無(wú)中墻連拱隧道后行洞施工工法及爆破振速預(yù)測(cè)研究

李 波 趙 亮 姜成業(yè)

(云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司1) 昆明 650100)(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430071)

0 引 言

基于單洞法的無(wú)中墻連拱隧道因其結(jié)構(gòu)形式占地面積小、空間利用率高、不再考慮出口路基分幅等優(yōu)勢(shì)[2]在越來(lái)越多的地區(qū)得到應(yīng)用，但因其后行洞緊鄰先行洞的特殊結(jié)構(gòu)形式，會(huì)造成先行洞襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、漏水甚至塊體掉落等病害[3]，將嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，甚至威脅隧道運(yùn)營(yíng)期安全.

針對(duì)已有連拱隧道設(shè)計(jì)及施工出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，已有學(xué)者做出了相應(yīng)研究.在連拱隧道施工工法研究方面，李玉文等[4]結(jié)合施工安全、結(jié)構(gòu)受力等各方面的對(duì)比分析結(jié)果，提出了不同類(lèi)型的中墻形式并對(duì)其適用條件作出了說(shuō)明；賈永剛等[5]基于采用兩導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法的連拱隧道施工力學(xué)行為對(duì)比分析結(jié)果，總結(jié)了兩種工法的關(guān)鍵施工工序及注意事項(xiàng)；丁文其等[6]針對(duì)淺埋大跨度隧道運(yùn)用有限元方法對(duì)不同的施工方法進(jìn)行分析，為施工方案的優(yōu)化提供了思路；時(shí)亞昕等[7]結(jié)合三維有限元模型分析結(jié)果，通過(guò)總結(jié)淺埋偏壓連拱隧道中墻受力規(guī)律提出了合理中墻形式.在隧道施工爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究方面，王仁濤等[8]針對(duì)淺埋偏壓隧道爆破施工對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生振動(dòng)影響的問(wèn)題，提出了減小單段最大藥量，合理布置炮眼間距的爆破施工方案；王海龍等[9]為了減小隧道施工對(duì)既有隧道爆破的振動(dòng)影響，結(jié)合具體工程案例提出了優(yōu)化三段式爆破施工方案；閆鴻浩等[10]為了減小爆破振速，針對(duì)具體工程案例采用了配置減震孔和藥孔內(nèi)外微差起爆的方法，降低了施工爆破的影響.

上述研究大多是針對(duì)有中隔墻的結(jié)構(gòu)形式，相比本文所提及的基于單洞法施工的無(wú)中墻連拱隧道結(jié)構(gòu)形式施工工法有很大不同.文中以具體工程案例為依托，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)兩種后行洞施工方案進(jìn)行靜力學(xué)對(duì)比分析，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)爆破施工方案下的爆破振速進(jìn)行預(yù)測(cè).

1 工程概況

某高速公路起于普洱市墨江縣，全長(zhǎng)約246 km，項(xiàng)目按全封閉、全立交高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車(chē)道，路基寬度25.5 m.該高速公路是西部開(kāi)放省份打通東南亞大市場(chǎng)的主要交通骨干線之一.

本研究所依托工程為該高速公路建設(shè)的重要控制性工程—1號(hào)隧道工程.隧道穿越區(qū)海拔高程介于1 214.08～1 250.34 m，相對(duì)高差36.26 m，屬中切割中山地貌區(qū).根據(jù)地質(zhì)調(diào)查揭露結(jié)果，隧道區(qū)內(nèi)主要地層為第四系坡殘積層、白堊系下統(tǒng)曼崗組地層.隧道圍巖以碎石土、粉砂巖、石英砂巖為主，呈強(qiáng)～中風(fēng)化，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈碎石狀體結(jié)構(gòu)，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)；巖體富水性較強(qiáng)，隧道開(kāi)挖時(shí)可能存在較大量的滴水、滲水等現(xiàn)象.

2 施工工法的靜力學(xué)仿真

2.1 計(jì)算模型的建立

選取1號(hào)隧道IV級(jí)圍巖處一個(gè)斷面進(jìn)行分析研究，埋深31 m.計(jì)算邊界左右側(cè)分別取6倍洞徑巖體，上部取至地面，下部取3倍洞徑的巖體[11].幾何模型尺寸見(jiàn)圖1.

圖1 幾何模型示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料獲取的地層信息，將隧道周邊巖土體分為3種材料，從上至下依次為：黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化玄武巖.網(wǎng)格采用六面體和五面體單元，共劃分網(wǎng)格單元28 564個(gè)，網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2.

圖2 網(wǎng)格模型示意圖

2.2 計(jì)算方案及參數(shù)選取

基于地層結(jié)構(gòu)模型，采用有限差分法開(kāi)展不同工法下隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬.模擬中圍巖考慮為各向同性材料，初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，由于埋深相對(duì)較淺，不考慮構(gòu)造應(yīng)力及溫度應(yīng)力的影響[12].模型左右邊界設(shè)置為水平約束，底部為豎直約束，頂部為自由面.計(jì)算過(guò)程中將超前支護(hù)措施通過(guò)提高洞室周邊圍巖參數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化，初襯及二襯結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬.巖體開(kāi)挖后應(yīng)力釋放70%，初襯施作后應(yīng)力全部釋放[13].數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 數(shù)值計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 不同施工工法的施工模擬步驟

本次模擬考慮后行洞兩種不同的施工工法，先行洞模擬采用三臺(tái)階法而后行洞分別采用雙臺(tái)階預(yù)留核心土法和CD法.左幅隧道采用三臺(tái)階法，施工步驟見(jiàn)圖3.

圖3 施工步驟示意圖

2.4 數(shù)值計(jì)算成果及分析

圖4為不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖.由圖4可知:兩種工法下隧道洞身及圍巖的位移分布規(guī)律相似，最大沉降均在后行洞洞頂位置；洞底有回彈現(xiàn)象，兩種工法下洞底回彈量相差不大；臺(tái)階留核心土法施工相比CD法施工產(chǎn)生的洞頂沉降較大,為9 mm.

圖4 不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖(單位：m)

圖5為隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布圖.由圖5可知:先行洞開(kāi)挖在隧道圍巖的腰部及底部產(chǎn)生了部分塑性區(qū)；后行洞的開(kāi)挖加劇了已有圍巖的塑性區(qū)，并在后行洞的腰部和底部產(chǎn)生了塑性區(qū)；后行洞采用臺(tái)階留核心土工法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)體積相比后行洞采用CD工法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)體積較大.

圖5 隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布圖

圖6～7為隧道周?chē)鷰r體最大和最小主應(yīng)力分布云圖.由圖6～7可知:采用臺(tái)階留核心土法產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為5.6 MPa，CD法為4.4 MPa，均在拱底交接處；采用臺(tái)階留核心土法，先行洞拱底左側(cè)有局部拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為 0.56 MPa，而采用CD法，先行洞拱底左側(cè)和右側(cè)均有局部拉應(yīng)力且主要集中在右側(cè)，最大拉應(yīng)力約為0.78 MPa.

圖6 隧道周?chē)鷰r體最大主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖7 隧道周?chē)鷰r體最小主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖8～9為隧道初襯最大和最小主應(yīng)力分布云圖.由圖8～9可知:臺(tái)階留核心土法和CD法產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力分別為7.61 MPa，6.43 MPa，均在拱腰搭接處；最大拉應(yīng)力分別為3.56 MPa，2.06 MPa，均在先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腳處.

圖9 隧道初襯最小主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

3 施工工法的爆破振速預(yù)測(cè)

3.1 計(jì)算方案

數(shù)值模擬分為靜力分析和動(dòng)力分析兩部分.動(dòng)力分析時(shí)，去除靜力分析模型的原有靜力邊界條件，并且施加吸收邊界[14].

3.2 爆破荷載的確定

爆破荷載的波形主要有三角形函數(shù)型、指數(shù)形函數(shù)型和諧波函數(shù)型，三角形函數(shù)型是最為常用的一種荷載波形.在這種荷載波形中，認(rèn)為在巖土介質(zhì)中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的爆炸壓縮波都將呈三角形函數(shù)荷載形式，在經(jīng)過(guò)荷載峰值過(guò)后，便會(huì)急劇衰減，此后便按衰減的波型繼續(xù)傳播，并繼續(xù)衰減直至減小到零，爆破時(shí)程曲線見(jiàn)圖10.

圖10 三角形爆破荷載加載曲線

由于爆破機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)影響因素的復(fù)雜性，目前常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算爆破荷載峰值[15]，經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：pmax為爆破峰值荷載，kPa；Z為比距離；R*為荷載作用面至裝藥中心的距離，m；Q為裝藥量，kg.依據(jù)施工擬定的爆破方案計(jì)算得到爆破峰值為5.12 MPa.而對(duì)于廣泛運(yùn)用的三角形荷載模型，爆破荷載的加、卸載時(shí)間大多按文獻(xiàn)[16]中所述方法計(jì)算，其中：

上升時(shí)間，

總作用時(shí)間，

根據(jù)爆破方案，上升時(shí)間t1=45 ms，總作用時(shí)間t2=553 ms.

3.3 結(jié)果分析

在隧道后行洞施工過(guò)程中，為保證先行洞結(jié)構(gòu)體的安全，應(yīng)當(dāng)將其振動(dòng)峰值速度降低在《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全范圍之內(nèi).對(duì)于交通隧道，規(guī)定安全振動(dòng)速度應(yīng)小于15 cm/s.因此，在本次計(jì)算中先行洞二次襯砌的峰值振動(dòng)速度是研究的核心.通過(guò)模型中爆破荷載對(duì)后行洞的施加，可得到先行洞二次襯砌的響應(yīng)結(jié)果，包括初期支護(hù)水平和豎直方向的峰值速度，并繪制出先行洞洞壁各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖.監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖及速度曲線圖見(jiàn)圖11.

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖12～13為臺(tái)階留核心土法和CD法爆破監(jiān)測(cè).

圖12 臺(tái)階留核心土法爆破監(jiān)測(cè)

圖13 CD法爆破監(jiān)測(cè)速度

由圖12～13可知：中墻附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度較大，遠(yuǎn)離中墻的監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度較?。挥捎谂_(tái)階法和CD法施工工法的不同，爆破荷載作用面不一致，因此速度差異較大；在豎直方向，臺(tái)階法爆破產(chǎn)生的最大監(jiān)測(cè)速度為5 cm/s，CD法爆破產(chǎn)生的最大監(jiān)測(cè)速度為4 cm/s；在水平方向，臺(tái)階法爆破產(chǎn)生的最大監(jiān)測(cè)速度為7 cm/s，CD法爆破產(chǎn)生的最大監(jiān)測(cè)速度14 cm/s.

4 結(jié) 論

1)兩種工法下隧道拱頂沉降最大處均在后行洞拱頂位置，這與地形偏壓造成后行洞承受較大的圍巖荷載有關(guān)，此外先行洞施工造成右側(cè)圍巖松動(dòng)對(duì)此也有影響.

2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示后行洞采用CD法施工相比采用雙臺(tái)階預(yù)留核心土法施工圍巖塑性區(qū)體積有所減小，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力也有所減小，說(shuō)明CD法相比雙臺(tái)階預(yù)留核心土法更利于施工安全.

3)采用施加爆破荷載的方法預(yù)測(cè)先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振速是可行的，結(jié)果表明兩種工法下爆破振速均在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi).