爆破開挖路塹對羅依溪隧道安全影響的數值分析

董 翔

(都勻高速公路管理處，貴州都勻 558000)

1 工程概況

新建永吉高速公路在焦柳鐵路K1040+752.36處以路塹形式上跨焦柳鐵路羅依溪隧道，因公路路塹開挖導致隧道頂覆土減薄，對應的鐵路里程范圍為K1040+723～K1040+811，影響范圍內原隧道頂覆土厚度為93 m～119 m，高速公路建成后，公鐵交叉點處鐵路隧道頂至公路路面的最小覆土厚度為55.3 m，即公路路塹的最大挖深約52 m。

鑒于既有焦柳鐵路隧道建于20世紀70年代，為當時的三線建設工程，其工程施工質量受當時環境的影響較大。由于隧道上覆開挖土層挖方量大，采取一般的開挖方式存在諸多困難和不足，因此考慮采用爆破開挖路塹。路基面下方存在鐵路隧道，有必要對爆破引起的隧道振動進行分析計算。研究內容包括:隧道振動規律、邊坡開挖加固控制措施等。本文采用有限元軟件對隧道洞頂爆破開挖圍巖振動影響進行數值分析。

本文通過大型有限元模擬軟件ABAQUS，模擬路塹爆破開挖，以計算爆破對隧道及邊坡的影響，為隧道及邊坡的施工及監測提供依據。

2 建立模型

本模型采用ABAQUS提供的顯式積分算法，計算爆破荷載作用對邊坡及隧道圍巖產生的影響。

2.1 邊界條件

由于ABAQUS計算采用的模型為有限元模型，為了盡量滿足實際工程地質條件，除控制模型尺寸外，對邊界進行如下條件限制:限制模型底面豎直方向位移，同時在X方向限制模型X軸向邊界位移，Y方向限制模型Y軸向邊界位移。

2.2 模型尺寸及材料參數

按照永吉高速公路設計施工圖以及既有鐵路竣工圖等相關資料，利用ABAQUS軟件建立三維有限元模型(見圖1)。

圖1 ABAQUS計算模型

在網格劃分時，由于不考慮水的作用，采用的是C4D4(四節點四面體)單元［8］。根據所提供的資料以及相應技術規范，在有限元分析中，圍巖以及支護結構的物理力學參數見表1。

表1 材料參數

2.3 爆破荷載計算及加載方法

ABAQUS對爆破荷載的施加一般有三種方法:1)用狀態方程模擬炮轟產物以獲得作用在孔壁上的壓力［9-11］;2)半經驗化公式計算得到作用在孔壁上的壓力;3)基于圣維南原理將爆轟壓力等效加載在孔壁連線上［12］。前兩種方法對于較小的ABAQUS模型較為適用，但遇到較大模型時，由于炸藥孔徑小而模型大，會給模型網格劃分造成困難，往往導致計算不收斂或者網格劃分過多導致計算時間過長。而對于較遠距離來說，三種方法得到的結果相近。由于本報告中所采用模型較大，且爆破點距離隧道頂部較遠(超過50 m)，本文采用第三種等效加載方式。

本文采用的炸藥布置方案為:炮眼2 m×2 m間隔布置，孔徑為40 mm，藥卷直徑為32 mm，單藥卷長200 mm，單孔采用8個藥卷長1.6 m重5.5 kg，單孔深3 m，一次爆破采用3×10布置炮眼共30孔，單次爆破總耗藥量為165 kg。

對于等效荷載的大小，一般通過半經驗化公式計算單孔壁上壓力再通過圣維南原理計算得到孔壁連線上均布壓力。本文通過該計算方法得到的單列炮眼對側向孔壁壓力峰值為10.16 MPa，徑向孔壁荷載最大值為50.8 MPa。

根據潘曉馬等［13］分析，Ⅲ級圍巖爆破作用在隧道壁上的圍巖峰值壓力為10 MPa，與計算結果接近，為確保安全，本報告取為計算值 10.16 MPa。

單排炮眼荷載布置如圖2所示。

圖2 單排炮眼荷載布置圖

簡化爆破荷載曲線為三角形荷載曲線，如圖3所示。其中，爆破荷載在10 ms時刻達到峰值，在之后90 ms逐漸衰減至0。

3 爆破引起的邊坡位移分析

距離邊坡最高點不同距離位移曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著邊坡深度的增加，邊坡位移減小。說明爆破對邊坡的影響沿深度方向呈遞減趨勢。

路塹開挖導致路塹上方出現長大邊坡，因此有必要考察爆破作用下邊坡的位移。由于本模型考慮了重力的影響，而ABAQUS/Explicit模塊無法進行地應力的平衡，為避免土體自重作用下引起的位移帶來的誤差，需要單獨計算重力作用下的位移。僅考慮重力與同時考慮重力和爆破荷載作用下的位移云圖如圖5，圖6所示。

圖3 三角形爆破荷載加載圖

圖4 邊坡位移隨深度變化曲線

圖5 重力作用下位移云圖

圖6 重力與爆破荷載共同作用下位移云圖

在同一坐標系中繪制兩種情況下的位移—時間曲線，見圖7。

從圖7可看出，僅在重力作用下和重力爆破荷載同時作用下的曲線基本重合。因此爆破作用對邊坡的整體穩定性基本無影響。但由于ABAQUS的局限性，無法完全模擬施工遇到的各種情況，如爆破震動引起的邊坡開裂、松散等，施工過程中有必要對邊坡位移及振速進行監控量測。

4 結論與建議

本文針對新建高速公路采用爆破開挖路塹跨既有鐵路隧道交叉部位建立了三維數值分析模型，考察爆破引起的邊坡位移、襯砌振動速度以及襯砌加速度隨施工進程的變化規律。

圖7 爆破作用引起的邊坡位移曲線

本文采用的炸藥布置方案為:炮眼2 m×2 m間隔布置，孔徑為40 mm，藥卷直徑為32 mm，單藥卷長200 mm，單孔采用8個藥卷長1.6 m重5.5 kg，單孔深3 m，一次爆破采用3排×10孔布置炮眼共30孔，單次爆破總耗藥量為165 kg。

得出以下主要結論:

1)爆破對邊坡的影響沿深度方向呈遞減趨勢。隨著邊坡深度的增加，邊坡位移減小。

2)在隧道頂部55.2 m以上采用爆破開挖路塹對隧道及邊坡位移及整體穩定性影響不大。

3)根據不同的施工面，炮眼可采取3排×10孔或5排×6孔交叉間隔布置。單次爆破排間采用微差爆破方式以提供更大自由面同時減小單次爆破引起的振動，微差時間控制在100 ms左右。

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