爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)既有鐵路隧道運(yùn)營(yíng)的影響分析

王宏祥

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

在既有鐵路隧道附近進(jìn)行爆破作業(yè)，進(jìn)行復(fù)線隧道或邊坡開挖施工，對(duì)既有鐵路的運(yùn)營(yíng)形成一定的安全隱患。國(guó)內(nèi)許多專家和學(xué)者對(duì)既有鐵路隧道附近的施工做了大量的分析和研究［1-7］。

本文以某鐵路隧道旁的山體開挖為研究對(duì)象(開挖寬度為30.0 m，開挖的最大高度12.7 m，水平最近距離約40.0～48.0 m)，按照淺孔爆破進(jìn)行開挖，研究爆破開挖振動(dòng)效應(yīng)對(duì)鐵路隧道的安全運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的影響。

1 巖土特性及計(jì)算模型

巖土材料的本構(gòu)關(guān)系呈非線性，其計(jì)算非常復(fù)雜。大量實(shí)踐表明，基于彈塑性理論的有限元分析，其結(jié)果足以滿足工程需要。

巖體塑性屈服準(zhǔn)則選用莫爾(O．Mohr)—庫(kù)侖(C．Coulomb)準(zhǔn)則，即

式中，σ1表示最大主應(yīng)力，σ3表示最小主應(yīng)力，c表示黏聚力。

目前，在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)，采用通用的商業(yè)有限元程序(如 ANSYS、ABAQUS)，可以很好地進(jìn)行巖土工程的分析。

選取最不利斷面進(jìn)行有限元計(jì)算，用以分析坡體開挖對(duì)已建隧道的影響。根據(jù)有限元分析要求，模型左邊界與隧道距離約取為2倍洞徑，隧道右邊界距離邊坡開挖點(diǎn)為40 m，整個(gè)開挖體長(zhǎng)度為30 m，具體見圖1。

圖1 計(jì)算模型幾何尺寸示意(單位:m)

根據(jù)所提供的地質(zhì)資料，山體巖石為鉀長(zhǎng)花崗巖，塊狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，巖體較完整，為Ⅱ類和Ⅲ類圍巖，隧道混凝土襯砌為C35混凝土。圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土及巖體材料計(jì)算參數(shù)

計(jì)算荷載考慮重力荷載和地應(yīng)力的作用，并考慮隧道的施工過程引起的地應(yīng)力重分布。隧道混凝土作為彈性材料計(jì)算，巖體按彈塑性材料計(jì)算。

2 爆破振動(dòng)對(duì)隧道影響分析

大規(guī)模的山體開挖范圍大通常采用淺孔爆破或硐室爆破開挖。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)對(duì)隧道的影響主要是爆破振動(dòng)波高頻成分起著強(qiáng)烈作用(最高頻率100 Hz)，且作用持續(xù)時(shí)間較短。爆破作業(yè)對(duì)既有線隧道的破壞以高頻波破壞為主。

2.1 爆破振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式分析

爆破對(duì)臨近構(gòu)造物的影響采用振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率兩個(gè)指標(biāo)［8］。爆破振動(dòng)速度采用薩道夫斯基推薦的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中，v為爆破振動(dòng)速度(cm/s);Q為爆破最大裝藥量(kg);R為爆破中心至構(gòu)造物距離(m);K為介質(zhì)系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)特征本研究取155;a為振動(dòng)衰減系數(shù)，依據(jù)地質(zhì)特征取1.5。

盡管規(guī)范給出交通隧道的安全振動(dòng)速度限值:10～20 cm/s［9］，但對(duì)高速運(yùn)行的列車并不適用。查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)，取允許的安全振動(dòng)速度為2.0 cm/s。

依據(jù)確定的參數(shù)，計(jì)算爆破在隧道附近產(chǎn)生的振動(dòng)速度如表2所示。

表2 不同裝藥量下隧道附近的振動(dòng)速度

從表2可以看出，即使采用最小的用藥量Q=300 kg，最遠(yuǎn)的距離48 m，振動(dòng)速度仍為7.8 cm/s，超過文獻(xiàn)研究所推薦的2.0 cm/s。因此，邊坡淺孔爆破或硐室爆破開挖對(duì)鐵路隧道的正常運(yùn)營(yíng)存在安全隱患。

2.2 爆破振動(dòng)的動(dòng)力有限元分析

進(jìn)一步分析爆破的地震效應(yīng)對(duì)隧道里列車安全運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的影響，建立動(dòng)力有限元模型，進(jìn)行分析。

通用有限元軟件ABAQUS和ANSYS都可完成爆破的振動(dòng)響應(yīng)動(dòng)力分析。尤其ANSYS的LS-DYNA模塊具有高度的非線性分析功能，可以模擬爆炸和沖擊等高度非線性動(dòng)力作用。

爆破振動(dòng)分析的動(dòng)力有限元模型分別采用ABAQUS建立平面動(dòng)力有限元模型和ANSYS建立空間動(dòng)力有限元模型，進(jìn)行數(shù)值分析。所建立的有限元模型如圖2、圖3。

圖2 ABAQUS有限元模型

圖3 ANSYS有限元模型

2.2.1 ABAQUS平面動(dòng)力有限元分析

ABAQUS平面動(dòng)力有限元分析將700 kg炸藥的爆破荷載代替為相當(dāng)?shù)牡卣鸷奢d［10］，其中選定的加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 爆破振動(dòng)相當(dāng)加速度時(shí)程曲線

ABAQUS具體計(jì)算采用隱式積分動(dòng)力分析。爆破后的隧道變形如圖5所示。

圖5 爆破后(0.4 s)的隧道變形

從圖5可以看出，實(shí)施爆破以后，爆炸應(yīng)力波向圍巖中傳播，對(duì)隧道形成向山體內(nèi)部的擠壓受力狀態(tài)。

爆破后的水平位移云圖如圖6所示。

圖6 爆破后(0.4 s)的水平位移云圖

從圖6可以看出，爆破后的0.4 s，位移最大值發(fā)生在炸藥爆破處，達(dá)到35.4 cm，在隧道附近的位移量值約0.2～2.9 mm。顯然爆破對(duì)隧道的位移還是存在一定影響，最大位移值2.9 mm對(duì)隧道結(jié)構(gòu)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格控制。

爆破荷載引起的最大主應(yīng)力云圖、最小主應(yīng)力云圖如圖7～圖8所示。

圖7 爆破后(0.4 s)的最大主應(yīng)力云圖

圖8 爆破后(0.4 s)的最小主應(yīng)力云圖

從圖7可知，爆破0.4 s后，最大主應(yīng)力拉應(yīng)力的最大值為1.22 MPa，位于邊坡開挖的斜坡處。最大主應(yīng)力壓應(yīng)力的最大值為1.24 MPa，出現(xiàn)于隧道的右下角。

從圖8可知，爆破0.4 s后，最小主應(yīng)力拉應(yīng)力的最大值為0.65 MPa，位于斜坡坡腳處。最小主應(yīng)力壓應(yīng)力的最大值為7.83 MPa，位于靠近斜坡處。

顯然隧道的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)仍然在彈性范圍內(nèi)，且主應(yīng)力值較小，對(duì)隧道的安全可以接受。

有限元分析結(jié)果表明，爆破振動(dòng)引起的隧道振動(dòng)速度在0.37 s時(shí)最大，其中右拱腰、拱頂和左拱腳的水平振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖9～圖11所示。

圖9 右拱腰水平速度時(shí)程曲線

圖10 拱頂水平速度時(shí)程曲線

圖11 左拱腰水平速度時(shí)程曲線

從圖9～圖11可以看出，在爆破后0.37 s，右拱腰水平速度達(dá)到最大值13.7 cm/s，拱頂水平速度達(dá)到最大值 10.3 cm/s，左拱腰水平速度達(dá)到最大值9.2 cm/s，方向均朝X負(fù)方向。這與表2的計(jì)算結(jié)果一致，該振動(dòng)速度不能保證列車的安全運(yùn)營(yíng)。

爆破產(chǎn)生的振動(dòng)加速度以右拱腰為例，如圖12所示。

我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定列車通過時(shí)，結(jié)構(gòu)物的橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過1.0 m/s2。從圖12可知，爆破后0.250 s，右拱腰水平加速度達(dá)到負(fù)的最大值0.70 m/s2。爆破后0.125 s，右拱腰水平加速度達(dá)到正的最大值0.46 m/s2。振動(dòng)加速度雖 ＜1.00 m/s2，但不排除對(duì)列車的運(yùn)營(yíng)存在安全隱患。

2.2.2 ANSYS空間動(dòng)力有限元分析

空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力有限元分析，要考慮計(jì)算效率，在單元的選擇上應(yīng)予以考慮。由于襯砌混凝土在爆破時(shí)仍處于彈性階段，選擇Solid45彈性實(shí)體單元，巖石選擇Solid65彈塑性單元，炸藥選擇 Targe169單元。爆破后0.32 s時(shí)隧道的變形如圖13所示。

圖12 右拱腰水平加速度時(shí)程曲線

圖13 爆破后(0.32 s)的隧道變形

從圖13可知，空間爆破動(dòng)力有限元分析結(jié)果與ABAQUS基本一致，隧道均是受到向內(nèi)擠壓而變形。

爆破后0.32 s時(shí)隧道的第一主應(yīng)力如圖14所示。

從圖14可知，爆破引起的應(yīng)力變化值并不大，與ABAQUS計(jì)算結(jié)果一致，但最大主應(yīng)力拉應(yīng)力在0.44 MPa，比 ABAQUS計(jì)算結(jié)果偏小，這是由于 ABAQUS采用了相當(dāng)?shù)卣鹱饔眠M(jìn)行動(dòng)力加載，而ANSYS采用實(shí)際的炸藥單元爆炸加載，計(jì)算模型差別所致。

圖14 爆破后(0.32 s)的第一主應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

1)大規(guī)模的山體開挖，采用露天淺孔爆破或硐室爆破，爆破產(chǎn)生的變形和應(yīng)力對(duì)本文研究的隧道影響不大，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。但爆破的地震效應(yīng)引起鐵路隧道較大振動(dòng)速度和加速度，對(duì)列車的安全運(yùn)營(yíng)存在隱患。

2)山體開挖可以采用微差爆破或預(yù)裂爆破等其它控制爆破技術(shù)，減小爆破的地震效應(yīng)。

3)避開列車通過隧道時(shí)刻，進(jìn)行控制爆破，減小列車運(yùn)營(yíng)的安全隱患。

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