下莊銅礦爆破施工對臨近丙漢河隧道的安全影響*

崔光耀，田宇航，王明勝

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

隨著隧道建設(shè)廣泛推進(jìn)，地下交通基礎(chǔ)設(shè)施使用率大幅上漲，臨近隧道的爆破施工層出不窮，如何減小爆破對交通設(shè)施的影響，是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn).例如，有學(xué)者[1-3]基于數(shù)值分析軟件并結(jié)合隧道爆破工程實(shí)例，探討了爆破的振動(dòng)衰減規(guī)律和控制標(biāo)準(zhǔn)；有學(xué)者[4]以泰安大型抽水蓄能電站輸水隧洞為工程背景，討論了地表震動(dòng)強(qiáng)度與爆破裝藥量之間的相互關(guān)系，完善了爆破施工方案；有學(xué)者[5-6]結(jié)合計(jì)算軟件和現(xiàn)場分析，研究了臨近隧道的爆破施工技術(shù)；還有學(xué)者[7-9]通過監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)值模擬軟件，分析了爆破施工對臨近隧道的圍巖影響，提出了改進(jìn)措施.爆破施工具有高適用性和危險(xiǎn)性，為了保障工程安全有效進(jìn)行，筆者擬以云南省楚雄州牟定縣丙漢河隧道為研究對象，通過FLAC3D計(jì)算軟件，分析銅礦爆破施工時(shí)臨近成昆線丙漢河隧道襯砌和鐵軌的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)等參數(shù)，以期為類似的爆破施工工程提供參考.

1 計(jì)算情況

1.1 工程概況

下莊銅礦位于楚雄州牟定縣東北約50°方向，行政區(qū)劃屬牟定縣安樂鄉(xiāng)民大村境內(nèi)，礦區(qū)面積約2.32 km2.現(xiàn)因礦業(yè)權(quán)新立、延續(xù)、變更等事項(xiàng)，按照楚雄州交通運(yùn)輸局《征求牟定斌勝礦業(yè)公司礦業(yè)權(quán)延續(xù)聯(lián)勘聯(lián)審及相關(guān)規(guī)劃審查、礦山生態(tài)環(huán)境綜合評估意見建議的函》的要求，需結(jié)合下莊銅礦的礦區(qū)坐標(biāo)位置評估銅礦是否符合鐵路沿線保護(hù)相關(guān)規(guī)定.

銅礦礦區(qū)夾于外村斷層(礦區(qū)西面)和羊臼河斷層(礦區(qū)東面)之間，2條斷層均呈南北向展布.礦區(qū)內(nèi)有斷層，走向西南—東北，傾向 E，傾角 20°～50°，屬于逆斷層.斷裂帶有糜棱巖、斷層角礫巖，并有超基性巖脈侵入.

下莊銅礦位于成昆線元謀西至阿南莊區(qū)間 K872+412～K873+810 線路左側(cè)，距離鐵路最近的礦權(quán)拐點(diǎn)(2 000 坐標(biāo)，下同)J1(X=2 828 483.62，Y=34 482 937.60)距離成昆線 K873+810約260 m，距離隧道最近的礦權(quán)拐點(diǎn)J4(X=2 827 478.61，Y=34 483 085.60)距離成昆線 K872+412 約 158 m.礦區(qū)與隧道的位置關(guān)系如圖1所示.

圖1 礦區(qū)與隧道位置關(guān)系

1.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丙漢河隧道緊靠龍川江畔，進(jìn)口為丙漢河峽谷與丙漢中橋相接，地形陡峻，出口地形為陡崖，龍川江橫截而過.隧道地質(zhì)情況良好，巖層穩(wěn)定無異常變化，埋深約100 m.隧道跨度為6.38 m，高度為8.4 m，襯砌采用C25混凝土，厚度為0.95 m.

1.3 計(jì)算模型

以云南省楚雄州牟定縣丙漢河隧道為研究對象，根據(jù)埋深條件和位置關(guān)系，通過FLAC3D計(jì)算軟件建立計(jì)算模型(圖2).模型的四周與下邊界全約束，模型上邊界無約束.圖2(a)中的爆破位置為圖1中的J4礦權(quán)拐點(diǎn).

圖2 計(jì)算模型

1.4 計(jì)算參數(shù)選取與測點(diǎn)布置

根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件及地勘報(bào)告選取計(jì)算參數(shù)(表1).

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

監(jiān)測布置如圖3所示.將測線及監(jiān)測點(diǎn)布置在隧道中部，通過測線1和2監(jiān)測水平收斂，并分析襯砌7個(gè)測點(diǎn)的位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù).

圖3 監(jiān)測布置

2 結(jié)果與討論

2.1 位移分析

計(jì)算爆破后隧道襯砌的位移，襯砌位移云圖如圖4所示.

圖4 襯砌位移云圖

計(jì)算爆破后鐵軌的位移，鐵軌位移云圖如圖5所示.

圖5 鐵軌位移云圖

統(tǒng)計(jì)襯砌各監(jiān)測點(diǎn)及鐵軌的位移并計(jì)算水平收斂，結(jié)果見表2.

表2 襯砌及鐵軌的位移

由圖4，5和表2可知：銅礦爆破施工后，隧道襯砌最大水平位移為4.07 mm(出現(xiàn)在拱頂處)，最大豎直位移為4.23 mm(出現(xiàn)在左邊墻處)，最大水平收斂為0.08 mm，襯砌各位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn)5 mm[10]；爆破發(fā)生在隧道左側(cè)，左側(cè)鐵軌位移普遍大于右側(cè)，鐵軌最大水平位移為3.46 mm，最大沉降為3.48 mm，鐵軌各位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm[10].

2.2 應(yīng)力分析

計(jì)算爆破前、后隧道襯砌的主應(yīng)力，爆破后襯砌的最大、最小主應(yīng)力云圖如圖6所示.

圖6 爆破后襯砌主應(yīng)力云圖

計(jì)算爆破前后鐵軌的主應(yīng)力，爆破后鐵軌的最大、最小主應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖7 爆破后鐵軌主應(yīng)力云圖

計(jì)算爆破前后隧道的剪應(yīng)力，爆破后襯砌和鐵軌的剪應(yīng)力云圖如圖8所示.

圖8 爆破后剪應(yīng)力云圖

統(tǒng)計(jì)襯砌各監(jiān)測點(diǎn)及鐵軌的主應(yīng)力和剪應(yīng)力并計(jì)算應(yīng)力增加量，結(jié)果見表3.

表3 襯砌及鐵軌的應(yīng)力

由圖6～8和表3可知：銅礦爆破施工后，襯砌最大主應(yīng)力為3.97 MPa(出現(xiàn)在左邊墻處)，較爆破前增加1.52 MPa，增幅62.04%，最小主應(yīng)力為4.49 MPa(出現(xiàn)在拱頂處)，較爆破前增加1.86 MPa，增幅70.72%，最大剪應(yīng)力為2.149 MPa(出現(xiàn)在左墻角處)，較爆破前增加0.86 MPa，增幅67.19%；鐵軌最大主應(yīng)力為0.57 MPa，較爆破前增加0.18 MPa，增幅46.15%，最小主應(yīng)力為3.75 MPa，較爆破前增加1.44 MPa，增幅62.33%，剪應(yīng)力為1.94 MPa，較爆破前增加0.78 MPa，增幅67.24%，均出現(xiàn)在左側(cè)鐵軌.由此可知，襯砌和鐵軌的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力的增加量均較小.

2.3 安全系數(shù)分析

提取二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)外單元應(yīng)變值，根據(jù)如下材料力學(xué)公式計(jì)算二次襯砌各測點(diǎn)位置處的軸力(N)及彎矩(M):

其中：E為彈性模量；ε內(nèi)和ε外分別為結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變；b為截面寬度；h為截面厚度.根據(jù)如下公式計(jì)算7個(gè)測點(diǎn)爆破前后的安全系數(shù)K[10]：

其中：φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；Rl為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；e0為截面偏心距.

襯砌爆破前后的安全系數(shù)及其差值見表4.

表4 安全系數(shù)與差值統(tǒng)計(jì)

由表4可知，銅礦爆破施工前襯砌最小安全系數(shù)為10.96(出現(xiàn)在拱頂處)，爆破施工后最小安全系數(shù)為4.49(出現(xiàn)在拱頂處)，且拱頂處安全系數(shù)減幅最大.爆破施工后襯砌的最小安全系數(shù)符合規(guī)范要求(混凝土達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)為2.4[10]).

3 結(jié)論

(1)通過位移分析可知，銅礦爆破施工后，隧道襯砌最大水平位移為4.07 mm(出現(xiàn)在拱頂處)，最大豎直位移為4.23 mm(出現(xiàn)在左邊墻處)，最大水平收斂為0.08 mm，襯砌各位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn)；鐵軌最大水平位移為3.46 mm，最大沉降為3.48 mm，鐵軌各位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn).

(2)通過應(yīng)力分析可知，銅礦爆破施工后，襯砌最大主應(yīng)力為3.97 MPa，較爆破前增加1.52 MPa，增幅62.04%，最小主應(yīng)力為4.49 MPa，較爆破前增加1.86 MPa，增幅70.72%，最大剪應(yīng)力為2.149 MPa，較爆破前增加0.86 MPa，增幅67.19%；鐵軌最大主應(yīng)力為0.57 MPa，較爆破前增加0.18 MPa，增幅46.15%，最小主應(yīng)力為3.75 MPa，較爆破前增加1.44 MPa，增幅62.33%，最大剪應(yīng)力為1.94 MPa，較爆破前增加0.78 MPa，增幅67.24%.襯砌和鐵軌的3種應(yīng)力的增加量均較小.

(3)通過安全系數(shù)分析可知，銅礦爆破施工后，最小安全系數(shù)為4.49(出現(xiàn)在拱頂處)，拱頂處安全系數(shù)減幅最大.爆破施工后襯砌的最小安全系數(shù)符合規(guī)范要求.

(4)由位移、應(yīng)力、安全系數(shù)分析可知，楚雄州下莊銅礦爆破施工對丙漢河隧道的影響均符合規(guī)范要求，不會(huì)對臨近丙漢河隧道的安全運(yùn)營造成不利影響.