山體開挖對既有隧道的動力影響評估

吳賢聿 杭州鐵路設計院有限責任公司

1 問題的提出

平陽縣荊溪路是一條南北向的區域內部交通主線，其主要交通功能為集散鰲江火車站內部交通，收集支路與區塊交通后向對外主要道路進行交通轉換，達到快速疏散交通的作用，故荊溪路對集散火車站地區的交通有著不可估量的作用。荊溪路道路等級為城市次干路，南起104國道，北至站前北路，全長2 885 m，計算行車速度40km/h，道路紅線寬度30 m，其間含橋梁兩座。荊溪路K0+700～K0+840曲線區段從山體旁邊穿過，設計方案是對山體進行開挖，形成路塹。路基開挖寬度為30 m，開挖的最大高度12.7m。溫福鐵路從該段西側以隧道方式通過，水平最近距離約40m(見圖 1)。

圖1 擬建道路與既有隧道位置關系圖

根據設計方案，由于山體距離鐵路隧道較近，且開挖高度和長度較大，方案實施時可能存在以下風險：

(1)大開挖使山體圍巖應力發生一定的變化，產生一定的圍巖變形，引起臨近的溫福鐵路隧道結構應力變化，產生位移。若應力和變形過大，使隧道襯砌結構損傷或破壞，影響結構使用。

(2)山體爆破開挖的爆破震動荷載較大，產生較大的振動加速度和位移，引起臨近的溫福鐵路隧道產生較大的振動，若振動過大，將影響列車安全運營。同時，過大的振動力也會導致結構的破壞。鑒于以上原因，本文針對臨近溫福鐵路隧道段的開挖方案對荊溪山鐵路隧道的結構影響和安全運營進行分析、評估，并提出合理化建議。

2 問題的分析

通過邊坡開挖前后的靜力分析，雖然開挖會引起隧道一定的變形和應力重分布，但從計算的結果來看，最終的數值均比較小，影響較小。因巖性較好，山體開挖過程中需采取爆破措施，本文的重點是分析爆破震動對隧道的影響，并提出優化建議。

2.1 爆破振動的動力有限元分析

本文采用ABQUS對爆破的振動響應進行動力分析。分析過程中，按照《爆破使用手冊》，將爆破荷載代替為相當的地震荷載進行分析。

平面模型的動力分析按照《爆破使用手冊》，將700 kg炸藥的爆破荷載代替為相當的地震荷載，其中選定的加速度時程曲線如圖2所示。

圖2 加速度時程曲線

動力分析時，材料的本構關系分別是：隧道混凝土作為彈性材料計算，巖體仍按彈塑性材料計算，巖體塑性屈服準則選用摩爾-庫侖屈服準則如前所述。

具體計算采用ABQUS隱式積分動力分析。爆破前后的隧道變形如圖3和圖4所示。

圖3 爆破前的隧道

圖4 爆破后(0.4 s)的隧道變形圖

從圖3和圖4可以看出，實施爆破以后，隨著應力波在圍巖中的傳播，對隧道起到了一定的擠壓作用，隧道有向內變形擠壓的趨勢。

⑴爆破荷載引起的水平位移分析

計算結果表明，實施爆破后的0.4 s，位移最大值發生在放藥爆破的位置，隨著距離的增加，水平向位移不斷減小，在隧道附近的位移量值約0.2 mm～2.9 mm。由于缺乏隧道動力作用下變形的規范規程，本文參考依據《鐵路隧道設計規范》TB10003-2005關于靜力的限值：最大的位移量值滿足Ⅱ級圍巖雙線隧道的預留變形量10～30 mm的要求，同時也滿足第10.3.5條關于最大撓度的規定。顯然爆破對隧道的位移還是存在一定影響，但最大位移值2.9 mm對隧道結構安全風險屬于可接受，但需嚴格控制。

⑵爆破荷載引起的最大主應力分析

計算結果表明，爆破后0.4 s，最大主應力的拉應力的最大值為1.22 MPa，位于邊坡開挖的斜坡處。最大主應力的壓應力的最大值為1.24 MPa，出現于隧道的右下角。最小主應力的拉應力的最大值為0.65 MPa，位于斜坡坡腳處。最小主應力的壓應力的最大值為7.83 MPa，位于靠近斜坡處。

依據前面所述的莫爾-庫倫屈服準則，隧道的結構受力狀態仍然在彈性范圍內，且主應力值小，對隧道的安全可以接受。

爆破后0.4s后，隧道右拱腰點的水平位移最大值達到2.75 mm，朝向隧道內側變形。其量值對隧道安全是可以接受的。隧道拱頂點的水平位移最大量值達到2.73mm，朝向隧道內側變形。其量值對隧道安全是可以接受的。左拱腰點水平位移達到最大值1.91 mm，朝隧道外變形。其量值對隧道安全是可以接受的。

隧道的振動加速度對列車的振動存在一定的影響，過大的振動加速度不但引起旅客列車的舒適度減小，嚴重時導致列車脫軌。我國相關鐵路規范規定當列車通過時，相關結構物在荷載平面內的橫向振動加速度不應超過1.0 m/s2。

計算結果表明，爆破后0.25s，右拱腰點水平加速度達到負的最大值0.7 m/s2。振動加速度對列車的安全影響基本可以接受，但不排除存在安全隱患。

2.2 邊坡爆破影響小結

⑴爆破地震效應引起的隧道位移，盡管不會引起結構開裂或破壞，由于現行規范沒有對動位移作出明確限制，參照規范對靜位移的規定，雖然滿足需要，但接近極限，風險雖可接受，但需高度重視，合理控制；

⑵由于地質條件較好，爆破引起的應力變化不大，不會因引起結構的嚴重破壞。

3 結論與建議

3.1 結論

采用露天淺孔爆破方式進行山體巖石開挖，爆破的地震效應引起荊溪山鐵路隧道的較大振動，對列車的安全運營存在隱患，這也是與完整巖石的良好波傳播特點一致。

3.2 建議

(1)若采用邊坡開挖，形成深路塹高邊坡，則嚴禁采用深孔爆破、硐室爆破等大噸位炸藥的爆破方式。

(2)若需要采用淺孔爆破，由于巖石完整性好，振動波傳播性能好，按照前述分析，常規的炸藥用量也不能滿足列車運營的安全需要，可考慮采用更小量炸藥的爆破方式。

(3)邊坡開挖，建議采用控制爆破技術（預裂爆破、多段微差爆破），或其他開挖方式，如機械開挖、人工開挖等。