采石場爆破對鄰近隧道的影響分析

方智淳，陳志敏,2

(1.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

山體開采主要采用爆破法，爆破工藝對鄰近隧道的結構安全有重要影響。主要表現在隧道開挖引起隧道圍巖應力重分布，持續(xù)的爆破振動將會使得既有隧道強度弱化并且產生損傷。當隧道存在病害且距離爆破點較近時，在爆破施工過程中需要保證爆破的振動強度不會危及既有隧道的結構及運營安全[1]。

劉敦文等[2]利用 ANSYS/LS-DYNA模擬了鄰近隧道爆破對既有隧道的影響，分析了最大段裝藥量不同時迎爆側的振動速度，并提出了一些控制爆破振動的措施。于天生[3]以莞惠城際GZH-7標段為例，利用有限元軟件對小凈距隧道爆破開挖過程進行了模擬分析，通過研究開挖過程中鄰近隧道各特征點的水平位移、豎向位移、速度隨時間的變化關系，得到了小凈距隧道爆破開挖對鄰近隧道的影響規(guī)律。陳紹輝等[4]建立靜力模型分析了新隧道開挖所引起的鄰近隧道襯砌應力重分布情況，建立動力模型分析新隧道爆破導致鄰近隧道二次襯砌產生的應力變化，并將兩種模型中隧道襯砌的應力進行矢量疊加，以評判新隧道爆破開挖對鄰近隧道的影響。

上述文獻均分析了爆破對鄰近隧道的影響，但是大多數忽略了瞬時動力和爆破振動的關聯。本文利用有限元軟件，研究當采石場單次爆破且所用裝藥量很大的情況下，鄰近采石場爆破對既有鐵路隧道襯砌結構的不利影響。

1 工程概況

陜西省紅柳林至神木西鐵路沙峁溝隧道設計全長 3 471 m。隧址區(qū)上覆地層主要為第四系全新統風積細沙、洪積碎石土、坡積塊石土，上更新統風積砂質黃土，下伏侏羅紀中統砂巖。整個隧道III級圍巖占80%，Ⅳ和Ⅴ級圍巖占20%。

在隧道右側里程DK7+200處有一采石場，采石場呈矩形分布，長約60 m，寬為30 m，整個采礦區(qū)域占地面積約 2 000 m2。根據實際需要，爆破采用直眼打孔，每次打1～3個孔，孔徑50 mm，孔距10 m，孔深20 m。用藥壺法裝藥，每孔裝藥約500 kg，大約半年爆破1次。

從爆破點到隧道垂直距離約60 m，如圖1所示。

圖1 采石場位置

2 有限元模擬

2.1 模型的建立

根據隧道與采石場的空間位置關系，選取與采石場爆破點水平距離最小的斷面建立分析模型，見圖2 。

圖2 有限元分析模型(單位：m)

模型由炸藥、襯砌(采用C25混凝土)和巖體3部分組成。炸藥方程選用JWL(Jones-Wilkens-Lee)狀態(tài)方程[5]。為了簡化計算，將采石場多個藥孔微差爆破施工方式簡化為1次爆破的方式，炸藥總當量為500 kg。爆破點位于所選斷面隧道中線右側，距隧道中線水平距離60 m，布置炸藥處高程與隧道襯砌迎爆面拱腳高程相同。巖石采用了考慮速率效應的各向同性、塑性運動硬化材料模型[6]，采用Lagrange來描述炸藥及與其發(fā)生相互作用的材料。此算法的優(yōu)點在于可以得到清楚的物質界面。

2.2 材料及參數的選取

圍巖取Ⅳ級，采用彈塑性材料模擬。隧道襯砌為C25整體式混凝土，采用彈性材料模擬。圍巖和襯砌的物理力學參數見表1。

表1 圍巖、襯砌的物理力學參數

炸藥采用ANSYS/LS-DYNA自帶的高性能炸藥。炸藥密度為 1 200 kg/m3,爆破速度為 6 000 m/s，爆破壓力為 30 000 MPa。一般采用JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆炸時的情況。JWL狀態(tài)方程可表示為

(1)

式中：V為相對體積；E0為常數；A，B，R1，R2，w為特征參數，對某種炸藥而言為常數，此文分別取600 GPa,12.4 GPa，4.5,1.1,3.4。

2.3 邊界條件及求解

選取有限元模型上x=12.0 m和x=-121.5 m 界面上的所有節(jié)點，約束其水平方向的位移；選取z=0和z=-1.8 m 界面上的所有節(jié)點，約束其縱向位移；選取y=-10 m 界面上的所有節(jié)點，約束其豎直方向的位移。選擇計算時間為 0.032 5 s。

2.4 模擬結果分析

2.4.1 隧道襯砌整體應力及單元應力

1)隧道襯砌及周邊圍巖應力

選取采石場爆破過程中隧道襯砌及周邊圍巖在水平方向、豎直方向及縱向上的應力云圖。通過觀察動態(tài)應力云圖發(fā)現：在采石場整個爆破過程中，隧道周邊圍巖上的應力逐漸增大。

爆破完成時在采石場爆破開挖過程中產生的爆炸波影響到了隧道襯砌。爆破完成時傳遞到隧道周邊圍巖上的最大拉應力為7 MPa，最大壓應力為6 MPa,超出現場實測圍巖初始應力值。所以必須對采石場爆破完成時迎爆側襯砌的最大主應力(拉應力)及最小主應力(壓應力)進行分析。

2)迎爆側監(jiān)測點處單元應力

選取與現場實測點相對應的單元，列出最大主應力(拉應力)與最小主應力(壓應力)，進一步比較所選取單元的應力與C25混凝土抗拉強度設計值1.27 MPa 和抗壓強度設計值11.9 MPa的大小，分析隧道襯砌開裂的原因。

將隧道襯砌分為迎爆側和背爆側。在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳布設監(jiān)測點。拱頂及右側監(jiān)測點處單元最大拉應力和壓應力見表2。

表2 拱頂及右側監(jiān)測點處單元最大拉應力和壓應力 MPa

由表2可見：拱腳處單元最大拉應力超出C25混凝土的抗拉強度設計值，而壓應力未超出，因而拱腳處的混凝土開裂主要是由于采石場爆破導致C25混凝土二襯受到的拉應力超出了其抗拉強度設計值所致。拱腰處最大拉應力及壓應力均未超出C25混凝土的抗拉強度、抗壓強度設計值。若出現混凝土開裂可能是由于多次爆破累積破壞所致。拱肩處最大拉應力超出C25混凝土的抗拉強度設計值而壓應力為9.6 MPa，與C25混凝土的抗壓強度設計值相差不大且處于增大趨勢，故而拱肩處的裂縫主要是由于采石場爆破導致隧道二襯上的拉應力超出了C25混凝土抗拉強度設計值所致。拱頂處最大拉應力、壓應力均小于混凝土抗拉強度、抗壓強度設計值，若出現裂縫很可能是由于采石場爆破導致整體受力變化及二襯變形所致。

2.4.2 隧道襯砌的位移

采石場爆破完成時，襯砌上各監(jiān)測點處的位移云圖見圖3。可以看出:最大位移發(fā)生在右側(迎爆側)隧道襯砌拱腳G點，向隧道內側最大位移4.3 mm；迎爆側拱腰E點位移為2.8 mm。從拱腳到拱頂隧道襯砌向內水平收斂值逐漸減小至很小，隧道拱頂幾乎不發(fā)生位移。背爆側隧道襯砌位移很小，可忽略不計。

圖3 隧道襯砌位移云圖(單位：m)

監(jiān)測點處位移實測值和數值模擬值對比見表3。可以發(fā)現，兩者誤差不大，數值模擬結果真實可靠。

表3 監(jiān)測點處位移實測值和數值模擬值對比 mm

3 結論

通過分析采石場爆破對既有隧道造成的影響，結合現場監(jiān)測結果可得以下結論：

1)在采石場爆破過程中，襯砌上最大拉應力發(fā)生在拱腳處，其值為4.32 MPa，超出C25混凝土抗拉強度設計值3.05 MPa；最大壓應力出現在拱肩處，其值為9.60 MPa，比C25混凝土抗壓強度設計值小2.30 MPa。

2)采石場的爆破對既有隧道的影響不能忽視，特別是在受到采石爆破波影響最大的迎爆面。

3)隧道迎爆面在長期的爆破過程中，特別是在襯砌出現裂縫后，襯砌的整體承載力明顯下降。

[1]張璟，陳志敏，藺鵬臻,等.采石場爆破振動對附近沙峁溝鐵路隧道影響有限元研究[J].蘭州工業(yè)學院學報，2017，24(3):1-7.

[2]劉敦文，宋廣晨，褚夫蛟,等.隧道爆破開挖對鄰近隧道安全影響的數值分析[J].安全與環(huán)境學報，2014，14(2)：64-68.

[3]于天生.小凈距隧道爆破開挖對鄰近隧道的影響分析[J].工程與建設，2013，27(5):652-654.

[4]陳紹輝，張賢康，石波,等.隧道爆破施工對鄰近隧道安全性的影響研究[J].公路交通技術，2016，32(6):100-105.

[5]孫海利.基于ANSYS/Ls-dyna仿真模擬對條形藥包爆破地震效應的研究[D].西安：長安大學,2015.

[6]邵鵬,東兆星,張勇.巖石爆破模型研究綜述[J].巖土力學,1999,20(3):91-96.