成渝中梁山隧道的工程實(shí)際情況，利用ANSYS 數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)近接隧道爆破減震技術(shù)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)改變掏槽眼位置，加設(shè)減震孔能有效的減少近接隧道的震動(dòng)影響。掏槽眼遠(yuǎn)離減震孔時(shí)，減震效果最好。因此，論文提出相應(yīng)的減震措施，有效的保證近接隧道運(yùn)行安全和新建隧道的施工安全。

近接隧道；爆破控制；數(shù)值模擬；減震孔

1 引言

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國(guó)新建鐵路、公路隧道的等級(jí)、規(guī)模、數(shù)量逐年增長(zhǎng)。交通運(yùn)輸能力的不足成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素，這造成了新建隧道靠近既有小凈距平行隧道或上下交叉隧道等形式的地下近接工程越來(lái)越多[1]。

近接隧道施工圍巖擾動(dòng)次數(shù)多，隧道的開(kāi)挖使圍巖應(yīng)力產(chǎn)生重分布，近接隧道在其修建時(shí)已經(jīng)改變其圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)，新建隧道的開(kāi)挖會(huì)再次擾動(dòng)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)，從而對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，對(duì)施工造成巨大的安全隱患[2]。

通過(guò)改變震動(dòng)波的傳播途徑來(lái)控制新建隧道對(duì)既有隧道的影響，對(duì)新建隧道施工的爆破減震控制技術(shù)進(jìn)行研究，為該隧道及類(lèi)似近接隧道施工提供參考依據(jù)。

2 工程概況

中梁山隧道擴(kuò)容改造工程是解決主城與西部城區(qū)交通的重要民生工程，左線長(zhǎng)3233m，右線長(zhǎng)3065m。其穿越素有西南地區(qū)地質(zhì)博物館的中梁山山脈，包含煤層、采空區(qū)、巖溶、斷層、瓦斯及涌水突泥等諸多特殊不良圍巖地質(zhì)情況，加之緊臨高病害既有隧道，其施工風(fēng)險(xiǎn)大、難度高[3]。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析基于ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件，通過(guò)后處理軟件LS-PREPOST 輸出得到數(shù)值模擬的結(jié)果，根據(jù)數(shù)值模擬中對(duì)掏槽眼位置、減震孔的加設(shè)和減震孔與掏槽眼位置的三種措施進(jìn)行了分析。

3.1 計(jì)算模型

論文的主要研究目的在于分析新建隧道在爆破施工過(guò)程中對(duì)近接隧道穩(wěn)定性的影響，在計(jì)算前作如下假設(shè)。

（1）新建隧道不考慮爆破震動(dòng)的影響。

（2）只考慮新建隧道中所裝炸藥對(duì)近接隧道的影響。

（3）模型簡(jiǎn)化為采用全斷面開(kāi)挖。

（4）近接隧道運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾年，故可認(rèn)為只由二次襯砌承擔(dān)全部荷載。

模型邊界條件：考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，左右邊界上加水平約束，下邊界上加全約束，上邊界為自由邊界。在實(shí)際情況下，爆破后應(yīng)力波向各個(gè)方向傳播，不存在應(yīng)力波反射的情況，所以在模型中施加無(wú)反射邊界條件，以保證爆破數(shù)值模擬與實(shí)際情況一致[4]。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 巖石材料模型

*MAT_Johnson_Holmquist_Concret 簡(jiǎn)稱(chēng)H-J-C，主要用于高應(yīng)變、大變形下的巖石和混凝土材料的模擬。H-J-C 模型的對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖模型材料參數(shù)

3.2.2 層理材料參數(shù)

為了消除模擬過(guò)程的不確定因素，應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算。假定層理和炮泥為彈塑性體，選取與應(yīng)變率無(wú)關(guān)的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型。層理、炮泥材料參數(shù)如表2所示。

表2 層理和炮泥材料參數(shù)

3.2.3 炸藥材料模型

在LS-DYNA 中，起爆點(diǎn)和起爆位置采用關(guān)鍵字*INITIAL_DETONATION 定義，高性能炸藥材料模型通常采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 來(lái)定義，炸藥爆炸后的爆破壓力P由狀態(tài)方程Jones-Wilkens-Lee（簡(jiǎn)稱(chēng)JWL）求得JWL 方程表達(dá)了爆炸過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化情況，方程的表達(dá)式為：

式中，A、B、R2、ω 為與炸藥性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；V 為相對(duì)體積；E0為初始內(nèi)能密度。

論文中采用的炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3 炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 掏眼位置的變化

根據(jù)薩道夫斯基震動(dòng)波衰減公式V=K(Q1/3/R)α,隨著爆心距[5]的增大震動(dòng)波的衰減越迅速。因此，在不改變隧道凈距的情況下，可通過(guò)改變掏槽眼的位置以減小爆破振動(dòng)對(duì)近接隧道的影響，如圖1所示。

圖1 掏槽眼布置方式

通過(guò)選取與新建隧道掌子面對(duì)應(yīng)的近接隧道的襯砌橫斷面上的10 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分析，如圖2所示。

圖2 襯砌橫斷面的節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖

各質(zhì)點(diǎn)在掏槽眼居中布置時(shí)，掏槽眼右下測(cè)布置時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，如表4所示。

表4 振動(dòng)速度

4.2 加設(shè)減震孔

加設(shè)減震孔的目的在于分析新建隧道在施工過(guò)程中，加設(shè)減震孔對(duì)近接隧道的影響，如圖3所示。

圖3 加設(shè)減震孔

各質(zhì)點(diǎn)在掏槽眼居中布置時(shí)和加設(shè)減震孔時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，如表5所示。

表5 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度

4.3 改變掏槽眼與減震孔的相對(duì)位置

利用ANSYS/LS-DYNA 建模，分析當(dāng)掏槽眼和減震孔的相對(duì)位置不同時(shí)的減震效果，如圖4所示。

圖4 改變掏槽眼和減震孔的相對(duì)位置

得出各質(zhì)點(diǎn)在掏槽眼靠近減震孔時(shí)、掏槽眼居中時(shí)、掏槽眼遠(yuǎn)離減震孔時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，如表6所示。

表6 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度

根據(jù)表4、5、6 質(zhì)點(diǎn)采用不同控制措施的振動(dòng)合速度，繪制出相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線圖，如圖5所示。

圖5 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線圖

由圖5可知，當(dāng)掏槽眼居中布置時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的的振動(dòng)速度最大，且位于迎爆側(cè)。當(dāng)采取相應(yīng)的爆破控制措施時(shí)，當(dāng)只設(shè)置掏槽眼時(shí)，改變掏槽眼位置對(duì)近接隧道振動(dòng)影響減小的作用不大；當(dāng)設(shè)置減震孔時(shí)，當(dāng)掏槽眼遠(yuǎn)離減震孔時(shí)對(duì)近接隧道振動(dòng)影響減小的作用最有效。

4.4 近接隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

對(duì)中梁山隧道擴(kuò)容工程現(xiàn)場(chǎng)做試爆實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)近接隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)[6]，與數(shù)值模擬分析進(jìn)行比較。測(cè)點(diǎn)布置原則：為了準(zhǔn)確的研究爆破對(duì)近接隧道的振動(dòng)影響，測(cè)點(diǎn)布置在掘進(jìn)隧道掌子面與相鄰隧道對(duì)應(yīng)樁號(hào)的斷面后面，具體的位置是隧道迎爆側(cè)邊墻附近。測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

通過(guò)在中梁山隧道擴(kuò)容工程現(xiàn)場(chǎng)做試爆實(shí)驗(yàn)，所得的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度峰值如表7所示。

表7 質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度峰值

7 2.2901 5.28 34.5 8 1.5424 5.28 40.51 9 1.1336 5.28 47.29 10 0.6905 5.28 64.57

由上面試爆實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，質(zhì)點(diǎn)較大震動(dòng)速度位于離震源較近位置，且與數(shù)值模擬分析中所得質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度較接近。因數(shù)值模擬分析對(duì)圍巖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，沒(méi)有充分考慮復(fù)雜的地形地質(zhì)、地下水、節(jié)理斷層等實(shí)際情況，故存在一定差異。

5 結(jié)語(yǔ)

論文以老成渝中梁山隧道擴(kuò)容工程為依托，利用ANSYS LS-DYNA 數(shù)值模擬分別對(duì)掏槽眼的位置、加設(shè)減震孔、改變掏槽眼與減震孔的相對(duì)位置進(jìn)行對(duì)近接隧道受震程度的研究。得出以下結(jié)論。

（1）改變掏槽眼的位置對(duì)減小近接隧道受震程度有一定作用，但效果不大。

（2）加設(shè)減震孔能有效的減少對(duì)近接隧道受震程度的影響。

（3）當(dāng)改變掏槽眼和減震孔的相對(duì)位置時(shí)，掏槽眼靠近減震孔時(shí)，減震效果最差；掏槽眼遠(yuǎn)離減震孔時(shí)，效果最好。

因此，在新建隧道施工過(guò)程中，可采取加設(shè)減震孔，改變掏槽眼和減震孔的相對(duì)位置等措施來(lái)保證老隧道正常運(yùn)營(yíng)的安全。