泄水洞爆破施工對(duì)臨近隧道結(jié)構(gòu)的影響與控制研究

賀偉奇 HE Wei-qi

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊 050081）

0 引言

麻拉寨隧道位于貴州省麻江縣境內(nèi)，洞身穿越多處可溶巖地層，巖溶較發(fā)育。由于集中徑流帶的溶蝕裂隙排泄能力有限，暴雨期間裂隙水頭急劇抬升，水壓增大，從而造成隧道底中心水溝及邊墻等薄弱部位局部破裂涌水[1]。為降低運(yùn)營(yíng)期間水害風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全，于左線線路中線左側(cè)新增泄水洞一座，起到排水降壓作用。泄水洞的起點(diǎn)里程為XSD1K609+456，終點(diǎn)里程為XSD1K610+950，全長(zhǎng)1494m。泄水洞洞身與隧道平行，于XSD1K609+850處左偏，在XSD1K609+456處溝槽出洞。泄水洞與隧道的位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

泄水洞開(kāi)挖采用光面爆破，進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)時(shí)，需嚴(yán)格控制裝藥參數(shù)，除了減少自身的超欠挖，還要降低爆破振動(dòng)對(duì)隧道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)及接觸網(wǎng)的影響，確保不發(fā)生破壞。

關(guān)于臨近既有隧道進(jìn)行爆破施工，張文新、李順波等人已經(jīng)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[2，3]。論文以麻拉寨泄水洞爆破施工為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振與數(shù)值模擬，研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、振速分布情況和圍巖中振速的衰減規(guī)律，并以此對(duì)集水廊道的最大單段藥量進(jìn)行優(yōu)化，降低振速影響，為項(xiàng)目的安全施工提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振分析

本次監(jiān)測(cè)位置選?、艏?jí)圍巖分布段。泄水洞正洞進(jìn)行爆破開(kāi)挖時(shí)，在隧道同里程位置迎爆側(cè)靠近拱腳處布置測(cè)振傳感器，X方向與襯砌面垂直、水平指向爆源，Y方向與隧道軸線一致，Z方向垂直向上。泄水洞爆破后，最大振速在X方向上，為1.28cm/s，Y方向振速為0.88cm/s，Z方向振速為0.68cm/s，均低于設(shè)計(jì)要求振速5cm/s（考慮到隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的安全，要求振速降低為3.5cm/s，并以2.5cm/s作為預(yù)警值），能夠保證隧道內(nèi)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和其他設(shè)備的安全。振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)波形，且最大振速出現(xiàn)在較早時(shí)刻，表明掏槽爆破的最大單段藥量對(duì)振速的峰值起主導(dǎo)作用。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 構(gòu)建有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA非線性有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到實(shí)際爆破環(huán)境的復(fù)雜性，在建模過(guò)程中需要進(jìn)行必要的處理[4]：①將圍巖視為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)；②結(jié)合爆破設(shè)計(jì)方案，將采用最大單段藥量的掏槽眼簡(jiǎn)化為11cm×11cm×300cm的方形炮孔布置在斷面中心，其中裝藥段為150cm，炸藥量共18kg；③采用cm-g-us單位制，其他物理量單位均由cm-g-us轉(zhuǎn)換而來(lái)。

模型建立后，總體尺寸為7200cm×3200cm×4000cm，共劃分45萬(wàn)個(gè)單元，如圖2所示。

2.2 材料模型及參數(shù)

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態(tài)方程模擬巖石乳化炸藥爆炸過(guò)程，各參數(shù)見(jiàn)表1；圍巖以灰?guī)r為主，采用PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料，各參數(shù)見(jiàn)表2；混凝土襯砌結(jié)構(gòu)離爆源較遠(yuǎn)，采用ELASTIC彈性材料，密度取2.40g/cm3，彈性模量取30GPa，泊松比取0.20。

表1 炸藥參數(shù)

表2 圍巖主要參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 模擬可靠性分析

參照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振的布點(diǎn)位置，提取模擬中相同位置的X、Y、Z方向最大振速值分別為1.36cm/s、0.60cm/s、0.38cm/s。與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振數(shù)據(jù)比較，X方向最大振速相近，Y、Z方向振速較小。通過(guò)分析，與傳感器布置在排水管溝的溝沿上，未固定在襯砌表面有關(guān)?？傮w上誤差在允許范圍內(nèi)，從而證明了數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.3.2 應(yīng)力分析

為明確應(yīng)力波對(duì)襯砌的影響，需要分析不同時(shí)刻的襯砌最大應(yīng)力云圖。限于篇幅，僅截取20ms時(shí)應(yīng)力云圖如圖3所示，并在拱腳處選取310638#單元，提取應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4所示。

分析可知，應(yīng)力波在17ms到達(dá)迎爆側(cè)拱腰處，以壓應(yīng)力為主，僅為1.53E-4MPa。至20ms，襯砌中出現(xiàn)拉應(yīng)力，且大于壓應(yīng)力，為7.72E-3MPa。隨后應(yīng)力峰值向四周傳播，在襯砌下部的拱腳處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力集中，至26ms時(shí)達(dá)到最大值0.105MPa。由于混凝土抗拉強(qiáng)度大于1.5MPa，因此爆破產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響較小。

2.3.3 位移分析

泄水洞爆破可能引起隧道位移變形，為了明確變形程度和發(fā)展規(guī)律，需要分析不同時(shí)刻的襯砌合位移云圖。限于篇幅，僅截取20ms時(shí)合位移云圖如圖5所示，并在迎爆側(cè)拱腰處選取317819#單元，提取合位移時(shí)程曲線如圖6所示。

分析可知，最大位移首先發(fā)生在迎爆側(cè)拱腰中心處，隨后沿隧道軸線向兩側(cè)移動(dòng)。襯砌位移值呈周期性變化，最大約為1E-3cm，最終逐漸衰減至0。因此由爆破引起的襯砌位移變形對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小。

2.3.4 振速分析

2.3.4.1 襯砌最大振速區(qū)域分析

在泄水洞裝藥端對(duì)應(yīng)的隧道斷面上，選取拱頂、迎爆側(cè)拱腰上部、迎爆側(cè)拱腰中心、迎爆側(cè)拱腳、拱底處共5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，各測(cè)點(diǎn)的振速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 隧道斷面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，在拱腰和拱腳處，X方向振速為最大值，在拱頂和拱底，Y方向振速大于X方向。所有測(cè)點(diǎn)中，Z方向振速均為最小值。分析可知，振速最大區(qū)域位于拱腰中心和拱腳之間。

2.3.4.2 圍巖中振速衰減規(guī)律分析

為明確圍巖中振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，在爆源與隧道襯砌振速最大區(qū)域之間選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)提取其振速峰值，見(jiàn)表4。由于爆源與振速最大區(qū)域的高程差較小，運(yùn)用公式進(jìn)行回歸分析時(shí)不予考慮，最后得出最大單段藥量、爆心距與振速的關(guān)系。

表4 各測(cè)點(diǎn)爆心距與振速

測(cè)點(diǎn)距爆源較遠(yuǎn)時(shí)，可采用薩道夫斯基公式擬合最大單段藥量、爆心距與振速之間的關(guān)系[5]。將數(shù)據(jù)帶入公式，回歸分析后可得K=162.73，α=1.96，具體表示為：

另外，測(cè)點(diǎn)5振速小于距爆源較遠(yuǎn)的襯砌最大振速，分析可知，主要是由混凝土襯砌的彈性模量大于圍巖造成。

3 集水廊道最大單段藥量?jī)?yōu)化

泄水洞施工至K610+410里程后，垂直洞身開(kāi)挖集水廊道，掌子面距離隧道襯砌結(jié)構(gòu)由35m逐漸減小至5m。結(jié)合上述薩道夫斯基公式，根據(jù)掌子面至襯砌距離劃分為35～20m、20～10m、10～7m、7～5m四個(gè)區(qū)段，并分別采用不同的最大單段藥量見(jiàn)表5，能夠確保振速峰值控制在安全值3.5cm/s以下。

表5 不同區(qū)段最大單段藥量與振速預(yù)測(cè)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而分析應(yīng)力、位移、振速多個(gè)參數(shù)，得出以下結(jié)論，為項(xiàng)目的安全施工提供理論依據(jù)。

①迎爆側(cè)襯砌的拱腳處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力集中，最大值為0.105MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響較?。?/p>

②由爆破引起的襯砌位移最大值為1E-3cm，并且呈周期性增大，最終逐漸衰減至0，因此不影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

③泄水洞正洞爆破時(shí)，隧道襯砌的最大振速出現(xiàn)在與裝藥底部對(duì)應(yīng)的拱腰中心至拱腳之間的區(qū)域，約為1.56cm/s，小于安全振速，能夠保證隧道結(jié)構(gòu)及設(shè)備的安全。爆破振動(dòng)在圍巖中的衰減規(guī)律可用以下公式來(lái)表示：

④針對(duì)集水廊道爆破的最大單段藥量，采用分區(qū)段、逐段減少的方法，能夠確保振速峰值控制在3.5cm/s以下。爆破施工后應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行調(diào)整，為后續(xù)判斷提供準(zhǔn)確依據(jù)。