鐵路隧道爆破施工對(duì)臨近高壓電塔安全性影響研究

王亦塵

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化院，湖北武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)的不斷完善，不可避免地需要修建大量鐵路隧道。在鐵路隧道施工過程中，爆破開挖是常用手段，但施工過程中會(huì)對(duì)巖石結(jié)構(gòu)造成破壞，還可能對(duì)隧道上的建筑設(shè)施造成影響、誘發(fā)安全事故[1-2]。基于此，開展隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)研究，對(duì)提高鐵路隧道工程的安全性和穩(wěn)定性有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用爆破試驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等方法和技術(shù)手段研究隧道爆破過程對(duì)周圍土體和建筑物的影響[3-5]。張震等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)超淺埋通道下臺(tái)階爆破開挖進(jìn)行研究，研究顯示，沿軸線方向掌子面前方5m 處地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速達(dá)到最高；王崢崢等[7]利用ANSYS/LS-DYNA 軟件，研究隧道開挖過程中爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及初期支護(hù)的影響，結(jié)果表明，應(yīng)力和速度均在爆炸發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，而后迅速衰減并在10ms 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；孫金山等[8]研究應(yīng)力波通過圓形隧道的情況，揭示了動(dòng)應(yīng)力方向與載荷的關(guān)系；Ramulu 等[9]和關(guān)笑等[10]對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行研究，得到不同爆破方案下的振動(dòng)速度，其結(jié)果滿足安全標(biāo)準(zhǔn)；王海軍等[11]采用數(shù)值模擬方法，研究爆炸沖擊波對(duì)地表的影響；Wang 等[12]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究近距離巖石隧道的傳播特性并對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出一種預(yù)測(cè)爆破中心平面相鄰隧道段顆粒峰值速度的方法；Jiang等[13]分析海底隧道爆破振動(dòng)沿巖體傳播的衰減規(guī)律，建立了海底隧道爆破引起水中聲壓衰減規(guī)律的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型；Guan 等[14]研究了爆破沖擊對(duì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的影響，得到了含有爆破拉應(yīng)力參數(shù)的關(guān)系函數(shù)；Li等[15]對(duì)有預(yù)裂紋的隧道穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究，闡述爆破載荷作用下巖石裂縫演化過程。

在上述相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，依托改建鐵路北侖支線增建二線工程，基于有限元法對(duì)阿育王寺隧道爆破振動(dòng)及其對(duì)電力鐵塔塔基的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究隧道爆破施工過程不同塔基位置的振動(dòng)速度分布情況，并對(duì)電力鐵塔的安全性進(jìn)行評(píng)估，以期為類似隧道工程爆破施工方法的選擇以及地面建筑保護(hù)等提供參考。

1 工程概況

根據(jù)阿育王寺隧道設(shè)計(jì)資料，電力鐵塔與隧道存在四種典型的相對(duì)位置。因此，針對(duì)爆破點(diǎn)與電力鐵塔在4 種典型相對(duì)位置下，爆破沖擊對(duì)巖層與電力鐵塔的影響進(jìn)行研究。4 種典型相對(duì)位置如下：第一，塔1 隧道埋深82.61m，塔腳與隧道線路最近距離為14.94m；第二，塔2 隧道埋深70.46m，塔腳與隧道線路最近距離為68.66m；第三，塔3 隧道埋深72.35m，塔腳與隧道線路最近距離為46.05m；第四，塔4 隧道埋深74.19m，塔腳與隧道線路最近距離為20.64m。根據(jù)電力鐵塔塔基與隧道的相對(duì)位置，構(gòu)建隧道開挖爆破幾何模型（見圖1）。

圖1 爆破點(diǎn)與電力鐵塔四種典型相對(duì)位置

2 爆破方法與數(shù)值模型

2.1 隧道爆破方法

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件進(jìn)行建模分析。塔基自地面向下分別為粉質(zhì)黏土混碎石（厚度1.5m）、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r（厚度3m）和中風(fēng)化凝灰?guī)r（厚度大于3m），均屬V 級(jí)或Ⅳ級(jí)圍巖。巖石和中風(fēng)化巖層均采用RHT 材料本構(gòu)模型進(jìn)行描述，地表粉質(zhì)黏土采用HJC 材料本構(gòu)模型進(jìn)行表征。模擬炸藥為2#巖石乳化炸藥，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型并結(jié)合（Jones-Wilkens-Lee，JWL）狀態(tài)方程進(jìn)行炸藥爆轟過程描述，表達(dá)式如公式（1）所示：

式（1）中：

P1為爆炸壓力；

V為相對(duì)體積；

E0為初始內(nèi)能密度；

A,B,R1,R2,ω均為狀態(tài)方程參數(shù)，屬于炸藥的特征參數(shù)，主要通過物理試驗(yàn)測(cè)得。

空氣通過*MAT_NULL 模型結(jié)合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 狀態(tài)方程進(jìn)行表征，線性多項(xiàng)式表達(dá)式如公式（2）所示：

式（2）中：

C0～C6均為多項(xiàng)式系數(shù)；

μ=ρ/ρ0-1，ρ為當(dāng)前氣體密度，ρ0為初始?xì)怏w密度；

P2為氣體壓力；

E1為內(nèi)能密度。

理論上，單響藥量越大，爆破振動(dòng)災(zāi)害越突出，故從極不利角度出發(fā)，根據(jù)最大危害因素控制理論，以Ⅱ級(jí)圍巖爆破方案作為該模擬的基礎(chǔ)方案。參照上述4 種圍巖工況下的隧道爆破設(shè)計(jì)，Ⅱ級(jí)圍巖全斷面爆破鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 Ⅱ級(jí)圍巖全斷面法鉆孔布置圖

2.2 網(wǎng)格模型

巖石及地表中風(fēng)化層、粉質(zhì)黏土層采用LAGRANGE 單元進(jìn)行劃分，炸藥采用歐拉單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在炸藥周邊劃分ALE 空間。炸藥與ALE 采用通過共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行爆轟能量傳遞，巖石與炸藥之間的爆轟能量傳播通過ALE 空間LAGRANGE-INSOLID 耦合算法進(jìn)行能量傳遞。隧道、炸藥、ALE 空間這3 種單元網(wǎng)格大小為2cm，在隧道周邊設(shè)置漸變網(wǎng)格，單元網(wǎng)格從2cm 漸變至50cm。4種典型電塔爆破開挖網(wǎng)格模型如圖3 所示，塔1～塔4 的網(wǎng)格單元數(shù)量分別為783752、856860、881686 和774944 個(gè)。

圖3 4種典型電塔爆破開挖網(wǎng)格模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 隧道爆破應(yīng)力波傳播過程

隧道爆破施工時(shí)，巖體及地表建筑物的響應(yīng)特征參量復(fù)雜，在實(shí)際工程中爆破荷載對(duì)巖土體的作用是通過對(duì)質(zhì)點(diǎn)施加爆破應(yīng)力波使巖體破壞。由于延期時(shí)間越長(zhǎng)相鄰孔間的相互影響越小，因此采用延期5ms 分段起爆方案。

圖4 為起爆后塔1 隧道爆破過程中以振動(dòng)速度表征的應(yīng)力波傳播過程。可以看出，起爆后應(yīng)力波以圓弧的形式向周邊介質(zhì)擴(kuò)散，在15ms 時(shí)應(yīng)力波傳播至塔基所在地層；20ms 時(shí)應(yīng)力波傳播至地表，高應(yīng)力區(qū)主要集中在隧道正上方巖層內(nèi)部，對(duì)塔基影響較??；至25ms 時(shí)，巖層區(qū)域內(nèi)應(yīng)力波逐漸衰減；至35ms 時(shí)，應(yīng)力波已趨于平緩，由于此時(shí)左側(cè)塔基更靠近隧道，因此應(yīng)力大于右側(cè)塔基。

圖4 塔1 隧道爆破振動(dòng)速度云圖

圖5～圖7 分別給出了塔2～塔4 隧道爆破后應(yīng)力波演化情況。可以看出，高應(yīng)力波區(qū)主要集中在隧道半徑20m 的圓弧區(qū)域內(nèi)，而后明顯地以隧道為中心呈波浪式擴(kuò)展，在隧道水平和豎直方向中心線周圍應(yīng)力波相對(duì)較強(qiáng)。由于電塔距隧道距離較遠(yuǎn)，爆破施工對(duì)塔基影響較小。至35ms 時(shí)，應(yīng)力波已迅速衰減，尤其是塔2 和塔3 距隧道較遠(yuǎn)，塔基質(zhì)點(diǎn)已基本不受爆炸應(yīng)力波的影響。

圖5 塔2 爆破振動(dòng)速度云圖

圖6 塔3 爆破振動(dòng)速度云圖

圖7 塔4 爆破振動(dòng)速度云圖

3.2 電塔振動(dòng)與應(yīng)力特性分析

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)和《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）要求，上部電塔參照“工業(yè)和商業(yè)建筑物”標(biāo)準(zhǔn)，最大允許振速應(yīng)控制在2.5cm/s 以下，在隧道爆破開挖過程中高壓電力鐵塔塔基處爆破振動(dòng)速度不大于7.0cm/s，以確保鐵塔的安全。因此，進(jìn)一步建立平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型，模擬隧道爆破對(duì)地表電塔振動(dòng)特性的影響。

基于3.1 節(jié)分析可知，由于塔4 的塔基相對(duì)隧道的直線距離最近，爆破過程中應(yīng)力波最先到達(dá)塔基，且塔基附近振動(dòng)速度大于塔1、塔2 和塔3，此處重點(diǎn)給出塔4 不同位置的振動(dòng)特性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8 所示。其中塔基為主要研究部位，塔基底部、地表、頂部左右兩側(cè)各設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為A、B、C、I、H、G，共6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；上部電塔自下而上布置6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為D、E、F、L、K、J。

圖8 模型測(cè)點(diǎn)布置圖

電塔4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值變化曲線如圖9 所示。隧道爆破施工后塔基所受水平向應(yīng)力和豎直向應(yīng)力差別不大，其中最大水平x 向應(yīng)力為1.128MPa，位于近隧道側(cè)底部A 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大豎直y 向應(yīng)力為1.366MPa，位于遠(yuǎn)隧道側(cè)頂部I 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。塔基A 和G點(diǎn)整體上受力不大，所受平均有效應(yīng)力在3.65MPa。由于電塔近隧道側(cè)靠近爆破點(diǎn)，所受有效應(yīng)力略大于電塔遠(yuǎn)隧道側(cè)，表明爆源距離差異導(dǎo)致爆破影響不均勻。電塔與地表交界面所受有效應(yīng)力最大，約為8.9MPa。根據(jù)《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545—2010）的要求，桿塔結(jié)構(gòu)的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度均為205MPa，抗剪強(qiáng)度為120MPa，最大值均在桿件的承載能力范圍之內(nèi)，因此爆破過程中塔基及電塔應(yīng)力均滿足安全要求。

圖9 電塔4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值

根據(jù)圖10 可知，塔基部分x 向振動(dòng)速度隨高程增加而增大，在頂部左側(cè)C 點(diǎn)為最大值，為0.16cm/s。y 向振速在塔基底部A 點(diǎn)為最大值，為0.23cm/s。因此，y 向振速大于x 向振速，即y 向振速起主導(dǎo)作用。上部電塔監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)振速隨高度的增加而增大，原因是存在“鞭梢效應(yīng)”，高程放大效應(yīng)使得爆破振動(dòng)速度增大。上部電塔頂部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度兩側(cè)變化趨于一致，塔頂最大振速為0.21cm/s，小于規(guī)范的控制值2.5cm/s，處于安全狀態(tài)。

圖10 電塔4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值

電塔4 基座A、B、G、H 點(diǎn)位移變化時(shí)程曲線如圖11 所示。隧道爆破施工對(duì)各塔基位移影響均很小，起爆后x 向、y 向和合位移迅速達(dá)到最大值。塔基整體上存在明顯的水平x 向位移，豎直y 向位移則主要分布在塔基底部的A 點(diǎn)和G 點(diǎn)。從位移大小來看，x 向位移與y 向位移大小相近，且均隨應(yīng)力波的傳播，呈現(xiàn)波動(dòng)增加，爆破施工結(jié)束后未產(chǎn)生顯著沉降。

圖11 電塔4 基監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線

總的來看，由于電塔距隧道距離較遠(yuǎn)，爆破后塔基位移振動(dòng)很小，合位移最大值在A 點(diǎn)，約為0.411mm，塔基G 點(diǎn)合位移最大值為0.267mm，塔基位移差僅為0.15mm 左右。根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008），電塔位移在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，隧道爆破對(duì)電塔的位移影響很小，在正常規(guī)范施工過程中不會(huì)因不均勻沉降而出現(xiàn)鐵塔傾斜或倒塌情況，電塔處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

結(jié)合阿育王寺隧道工程實(shí)例，根據(jù)工程實(shí)際和設(shè)計(jì)資料建立有限元模型，基于數(shù)值模擬方法研究隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)及其對(duì)電力鐵塔塔基的影響，并對(duì)相關(guān)安全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，主要結(jié)論如下：

第一，鐵路隧道爆破點(diǎn)起爆后，應(yīng)力波以圓弧形式向周邊介質(zhì)擴(kuò)散，在極短的時(shí)間內(nèi)傳播到塔基，并迅速衰減，應(yīng)力波高區(qū)域主要集中在隧道水平和豎直方向中心線周圍。

第二，爆破振動(dòng)對(duì)塔基影響較小，35ms 時(shí)各電力鐵塔塔基爆破應(yīng)力波已趨于平緩，塔基最大振動(dòng)速度均小于工程允許的最大振動(dòng)速度7cm/s，電塔應(yīng)力峰值也小于許用應(yīng)力，均滿足《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）中的規(guī)范要求，爆破過程不會(huì)對(duì)電力鐵塔造成破壞。

第三，塔1 和塔4 在水平位置上更靠近隧道，塔基振動(dòng)速度相較于塔2 和塔3 高，且由于各電力鐵塔塔基左側(cè)更靠近隧道，因此應(yīng)力波比塔基右側(cè)大；由于高程放大效應(yīng)，電力鐵塔振速隨高度增加而增大。

上述研究結(jié)果可為有限元數(shù)值模擬方法在鐵路隧道爆破工程中的應(yīng)用提供參考。