隧道爆破作用下上方管道的特征分析

陳志明, 鄧浩亮

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

我國交通運(yùn)輸體系的發(fā)展日新月異、人民群眾的出行需求日益增長(zhǎng)，為緩解地面交通堵塞和資源緊張的問題，涌現(xiàn)出越來越多的地下空間工程。目前國內(nèi)山區(qū)的隧道修建主要采用鉆爆法，不僅經(jīng)濟(jì)合理，且適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件的地下空間工程中，但在方便隧道施工順利進(jìn)行的同時(shí)，也不可避免對(duì)周圍環(huán)境造成破壞。所以在爆破施工前要特別注意爆破振動(dòng)對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響，避免對(duì)周圍環(huán)境造成損害。尤其是爆破施工對(duì)管線周圍巖土體產(chǎn)生的擾動(dòng)極易形成管線周圍土體的應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致地下管線自身的破壞[1-3]。

因此，在隧道修建過程中必須了解爆破振動(dòng)對(duì)管線的影響，盡可能減輕不良影響，確保施工過程中管線的安全。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)于爆破振動(dòng)下管線的動(dòng)力響應(yīng)特征主要采用數(shù)值分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，并取得了一些成果。張坤等[4]利用數(shù)值分析軟件得到了不同爆心距下地下管線的應(yīng)力峰值；石杰紅等[5]通過數(shù)值模擬軟件得出預(yù)裂孔可有效降低爆破對(duì)管線的振動(dòng)；張志強(qiáng)[6]依托西氣東輸二線工程總結(jié)出采用導(dǎo)爆管延時(shí)起爆技術(shù)和V型網(wǎng)絡(luò)起爆技術(shù)，可防止爆破振動(dòng)的疊加并有效減輕爆破振動(dòng)所帶來的擾動(dòng)。梁向前等[7]分析了工程爆破施附近供水氣管線的抗震特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)試驗(yàn)和施工監(jiān)測(cè)，研究了爆破地震波的傳播衰減規(guī)律和爆破振動(dòng)對(duì)供水管線安全的影響。由此可見爆破振動(dòng)對(duì)運(yùn)輸管線擾動(dòng)是事實(shí)存在的，因此需要提前進(jìn)行預(yù)測(cè)振動(dòng)效應(yīng)并及時(shí)采取相應(yīng)措施，降低爆破振動(dòng)影響。

以某隧道工程正下穿管道為背景，通過數(shù)值分析提前對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，著重分析了管線豎直方向和水平方向上的爆破振速分布規(guī)律，并對(duì)管線在爆破振動(dòng)作用下的應(yīng)力進(jìn)行分析。對(duì)隧道鉆爆施工的設(shè)計(jì)和實(shí)施進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某隧道總長(zhǎng)962m，設(shè)計(jì)為雙洞單向2車道，隧道進(jìn)洞口位于丘陵坡麓，地形起伏大，表部覆蓋較薄的含角礫粉質(zhì)粘土。隧道洞身為殘坡積、強(qiáng)風(fēng)化 — 中風(fēng)化巖體，裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體破碎。地質(zhì)參數(shù)如表1所示。隧道左右洞具有相似特征，隧道毛洞開挖寬度為16.8m，高度為8.6m，左右洞最大間距為16.59m，洞身大部分處于Ⅴ級(jí)圍巖段。在隧道樁號(hào)約K7+100處，山頂上有新修建的管道，管徑400mm，與本項(xiàng)目路線基本呈垂直交叉，距隧道拱頂垂直距離約34m，如圖1所示。其中管線埋深為2m，管壁材料為具有高強(qiáng)度和高韌性的X70鋼，參數(shù)見表2。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了解，該管道將不進(jìn)行遷移，在該段位置施工時(shí)要需控制用藥量，盡量降低隧道爆破施工對(duì)管道的影響。隧道開挖掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格按照新奧法原理進(jìn)行施工。

表1 隧道地質(zhì)參數(shù)類型彈性模量/GPa重度/(kN·m-3)泊松比Vs/(km·s-1)粉質(zhì)粘土0.0319.20.310.21強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r31.2022.10.290.54中風(fēng)華凝灰?guī)r32.5022.00.290.52

圖1 隧道縱斷面圖

表2 管道參數(shù)類型彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa泊松比管道2121960.28

1.2 施工方案

本隧道穿越管線段處于Ⅴ級(jí)圍巖段，開挖時(shí)采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土法，每循環(huán)進(jìn)尺為1m。上部弧形導(dǎo)坑以機(jī)械開挖和弱爆破為主，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)，再對(duì)預(yù)留核心土采用控制爆破，最后開挖剩余土體及時(shí)進(jìn)行仰拱施作。施工流程如圖2所示。施工時(shí)先對(duì)隧道進(jìn)行超前加固，然后采用弱爆破法分部開挖，各部位開挖時(shí)周邊輪廓應(yīng)盡量圓順，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 施工順序

隧道爆破的炮眼盡量采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)或者間隔裝藥，以保證爆破質(zhì)量和減震效果。不耦合裝藥是指炸藥直徑小于炮孔直徑，炸藥與炮孔壁之間留有間隙，以降低爆轟波作用在孔內(nèi)壁上的初始?jí)毫?，使孔壁不壓縮破壞。本次爆破工程藥卷直徑為25mm，炮孔直徑為42mm，最大段裝藥量為8.2kg。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)

2 爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1.1模型的尺寸

采用非線性有限元程序LS-DYNA，針對(duì)爆破施工現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，在合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上建立隧道-圍巖-管道的三維空間實(shí)體有限元模型。采用LS-DYNA自帶的高能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN生成爆破地震波，計(jì)算分析得到隧道爆破開挖作用下爆破地震波在圍巖中的傳播規(guī)律和結(jié)構(gòu)部位的速度、應(yīng)力分布等動(dòng)力響應(yīng)特征。根據(jù)爆破動(dòng)力響應(yīng)研究的對(duì)象，模型分為管道和圍巖(含隧道)2部分?？紤]到爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)為3～4倍洞徑，模型縱向尺寸取86m，依據(jù)管線與隧道空間交叉的位置以K7+100為中心前后共取70m。管線的埋深為2m，隧道頂部距離管線的高度為34m。數(shù)值模型如圖4所示。

a) 三維模型圖

b) 管道與隧道位置關(guān)系

2.1.2模型參數(shù)

隧道圍巖采用的材料模型為MAT_PLASTIC_KINEMATIC，隧道圍巖材料參數(shù)如表3所示。

表3 隧道圍巖材料參數(shù)密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比切線模量/MPa19.20.030.311.122.131.20.2910.822.032.50.2915.0

炸藥采用EOS_JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過程中壓力與比容的關(guān)系，方程體現(xiàn)了炸藥做功能力：

(1)

其中，A、B、R1、R2、ω為方程材料參數(shù)；p為壓力，Pa；V為相對(duì)體積；E為單位體積初始內(nèi)能。數(shù)值模型中所使用的炸藥材料與現(xiàn)場(chǎng)采用的巖石乳化炸藥一致，其主要輸入?yún)?shù)如表4所示。

表4 模型參數(shù) 密度/(kg·m-3)A/GPaB/GPaR1R2ωE01 580178.83.114.651.210.32.25

管線為脆性材料,采用彈性和塑性2種斜率表示材料應(yīng)力應(yīng)變行為的雙線性各向同性硬化模型[6]，管線參數(shù)如表5所示。

表5 管線參數(shù)密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa1 3002.410.381200

2.2 邊界條件

所研究對(duì)象管道處于地下位置，假設(shè)管道周圍一定范圍內(nèi)地基、坑洞等對(duì)研究對(duì)象無影響，管道處于無限且勻質(zhì)的土壤內(nèi)，由于模型大小有限，故在設(shè)定模型邊界時(shí)，除模型上表面為自由面的之外，其它所有面均為非反射邊界。為使管道、巖層和隧道等多種材料形成耦合，本模型采用ALE算法，炸藥劃分為Euler網(wǎng)格，管道和巖層劃分為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格，Lagrange和Euler網(wǎng)格之間通過定義CONSTRAINED＿LAGRANGE＿IN＿SOLID關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)流固耦合[8],對(duì)管道、炸藥、隧道進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化加密，隧道圍巖網(wǎng)格相對(duì)稀疏，保證其應(yīng)力應(yīng)變的精確模擬。炸藥和周邊圍巖采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，管道采用8節(jié)點(diǎn)板單元進(jìn)行模擬，管道和圍巖單元之間具有相同的節(jié)點(diǎn)。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1管線振速分析

隧道樁號(hào)K7+100為隧道和管線交叉中心處，選取K7+100(Y=0時(shí))為研究對(duì)象，模擬了該位置管線的動(dòng)力響應(yīng)特性。定義X為垂直于隧道軸線方向，即橫向；Y為隧道軸線方向，即縱向；Z為垂直于地表方向，即豎向，圖5為斷面測(cè)點(diǎn)分布。

圖5 管線測(cè)點(diǎn)分布

表6為K7+100(Y=0)處測(cè)點(diǎn)的各個(gè)方向振速值。管道底部的峰值振速普遍比管道頂部側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的峰值振速值大很多，管道左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的峰值振速值差別較小；且同一測(cè)點(diǎn)X、Y方向振速值比Z方向峰值振速值普遍小很多，因此，豎向振速作為主要的判別依據(jù)。圖6為測(cè)點(diǎn)5各方向振速歷程圖。如圖6所示，測(cè)點(diǎn)振速幅值均隨著時(shí)間而逐漸衰減，衰減規(guī)律呈現(xiàn)先快后慢逐漸趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，且測(cè)點(diǎn)5各個(gè)方向最大振速均未超過《爆破安全規(guī)程》所允許的安全范圍3cm/s。

表6 豎向、水平向、縱向振速測(cè)點(diǎn)峰值振速/(cm·s-1)豎向振速水平向振速縱向振速10.760.340.1721.120.560.2131.380.690.3241.450.720.2951.960.930.3861.510.730.3271.420.640.33

a) 豎向

2.3.2管道應(yīng)力分析

由上述可知，爆破振動(dòng)能量隨著時(shí)間的增加逐漸衰減，選取t=15ms對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析。各方向應(yīng)力云圖如圖7所示，可得X方向最大應(yīng)力值為0.118MPa和Y方向最大應(yīng)力值為0.089MPa，Z方向最大應(yīng)力值為0.073MPa，X方向和Y方向的應(yīng)力值都大于Z方向。

a) X方向

由此可知，在爆破過程中管線主要承受來自X和Y方向的應(yīng)力，雖然Z方向上振動(dòng)速度較大，但應(yīng)力值較小。因此，振動(dòng)速度并不能完全評(píng)價(jià)管道的動(dòng)力響應(yīng)和受力狀況。圖8為測(cè)點(diǎn)5各方向應(yīng)力峰值與爆心距變化關(guān)系。爆心距小于20m時(shí)，應(yīng)力值較大，衰減速度較快；爆心距大于20m時(shí)，應(yīng)力值偏小，衰減緩慢。

圖8 應(yīng)力與爆心距關(guān)系

綜合上述結(jié)果分析，爆心距0m時(shí)，管線受爆破振動(dòng)影響較大。雖然此時(shí)管線振動(dòng)豎向速度未超過安全振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，但管線水平向和縱向上出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，需要引起重視。為最大程度降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，爆心距小于20m時(shí)，要采取一定的爆破減振措施;大于20m時(shí)，可不改變爆破參數(shù)。

3 結(jié)論

1) 隧道爆破施工后，同一監(jiān)測(cè)斷面爆破振動(dòng)速度分布特征為：管底部>管左側(cè)>管右側(cè)>管頂部，且X、Y方向振速值比Z方向峰值振速值普遍小很多，故豎向振速作為主要判別依據(jù)。管線測(cè)點(diǎn)的振速幅值均隨時(shí)間而逐漸衰減，衰減規(guī)律呈現(xiàn)先快后慢，逐漸趨于平穩(wěn)趨勢(shì)。

2) 爆破過程中管線主要承受來自X方向和Y方向應(yīng)力，雖然Z方向上振動(dòng)速度較大，但應(yīng)力值較小。

3) 針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)管線的影響，以20m水平爆心距為安全距離，小于20m時(shí),要采取爆破減振措施。