分岔隧道過渡段爆破對(duì)中隔墻振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值分析*

喬青青 雷勝友 楊 瑞 孫衛(wèi)濤 石 磊

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院1) 西安 710064) (中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司2) 西安 710032)

0 引 言

分岔隧道作為一種特殊的隧道結(jié)構(gòu)形式，一般包含大斷面隧道、連拱隧道，以及小徑距隧道間的過渡，具有連拱隧道和小凈距隧道的特點(diǎn)[1-2].由于分岔隧道過渡段涉及的隧道結(jié)構(gòu)形式較多，使得整個(gè)過渡段施工，工序復(fù)雜且相互干擾較大，尤其采用爆破法施工，更是對(duì)分岔隧道設(shè)計(jì)與施工提出了更高要求.

目前關(guān)于分岔隧道的研究多集中于隧道施工支護(hù)方案優(yōu)化、圍巖受力變形特征，以及爆破荷載作用下襯砌振速變化規(guī)律等方面[3-7]，而以中隔墻和中夾巖為主的研究也是多集中在位移、受力等方面，鮮有針對(duì)分岔隧道中隔墻在爆破荷載作用下振速變化規(guī)律的系統(tǒng)研究.李術(shù)才等[8]對(duì)中墻的穩(wěn)定性判據(jù)和合理厚度進(jìn)行了研究.朱道建[9]提出了分岔隧道過渡時(shí)的轉(zhuǎn)變步驟和相應(yīng)的計(jì)算方法.蔚立元等[10]從過渡段的位移和應(yīng)力出發(fā)對(duì)分岔隧道進(jìn)行了數(shù)值分析及地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn).中隔墻是分岔隧道連拱段的關(guān)鍵受力構(gòu)件，在隧道開挖產(chǎn)生的多次爆破振動(dòng)波的沖擊下，極易開裂破壞，從而影響隧道結(jié)構(gòu)安全.因此，文中針對(duì)包灣村分岔隧道工程，采用數(shù)值模擬方法，研究分岔隧道連拱段及過渡段左、右線正洞爆破施工過程中，中隔墻及中夾巖的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律.

1 動(dòng)力時(shí)程分析參數(shù)

依據(jù)道路設(shè)計(jì)規(guī)范的地基反力系數(shù)來計(jì)算曲面彈簧系數(shù)，定義彈性邊界，進(jìn)行特征值分析.通過計(jì)算相應(yīng)土體X，Y，Z方向上的阻尼比來定義黏性邊界，建立時(shí)程分析的邊界條件.一般耦合裝藥的爆破壓力都加載在孔壁的垂直方向上，爆破荷載采用國內(nèi)外采用最多的爆破模型.各計(jì)算公式及參數(shù)的解釋為

(1)

(2)

(3)

式中：Ax，Ay，Az為X，Y，Z方向上模型的截面面積；E0為地基的彈性系數(shù)；kx，ky，kz為X、Y、Z方向上模型的地基反力系數(shù)；α為系數(shù)，取為1.

(4)

(5)

p(t)=A0f(t)

(6)

(7)

(8)

式中：p(t)為每1 kg裝藥量的動(dòng)壓力；A0為在不耦合裝藥下的初始峰值應(yīng)力；f(t)為指數(shù)型的時(shí)間滯后函數(shù)；db為炮孔直徑；dp為破碎區(qū)范圍，一般dp=2.5db；sb為炮孔間距；ρ0為炸藥密度；D為炸藥爆速；α為衰減指數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.2；n和m為由距離決定的量綱一的量阻尼參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取m=0.055，n=0.035；f0為量綱一的量，使得在爆破沖擊波上升時(shí)間結(jié)束時(shí)函數(shù)f(t)達(dá)到最大值1.0.

2 工程概況

陽安二線直通線上的包灣村隧道位于陜西省安康大巴山低山區(qū).本文研究段起訖里程為左線XDzK235+788—XDzK235+868和右線XHK235+788—XHK235+868，平面圖見圖1.

圖1 包灣村隧道分岔過渡區(qū)平面圖

研究段分岔隧道全長(zhǎng)80 m，其中連拱段隧道為IV級(jí)圍巖，共計(jì)38 m，中隔墻的寬度變化為0.89～3.6 m；小凈距隧道為IV級(jí)圍巖，共計(jì)42 m，中夾巖的寬度變化為3.6～6.95 m.

連拱隧道段正洞采用上下臺(tái)階鉆爆法開挖.根據(jù)該爆破段專項(xiàng)施工方案，爆破進(jìn)尺為2 m，炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，炸藥密度ρ0為1.1 g/cm3，藥卷直徑dc為32 mm，炮孔直徑db為40 mm，炮孔間距sb為450 mm，炸藥爆速D為4 500 m/s，上臺(tái)階裝藥量為43.15 kg.

3 模型建立

通過Midas-GTS有限元軟件建立三維模型，采用混合網(wǎng)格劃分，整體模型見圖2a).建立的模型由土體、大斷面、連拱段、小凈距段組成，Y方向包括部分大斷面隧道、全部連拱段隧道、部分小凈距隧道，見圖2b).模型長(zhǎng)、寬、高為隧道開挖直徑的3倍，分別為120，100和116 m.連拱段及小凈距段采用上下臺(tái)階爆破開挖模型，爆破進(jìn)尺為2 m.依次給模型兩側(cè)、前后表面、底部添加X，Y，Z方向的地基反力系數(shù).為簡(jiǎn)化計(jì)算，在模擬過程中將圍巖視為服從莫爾-庫倫準(zhǔn)則的連續(xù)介質(zhì)，且只考慮爆破荷載和自重荷載.

圖2 模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

3.1 模型參數(shù)

在高應(yīng)變率、爆破沖擊作用下需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，結(jié)合以往研究成果[11-12]，依據(jù)實(shí)際工程參數(shù)修正后的模型參數(shù)見表1.

表1 模型參數(shù)

洞內(nèi)初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，中隔墻采用C30混凝土.依據(jù)式(1)～(4)得到動(dòng)力時(shí)程分析參數(shù)見表2.

表2 動(dòng)力時(shí)程分析參數(shù)

3.2 特征值分析

模型四周及底部設(shè)定相應(yīng)地基反力系數(shù)，建立彈性邊界，振動(dòng)數(shù)量取10，運(yùn)行后得到1階和2階振型特征周期為1.035 580和0.839 870 3 s.

3.3 時(shí)程分析

考慮在Midas-GTS中建立爆破孔單元的不易性，故在將全部爆破孔集中按照一個(gè)位置處理，爆破荷載按照一般耦合裝藥產(chǎn)生的爆破壓力加載在爆破孔壁的垂直方向上[13].根據(jù)式(8)和相應(yīng)爆破參數(shù)，可得爆炸沖擊波峰值為32.9 MPa，孔壁動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化函數(shù)為

p(t)=230.053×(e-2 625t-e-4 125t)

(9)

模型四周及底部進(jìn)行X，Y，Z方向的位移約束，并相應(yīng)建立粘性邊界.爆破荷載按照一般耦合裝藥產(chǎn)生的爆破壓力加載在孔壁的垂直方向上.選取加載時(shí)間為1 s，分析時(shí)間步距為0.001，結(jié)果輸出時(shí)間步長(zhǎng)為1，共計(jì)輸出1 000步計(jì)算結(jié)果，爆破荷載時(shí)程曲線見圖3.

圖3 爆破荷載時(shí)程曲線

3.4 建模工況及測(cè)點(diǎn)布置

在左、右線正洞各布置了4處爆源，分別為0，15，32.5和38 m，其中0 m爆源位于大斷面隧道轉(zhuǎn)連拱隧道的過渡段處，38 m爆源位于連拱隧道轉(zhuǎn)小凈距隧道的過渡段處，其余兩處爆源位于連拱段，見圖4.模型共取11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中沿中隔墻初始位置分別隔0，8，15，25，32.5，38 m取一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，從中夾巖開始，每4 m取一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面.每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面按照?qǐng)D5布置測(cè)點(diǎn)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷面的上部，2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷面的中部，3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于斷面的下部.以下分析中，規(guī)定相對(duì)距離0 m為中隔墻初始位置，相對(duì)距離38 m為中隔墻結(jié)束位置.

圖4 爆源布置示意圖(單位：m)

圖5 橫截面測(cè)點(diǎn) 布置圖

4 中隔墻振動(dòng)特征分析

依據(jù)文獻(xiàn)[14]，交通隧道在振動(dòng)頻率F≤10 Hz時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的安全允許振速為10～12 cm/s，本文選取不同方向的最大振速與最嚴(yán)格的安全允許振速(10 cm/s)進(jìn)行對(duì)比分析.

4.1 左線爆破對(duì)中隔墻的振動(dòng)影響分析

圖6為左線不同爆源爆破時(shí)中隔墻整體最大振速云圖.由圖6可知，沿中隔墻截面方向，各爆源處中隔墻左側(cè)(迎爆側(cè))振速與右側(cè)(背爆側(cè))振速的差值隨著中隔墻厚度的增大而逐漸增大，最大差值約為5 cm/s；沿洞身方向，各爆源位置振速較大，最大值分別為22.32 cm/s(0 m爆源)、7.185 cm/s(15 m爆源)、9.64 cm/s(32.5 m爆源)和8.15 cm/s(38 m爆源).當(dāng)爆源距離為0 m時(shí)，中隔墻主要危險(xiǎn)區(qū)域(振速大于10 cm/s)大概在0～15 m范圍內(nèi).當(dāng)爆源距離分別為15，32.5和38 m時(shí)，中隔墻各處振速均在安全允許振速范圍內(nèi).

圖6 左線不同爆源爆破時(shí)中隔墻最大振速云圖

表4為各爆源所對(duì)應(yīng)中隔墻斷面處3個(gè)測(cè)點(diǎn)不同方向的振速.由表4可知，各測(cè)點(diǎn)Z向(中隔墻豎向)振速最大，且中隔墻同一豎截面上部(1號(hào)測(cè)點(diǎn))振速最大，中部(2號(hào)測(cè)點(diǎn))振速最小，其中38 m爆源處上部和中部測(cè)點(diǎn)振速差值最大，為2.187 cm/s，15 m爆源處差值最小，為0.043 cm/s，差值沿整體中隔墻表現(xiàn)為兩側(cè)大中間??；X，Y向(中隔墻切向和徑向)振速在中隔墻下部測(cè)點(diǎn)最大，X向在上部測(cè)點(diǎn)振速最小，Y向在上部和中部測(cè)點(diǎn)振速較小，X向最大振速與最小振速的差值平均為3.708 cm/s，Y向最大振速與最小振速的差值平均為0.912 cm/s.

表4 各爆源所對(duì)應(yīng)中隔墻斷面處3個(gè)測(cè)點(diǎn)不同方向的振速

結(jié)合表4數(shù)據(jù)研究規(guī)律，分別取X向、Y向和Z向振速為最大值的測(cè)點(diǎn)，即3號(hào)測(cè)點(diǎn)的X向和Y向振速，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的Z向振速，進(jìn)一步總結(jié)不同爆破里程下，中隔墻各向振速整體變化情況.圖7為左線不同爆破里程中隔墻不同方向的振速對(duì)比圖.

圖7 左線不同爆源點(diǎn)爆破時(shí)中隔墻振速對(duì)比

由圖7可知，當(dāng)左線0 m處爆破開挖時(shí)，中隔墻各測(cè)點(diǎn)振速明顯高于其他爆源處的振速，且有部分測(cè)點(diǎn)Z向振速超出了最大安全允許振速，主要原因是中隔墻初始位置墻壁厚度最薄，最容易發(fā)生破壞.從整體上看，會(huì)發(fā)現(xiàn)連拱段正洞爆破初始施工后，Z向振動(dòng)速度明顯大于X向和Y向振動(dòng)速度，因此在整個(gè)隧道施工中，可以將中隔墻Z向振速作為主導(dǎo)振速，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)做好中隔墻頂部和底部破壞控制薄弱部位的加固及監(jiān)測(cè)工作.

連拱段中隔墻到小凈距段中夾巖是分岔隧道的重要過渡段之一，為更好研究此處爆破施工時(shí)，中隔墻到中夾巖的振速變化規(guī)律，圖8為不同測(cè)點(diǎn)Z向振速隨中墻厚度變化圖.觀察發(fā)現(xiàn)該過渡段爆破時(shí)，中隔墻段測(cè)點(diǎn)的振速曲線斜率的絕對(duì)值明顯大于中夾巖段，中夾巖段振速下降較中隔墻段緩慢，以中隔墻結(jié)束斷面為分割線，左右相同距離處，中夾巖斷面處的振速是中隔墻斷面處振速的3倍，同時(shí)中隔墻各測(cè)點(diǎn)振速相差不大，厚度為3.6～4.6 m范圍內(nèi)的中夾巖段各測(cè)點(diǎn)振速有明顯差異，其中上部振速最大，下部振速最小，兩者差值最大為2.7 cm/s.

圖8 過渡段不同測(cè)點(diǎn)的Z向振速隨中墻厚度變化關(guān)系

4.2 左右線爆破對(duì)比分析

左側(cè)正洞開挖及初期支護(hù)完成40 m之后對(duì)右線不同里程進(jìn)行爆破模擬，并對(duì)各爆破里程的相同測(cè)點(diǎn)振速進(jìn)行對(duì)比，圖9為左右線不同爆破里程的中隔墻Z向振速對(duì)比圖.

圖9 左右線不同爆破里程Z向振速對(duì)比

由圖9可知，在右線施工過程中，相同里程爆源爆破荷載作用下的中隔墻整體振速變化趨勢(shì)相同；當(dāng)爆源在0和15 m時(shí)，右線爆破施工相較左線爆破施工，測(cè)點(diǎn)振速有小幅度增加，平均增加1 cm/s，左右線爆破振速值在中隔墻后13 m基本不變，可能是右線爆破模擬時(shí)中導(dǎo)洞的左側(cè)初期支護(hù)已經(jīng)拆除，而導(dǎo)致右線爆破時(shí)相同測(cè)點(diǎn)振速有所增加；當(dāng)爆源在32.5和38 m時(shí)，右線爆破施工相較左線爆破施工，測(cè)點(diǎn)振速反而呈現(xiàn)回落趨勢(shì)，減小量最大為1.5 cm/s左右，左右線爆破振速值在中隔墻前15 m范圍內(nèi)基本相同，主要原因是隨著中墻厚度的增加，右線爆破對(duì)中隔墻的影響范圍變小.

4.3 同側(cè)隧道前后爆破對(duì)比分析

為更好地觀察同側(cè)隧道已開挖段與未開挖段的中隔墻振速變化情況，以爆源所對(duì)應(yīng)中隔墻斷面為分界面，取中隔墻前后等距離位置處的振速進(jìn)行對(duì)比.圖10為15和32.5 m爆源處Z向振速的細(xì)節(jié)對(duì)比圖，由圖10可知，對(duì)比爆源前后5 m位置處的振速，左線15 m、右線15 m、左線32.5 m及右線32.5 m的同側(cè)未開挖處的振速相比已開挖處的振速擴(kuò)大了1.1，1.35，1.4，1.5倍，即同側(cè)先開挖段的測(cè)點(diǎn)振速相比未開挖段的測(cè)點(diǎn)振速約增大1.3倍，且擴(kuò)大效應(yīng)在右線開挖時(shí)更加明顯.

圖10 左右線振速的擴(kuò)大效應(yīng)

4.4 不同過渡段爆破對(duì)比分析

本文研究的包灣村分岔隧道工程，施工過程中的重要節(jié)點(diǎn)為兩個(gè)過渡段：①由大斷面隧道轉(zhuǎn)連拱隧道(過渡段I)；②由連拱隧道轉(zhuǎn)小凈距隧道(過渡段II).多種隧道形式的轉(zhuǎn)換使得過渡處的穩(wěn)定性十分復(fù)雜，因此有必要重點(diǎn)分析兩個(gè)過渡段處中隔墻的振動(dòng)變化規(guī)律.

由表4可知，左線正洞爆破開挖時(shí)，中隔墻在過渡段I的最大振速是1號(hào)測(cè)點(diǎn)的Z向振速，為22 cm/s，在過渡段II的最大振速是1號(hào)測(cè)點(diǎn)的Z向振速，為8.7 cm/s.兩處過渡段的最大振速均位于中隔墻的上部，且均為Z向振速.從振速數(shù)值上看，大斷面向連拱段的過渡施工對(duì)中隔墻的影響更大.主要由于過渡段I的爆破臨空面更大，且此時(shí)的中隔墻厚度最小.在實(shí)際爆破過程中要嚴(yán)格控制裝藥量，周邊眼采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余炮眼采用連續(xù)裝藥，注意監(jiān)測(cè)此段中墻測(cè)點(diǎn)的振速變化情況及爆破效果，及時(shí)調(diào)整鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù).

選取左右線各爆源處中墻Z向最大振速，分別得到左、右線不同爆源處中墻Z向最大振速與厚度的擬合關(guān)系曲線見圖11.由圖11a)可知，中墻Z向最大振速與中墻厚度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)振速為10 cm/s時(shí)，中墻厚度為1.1 m，即在中隔墻的前6.5 m，Z向振速大于安全允許振速.右線的擬合關(guān)系類似于左線.由圖12b)可知，當(dāng)振速為10 cm/s時(shí)，中墻厚度為1.65 m，即在中隔墻的前10 m，Z向振速大于安全允許振速.將左右線的危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ葋砜?，右線的危險(xiǎn)區(qū)域比左線的要略大一點(diǎn)，主要原因是因?yàn)樽缶€爆破時(shí)中導(dǎo)洞的左側(cè)初期支護(hù)已經(jīng)拆除，而導(dǎo)致右線爆破時(shí)測(cè)點(diǎn)振速有所增加.綜上所述，在左右線的危險(xiǎn)區(qū)域范圍內(nèi)，為減小對(duì)中隔墻的影響，需要考慮通過控制單段裝藥量、炮孔進(jìn)尺深度及采用預(yù)裂爆破等措施控制爆破.

圖11 Z向最大振速隨中墻厚度的衰減關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

1) 沿中隔墻橫截面方向，各爆源處中隔墻迎爆側(cè)振速與背爆側(cè)振速的差值與中隔墻厚度成正比；中隔墻的豎向振速明顯比切向振速和徑向振速要大，中部振速最?。辉谑┕けO(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)將中隔墻豎向振速作為主導(dǎo)振速，并確保中隔墻頂部和底部部位的施工質(zhì)量.

2) 對(duì)比同側(cè)隧道前后段的爆破作用，同側(cè)隧道未開挖段中隔墻振速比開挖段中隔墻振速會(huì)有一個(gè)放大效應(yīng)，放大倍數(shù)約1.3倍，且擴(kuò)大效應(yīng)在后行隧道開挖時(shí)更加明顯.對(duì)比左右線隧道的爆破作用，后行隧道爆破施工對(duì)中墻的破壞作用更大；對(duì)比兩個(gè)過渡段的爆破作用，大斷面向連拱段的過渡施工比連拱段向小凈距段的施工對(duì)中隔墻的影響更大.

3) 兩過渡段間的左、右線不同爆源處中隔墻豎向最大振速與厚度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，以最嚴(yán)格的安全允許振速為分界線可得到本工程中分岔隧道連拱段爆破時(shí)左右線的最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榍?.5和10 m.在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，施工時(shí)可以通過嚴(yán)格控制單段裝藥量、炮孔進(jìn)尺深度，從而有效減小爆破對(duì)中隔墻的影響.