立體交叉隧道爆破振動(dòng)影響因素正交試驗(yàn)研究

戴 軼， 劉家明， 張俊儒， 王智勇

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通設(shè)施需求日益增加，新建隧道數(shù)量逐年增多。隨著眾多交通隧道復(fù)線工程的修建，由于地質(zhì)條件、既有建(構(gòu))筑物的限制以及地下空間綜合開(kāi)發(fā)的需求，不可避免地會(huì)出現(xiàn)許多近接或者交叉的現(xiàn)象。

立體交叉隧道作為近接隧道的一種，其圍巖及襯砌的變形、應(yīng)力變化都有著自身的規(guī)律特點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已有了廣泛的研究，同時(shí)也取得了一定的研究成果。龔倫等[2]結(jié)合新建隧道下穿既有隧道工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)既有鐵路隧道受下穿引水隧洞施工的影響和鐵路隧道結(jié)構(gòu)的安全對(duì)策進(jìn)行了研究。游步上等[3]利用FLAC3D程序分析隧道交叉段的變形行為，探討不同應(yīng)力場(chǎng)與不同巖石強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)隧道交叉段應(yīng)力變化情況。趙東平等[4]借助FLAC3D模擬計(jì)算了小凈距空間交叉隧道的爆破振動(dòng)，并結(jié)合GB 6722-86《爆破安全規(guī)程》中的安全控制振速，劃分了新建隧道爆破開(kāi)挖的影響范圍。劉鎮(zhèn)等[5]采用三維彈塑性有限元方法對(duì)上下交叉隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行了分析，針對(duì)圍巖條件及間距，探究新建正交盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)既有隧道沉降的影響。王明樂(lè)等[6]以新建鐵路隧道為背景，采用三維彈塑性有限元方法，對(duì)交疊隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，從而進(jìn)行施工方案優(yōu)化。靳曉光等[7]通過(guò)三維彈塑性有限元方法，結(jié)合實(shí)際工程，分析了橫通道不同施工方案和動(dòng)態(tài)施工過(guò)程對(duì)主隧道圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響。王海龍等[8]以新建京張高鐵草帽山隧道下穿既有唐呼重載鐵路北草帽山隧道交叉工程為背景，結(jié)合爆破振速的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式理論分析，提出爆破施工方案。上述研究多是針對(duì)交叉隧道的靜力影響因素，而立體交叉隧道工程中新建隧道對(duì)既有隧道爆破振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)的影響因素方面的研究相對(duì)較少。

然而當(dāng)立體交叉隧道凈距較小時(shí)，新建隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的爆破振動(dòng)難免會(huì)給予周邊既有隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)施以及所承擔(dān)的交通營(yíng)運(yùn)造成一定程度的影響，甚至威脅到安全性。如日本的荻津公路隧道以及意大利的 LocooColio 公路隧道，國(guó)內(nèi)的西康線響水溝隧道、流潭隧道等，都出現(xiàn)過(guò)由于新舊隧道凈距較小而導(dǎo)致既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、剝落等危及行車(chē)安全等現(xiàn)象[9]。因此，研究立體交叉隧道不同爆破振動(dòng)因素對(duì)既有線的不利影響，探究其內(nèi)在聯(lián)系，顯得尤為重要。

在相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)立體交叉隧道爆破施工存在多方面的影響因素：凈距、圍巖級(jí)別、埋置深度、交叉角度、開(kāi)挖方法和支護(hù)方式等[10-12]?；谝陨涎芯勘尘埃疚幕跀?shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)和正交性試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)多種正交試驗(yàn)工況，探究新建隧道對(duì)既有隧道爆破振動(dòng)動(dòng)力影響。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)既有線隧道正交段襯砌不同位置的振動(dòng)速度進(jìn)行極差分析，擬得到不同影響因素下新建隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的動(dòng)力影響結(jié)果，可為立體交叉隧道設(shè)計(jì)施工提供一定理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)立體交叉隧道爆破振動(dòng)影響因素的文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)既有隧道產(chǎn)生爆破振動(dòng)影響的因素眾多，其中部分影響因素相較而言敏感性較低。為此，本文主要針對(duì)4種重要影響因素進(jìn)行研究，即：凈距、圍巖級(jí)別、埋深和交叉角度，主要影響因素及水平如表1所示。

從表1可以得到：立體交叉隧道對(duì)既有隧道的爆破振動(dòng)影響為4個(gè)非支護(hù)因素，每種因素存在4個(gè)水平因子。則可將其視作一個(gè)的44正交試驗(yàn)，選取L16(45)的正交試驗(yàn)表，共設(shè)計(jì)了16種數(shù)值模擬試驗(yàn)工況，將最后一列設(shè)置為空列得到正交試驗(yàn)工況，如表2所示。

表1 主要影響因素及水平

表2 正交試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算假定

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行3D計(jì)算，考慮交叉隧道相互影響長(zhǎng)度[13]，16種試驗(yàn)工況數(shù)值模型長(zhǎng)度取80 m，寬度取50 m，深度根據(jù)計(jì)算工況以及圣維南原理，并滿足幾點(diǎn)假定：

(1)圍巖為彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；初支、二襯為彈性材料。

(2)16種計(jì)算工況均為新建隧道下穿既有隧道。

(3)16種計(jì)算工況均采用上下臺(tái)階法進(jìn)行靜力計(jì)算，計(jì)算至交叉斷面時(shí)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，監(jiān)測(cè)斷面取既有隧道與新建隧道的交叉斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置在既有隧道內(nèi)。

(4)模型兩側(cè)及底部均限制法向位移，地表為自由面。

(5)由于隧道下臺(tái)階爆破時(shí)臨空面較大，爆破振動(dòng)對(duì)既有線的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上臺(tái)階爆破時(shí)的影響[14]。因此，數(shù)值計(jì)算只分析上臺(tái)階爆破振動(dòng)影響。

2.2 爆破荷載

新建隧道開(kāi)挖爆破荷載利用圣維南原理，采用等效荷載施加方式，將爆破柱狀荷載建模方法等效成面荷載，即將作用在炮孔壁上的孔狀爆破荷載等效成面荷載，這種等效方法不僅不需對(duì)掌子面炮孔建模，且計(jì)算容易收斂，提高計(jì)算效率。

將爆破荷載簡(jiǎn)化為由升壓段和降壓段組成的三角型脈沖荷載，荷載峰值應(yīng)力Pmax[15]由式(1)進(jìn)行求解。

(1)

爆破荷載的升壓段時(shí)間t0取10 ms，降壓段時(shí)間t1取90 ms，總爆破時(shí)間為100 ms[16]。三角型脈沖荷載時(shí)程曲線如圖1所示。

圖1 三角型脈沖荷載時(shí)程曲線

2.3 材料參數(shù)

開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，一般將圍巖的參數(shù)進(jìn)行一定的修正，圍巖的變形模量按照Ed=8.7577ES0.5882修正[17]，泊松比按照νd=0.8νs修正[18]。主要材料參數(shù)參照相關(guān)手冊(cè)選取[19]，如表3所示。圖2和圖3分別為部分計(jì)算工況模型和既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。

表3 圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 部分計(jì)算工況模型

圖3 既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

表4為各試驗(yàn)工況下，數(shù)值模擬動(dòng)力計(jì)算階段過(guò)程中，既有線隧道距離新建隧道爆破面最近的監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、邊墻、拱腳以及仰拱的最大振動(dòng)速度。

爆破對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞因素眾多，但目前已有的研究結(jié)果表明：建筑結(jié)構(gòu)破壞程度受結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)速度的影響較大，以質(zhì)點(diǎn)的峰值振速作為爆破振動(dòng)安全的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)既準(zhǔn)確又相對(duì)簡(jiǎn)單[20]。因而，計(jì)算結(jié)果分析僅對(duì)監(jiān)測(cè)斷面關(guān)鍵部位爆破振速進(jìn)行(表4)。

表4 振速數(shù)值計(jì)算結(jié)果 單位：cm/s

3.2 結(jié)果分析

目前，對(duì)于正交試驗(yàn)結(jié)果分析方法，一是極差分析法；另一種方法是方差分析法。其中，極差分析法又稱為直觀分析法，具有直觀形象、通俗易通的特點(diǎn)，是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法之一。因此，本文遂采用極差分析法，根據(jù)各計(jì)算工況下極差Ri的大小，判斷各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小。判斷原則：極差愈大，所對(duì)應(yīng)的因素愈重要；由此可以確定出主、次要因素的排序。試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 各特征位置在各因素下的振速極差Ri 單位：cm/s

表6 仰拱極差分析 單位：cm/s

圖4繪制了既有隧道各測(cè)點(diǎn)振速極差與各影響因素曲線圖。由圖可知，各影響因子對(duì)立體交叉處既有線監(jiān)測(cè)斷面仰拱振速極差敏感性排序?yàn)椋簝艟?6.32 cm/s)、圍巖條件(2.79 cm/s)、交叉角度(2.56 cm/s)、埋深(1.02 cm/s)，其中凈距為重要影響因素，交叉角度和圍巖條件為次要影響因素，埋深為一般因素。各影響因子對(duì)立體交叉處既有線監(jiān)測(cè)斷面拱頂振速極差敏感性排序?yàn)椋郝裆?0.27 cm/s)、交叉角度(0.26 cm/s)、凈距(0.2 cm/s)、圍巖條件(0.19 cm/s)，此時(shí)埋深和交叉角度為重要影響因素，凈距和圍巖條件為次要影響因素。由此可知，在既有隧道迎爆側(cè)，凈距為最主要影響因素。

圖4 振速極差與影響因素曲線

同時(shí)結(jié)合立體交叉處既有線監(jiān)測(cè)斷面兩側(cè)邊墻和拱腳的振速極差進(jìn)行分析，繪制振速極差與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位曲線，如圖5所示?？梢缘玫剑杭扔芯€監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆源愈遠(yuǎn)，凈距影響因素下各測(cè)點(diǎn)的振速極差越小。結(jié)合圖4的分析結(jié)果可得：隨著距離的增大，凈距這一影響因子對(duì)既有隧道爆破振速的影響將顯著減小。

圖5 振速極差與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位曲線

在既有隧道無(wú)損傷時(shí)，工程中往往僅關(guān)注迎爆側(cè)振速的大小，因此針對(duì)立體交叉段既有線監(jiān)測(cè)斷面仰拱的振速極差計(jì)算過(guò)程進(jìn)行分析(表6)。根據(jù)正交試驗(yàn)計(jì)算原理，在進(jìn)行振速極差計(jì)算時(shí)，ki值越大，說(shuō)明該因素下該水平對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大。

由表6可知，對(duì)于迎爆側(cè)振速而言，凈距越大，影響程度越小。交叉角度由0°變化到30°時(shí)，影響程度逐漸減小；由30°變化到60°時(shí)，影響程度逐漸增大；由60°變化到90°時(shí)，影響程度又逐漸減小。即隨著角度的變化，影響程度呈現(xiàn)先減小再增大再減小的變化規(guī)律；圍巖條件越差，影響程度越大；埋深的影響不是很顯著。

4 結(jié)論

(1)在立體交叉隧道接近段，根據(jù)既有線隧道各部位的爆破振速情況下，在凈距、交叉角度、圍巖條件以及埋深4種影響因素中，凈距為最主要影響因素，其他因素相較而言影響較小，而隨著測(cè)點(diǎn)距爆源距離的增大，凈距對(duì)各測(cè)點(diǎn)爆破振速的影響將顯著減小。

(2)根據(jù)既有隧道迎爆側(cè)振速，隧道凈距越大，影響程度越??；隨著交叉角度由0°變化至90°，影響程度先減小再增大再減?。粐鷰r條件越差，影響程度越大；埋深的影響相對(duì)不顯著。

(3)立體交叉段的既有線隧道仰拱處爆破振速，相較于其他部位測(cè)點(diǎn)數(shù)值較大，因此，在新建隧道施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在既有線襯砌加固時(shí)可優(yōu)先考慮；而拱頂?shù)谋普袼贉y(cè)點(diǎn)數(shù)值最小，即受本文所述4種因素的影響有限，相比于其他部位更為安全。