爆破隧道洞口段對高邊坡的安全性影響研究

劉 帥

(中鐵十八局集團 第四工程有限公司,天津 300350)

在建設(shè)鐵路隧道過程中,開挖鄰近邊坡的穩(wěn)定性是需要重點關(guān)注的問題。隧道洞口爆破會影響高邊坡安全性,這主要是由于隧道段洞口處埋深較淺,在進行爆破時,高邊坡容易發(fā)生因振動而出現(xiàn)滑坡、坍塌等危險情況[1]。業(yè)內(nèi)學(xué)者針對洞口爆破時的影響研究較多,研究方向主要有3種[2-5]:1) 通過現(xiàn)場監(jiān)測以及數(shù)值分析的方式對圍巖邊坡進行相應(yīng)的安全性分析;2) 通過振動臺模型對巖質(zhì)邊坡的位移、振速等進行模擬;3) 通過數(shù)值分析以及數(shù)值監(jiān)測對安全系數(shù)、振速進行分析。而針對隧道段洞口處邊坡安全性影響的研究目前較少,筆者以杭州經(jīng)紹興至臺州鐵路毛羊嶺2#隧道工程為實例,對隧道段洞口處邊坡安全性影響進行量化研究,同時設(shè)計相應(yīng)的錨固方案并進行驗證。

1 工程概況

杭州經(jīng)紹興至臺州鐵路毛羊嶺2#隧道位于浙江省紹興市新昌縣雙彩鄉(xiāng)境內(nèi),起訖里程DK118+441—DK120+797,全長2356 m,隧道最大埋深約171 m。最小埋深57 m,主要包括洞口工程、開挖支護、系統(tǒng)防排水、二次襯砌、綜合洞室、專用洞室等工程項目。毛羊嶺2#隧道為單洞雙線隧道,設(shè)計速度目標(biāo)值為350 km/h,隧道建筑限界參照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)中規(guī)定的“高速鐵路建筑限界內(nèi)輪廓及基本尺寸”設(shè)計[6-7],軌面以上凈空橫斷面面積不小于100 m2,隧道內(nèi)線間距為5.0 m,設(shè)計的隧道襯砌如圖1所示,隧道洞口邊坡設(shè)計如圖2所示。

圖1 設(shè)計隧道襯砌示意圖(單位:m)

圖2 隧道洞口兩側(cè)邊坡(單位:m)

圖2中,兩側(cè)邊坡為順層灰?guī)r邊坡,主要為黏土以及節(jié)理發(fā)育的殘積巖層。左右兩側(cè)設(shè)計的邊坡為33°～38°的縱向傾角,坡度為45°。通過上下臺階的方式進行隧道施工。

2 爆破影響分析

2.1 模型構(gòu)建及邊界條件

模型構(gòu)建采用的工具為Abaqus軟件,結(jié)合實際地形進行三維模型的構(gòu)建,構(gòu)建后的模型如圖3所示。圖3中,X,Y,Z三個方向的長度值分別為200,150,120 m。圍巖通過莫爾庫倫模型進行模擬,支護采用的模型為均質(zhì)彈性。依據(jù)剛度等效,將鋼拱架的彈性模量等效為對應(yīng)混凝土彈模量,等效后模型包含的單元總個數(shù)為15.68萬個[8]。

建立模型之后,對爆破造成的影響進行特征值以及線性時程分析。當(dāng)通過線性時程對模型進行分析時,需要進行黏性邊界的定義,在具體實現(xiàn)上,可通過圍巖三維方向的阻尼進行阻尼彈簧生成。施加爆破荷載的部分以及頂部設(shè)定自由邊界,其余邊界設(shè)定為黏性邊界。設(shè)定的邊界如圖4所示。

圖4 黏性邊界設(shè)定示意圖

當(dāng)通過特征值進行邊界設(shè)定時,需要對邊界進行彈性邊界的設(shè)定,通過曲面彈簧的生成實現(xiàn)。彈簧系數(shù)的求取依據(jù)對應(yīng)圍巖的地基反力[9]。設(shè)定的邊界如圖5所示。

圖5 彈性邊界設(shè)定示意圖

模型構(gòu)建中需要的支護以及圍巖的物理參數(shù)如表1所示。

表1 支護以及圍巖物理參數(shù)表

2.2 爆破荷載等效

隧道爆破洞口對應(yīng)的爆破參數(shù)如表2所示。

表2 洞口爆破所需炸藥參數(shù)

通過表2中的參數(shù)計算爆破時的荷載峰值,得到的荷載峰值為11.82 MPa。同時,將計算荷載等效為對應(yīng)的三角形荷載,等效后的荷載曲線如圖6所示。

圖6 等效荷載曲線

加載爆破時間需要15 ms,爆破卸載時間需要100 ms。

2.3 模型結(jié)果分析

邊坡測量后的測線如圖7所示。圖7中,A點至B點為邊坡對應(yīng)的坡腳線,A點至C點為邊坡對應(yīng)的洞口處的仰坡交線,C點至D點為邊坡披肩線。

圖7 測線圖

在進行爆破開挖時,坡腳線對應(yīng)的振速曲線如圖8所示。圖8中,隨著邊坡坡腳處的軸線深度值升高,邊坡坡腳的振速越趨于穩(wěn)定,其中振速相對較大的為水平振速,與豎向振速以及軸向振速相比,水平振速對總振速的影響更大。在實際施工中,應(yīng)當(dāng)將水平振速作為監(jiān)測重點。

圖8 坡腳線振速曲線

坡腳A點處的總振速時程曲線如圖9所示。

圖9 A點總振速曲線

圖9中,總振速在15 ms時達到最大值;在15～120 ms時,振速波動幅度較大;在150 ms之后,整體振速趨于平穩(wěn)。

坡肩線對應(yīng)的振速曲線如圖10所示。

圖10 坡肩線振速曲線

圖10中,在開挖時對于坡肩線來說,水平振速同樣具有較大的影響,隨著坡肩軸向深度的加深,在縱向深度為22 m時,振速逐漸趨于穩(wěn)定。其中,軸向振速變化幅值相對最小。

坡肩C點處的總振速時程曲線如圖11所示。

圖11 C點總振速曲線

圖11中,總振速在15 ms時達到最大值,在15～135 ms時振速波動幅度較大,在150 ms之后振速逐漸趨于穩(wěn)定。

坡肩C點為坡肩線與仰坡交線的交叉點,在實際開挖過程中相對比較危險,應(yīng)當(dāng)重點進行關(guān)注,錨固時也應(yīng)密切注意。仰坡交線的振速曲線如圖12所示。

圖12 仰坡交線振速曲線

圖12中,仰坡交線振速曲線表示坡腳到坡肩斜向距離上的振速波動。邊坡內(nèi)側(cè)斜向距離越大,也即越遠(yuǎn)離洞口開挖處時,邊坡振速越小。其中,最大總振速點出現(xiàn)在坡腳A點,相較軸向振速以及豎向振速,水平振速相對更大,需要進行重點監(jiān)測。

3 錨桿加固分析

錨桿加固時,采用的砂漿錨桿直徑為32 mm,通過對不同長度的錨桿進行實驗,以求取最合適的錨桿加固效果。針對邊坡不同錨桿長度下的振速如圖13所示。當(dāng)錨桿長度小于14 m時,坡肩、坡腳的最大振速逐漸降低;當(dāng)錨桿長度大于14 m,坡肩、坡腳的最大振速趨于穩(wěn)定。

圖13 不同錨桿長度的振速

同時,對不同錨桿長度進行坡腳位移的分析(圖14)。當(dāng)錨桿長度小于14 m時,坡腳水平、豎向的位移逐漸降低;當(dāng)錨桿長度大于14 m時,坡腳水平、豎向位移趨于穩(wěn)定,長度繼續(xù)增加對坡腳位移影響并不明顯。

圖14 不同錨桿長度的坡腳位移

坡肩位移分析如圖15所示。坡肩長度小于14 m時,對坡肩位移影響較大,隨著錨桿長度的增大逐漸減小;坡肩位移大于14 mm時,坡肩位移逐漸穩(wěn)定,錨桿長度繼續(xù)增加對坡肩位移影響就越小。

圖15 不同錨桿長度下的坡肩位移

在不同錨桿長度下,對邊坡結(jié)構(gòu)抗剪能力的安全系數(shù)進行分析(圖16)。

圖16 不同錨桿長度下的安全系數(shù)

圖16中,隨著錨桿長度的逐漸增加,對應(yīng)邊坡結(jié)構(gòu)抗剪能力的安全系數(shù)也逐漸增加。其中,當(dāng)安全系數(shù)不小于1.2時,邊坡圍巖能夠保證穩(wěn)定。當(dāng)錨桿長度大于14 m時,安全系數(shù)增加不明顯。因此,當(dāng)錨桿長度為14 m時,能夠最大程度地保證坡肩、坡腳的安全,同時能減小坡肩、坡腳振速以及位移的影響[10]。據(jù)此優(yōu)化錨桿長度,對邊坡進行錨固。同時將錨固后的測量值與模擬計算值進行對比,主要選取特征點為坡肩C點以及坡腳A點。對比結(jié)果如圖17所示。

圖17 特征點總振速對比

圖17中,坡肩C點以及坡腳A點總振速實際檢測值以及模擬計算值基本吻合,其振速峰值如表3所示[11]。

表3 特征點峰值對比

表3中,坡肩C點約定真值為1.49,坡腳A點約定真值為1.78。計算所得的相對誤差最大為6.7%,符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定,在工程允許范圍之內(nèi)[12]。

4 結(jié) 論

通過建立三維模型并進行量化分析,設(shè)計了相應(yīng)的錨固方案。在對隧道段洞口處進行爆破過程中,振速最大的位置在邊坡坡腳處,即該處的爆破影響最為明顯。同時,在各振速分量對比中,水平振速相較軸向以及豎向振速具有更為明顯的影響作用。通過將不同錨桿長度對邊坡圍巖抗剪結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)、位移及振速的影響進行對比可知,選擇長度為14 m的錨桿最為合適。經(jīng)過與實際監(jiān)測值的對比驗證可知,本工程設(shè)計方案在具體實施中相對誤差較小,合理可行,能夠保證工程安全。