公路隧道爆破工程對既有電力鐵塔影響分析

曲 勰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

隨著我國城際道路建設的快速發(fā)展，在公路隧道建設過程中與鄰近既有建(構)筑物，如民房、電力鐵塔、水渠、管線、橋梁等存在不利影響。如果在設計、施工中未充分考慮對既有構筑物的保護措施，采取針對性的優(yōu)化措施，不僅有產生直接經濟損失的風險，而且可能危害民生造成較大的社會負面影響。所以對既有工程的保護逐步成為現(xiàn)階段公路隧道建設關鍵技術環(huán)節(jié)，有限元法是解決這一問題的有效方法。

采用動力有限元法模擬爆破振動可采用等效指數(shù)衰減型爆破荷載施加在爆孔孔壁，可根據(jù)爆破方案中單響藥量、炸藥密度、爆速、爆壓等爆破參數(shù)確定荷載參數(shù)，該方法相較于直接采用炸藥模型進行多物理場耦合計算更加簡單有效，根據(jù)實踐經驗精度能夠滿足工程要求。

1 工程概況

1.1 項目概況

浙江某國道公里路工程，設計速度80 km/h，路基寬33.0 m，分離式隧道段采用曲墻式橫斷面，斷面為三心圓，凈高為5.0 m，總基本寬度為14 m。線路道線路正上方有1 000 kV電力鐵塔一座，鐵塔基礎與隧道頂最小凈距為60 m，隧道線位與電力鐵塔相對關系可見現(xiàn)場圖(見圖1)。

1.2 工程地質

處于隧道洞身，圍巖以微風化巖體為主，巖性為英安玢巖，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，巖體較完整，局部較破碎，質堅硬。該段地下水主要為基巖裂隙水，賦存于裂隙內，水量貧乏，由大氣降水補給，水文地質條件較簡單。考慮該段隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育一般，巖體呈塊石或碎石狀鑲嵌結構，總體較完整，圍巖基本穩(wěn)定，但開挖不當時易產生掉塊，Rc=70 MPa，Kv= 0.75，[BQ]=362，綜合評定為Ⅲ級圍巖。

2 有限元數(shù)值分析

2.1 計算模型及參數(shù)

模型尺寸根據(jù)隧道及輸電鐵塔的斷面尺寸確定，有限元網格見圖2。邊界超出計算構筑物或隧道的距離不小于30 m。對于爆破動力計算采用，1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界(viscous Boundary)。為了定義粘性邊界需要計算相應的土體X，Y，Z方向的阻尼比。計算阻尼的公式如下：

其中，λ為體積彈性系數(shù),kN/m2；G為剪切彈性系數(shù)，kN/m2；E為彈性模量；v為泊松比；A為截面積,m2。

三維有限元數(shù)值計算采用Mohr-Coulomb彈塑性模型模擬巖土體等壓力敏感材料的力學行為，計算參數(shù)見表1。

表1 巖土體模型計算參數(shù)

2.2 爆破荷載

根據(jù)工程經驗公式確定爆破荷載參數(shù)，對于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上，此時用的荷載用美國National Highway Institute推薦公式。該隧道爆破最大單段藥量為17 kg。每1 kg的爆破荷載如下:

其中，Pdet為爆破壓力；PB為孔壁面上的壓力；Ve為爆破速度；dc為火藥直徑；dh為孔眼直徑；Sge為比重。

實際上作用在孔壁的動壓力隨時間的變化狀態(tài)。本次計算使用Statfiled提及的有關時程的動壓力。

其中，B=16 338為荷載常量，每1 kg裝藥量的動壓力。

2.3 分析計算結果

圖3與圖4為隧道洞室單段炸藥爆破后電力鐵塔結構及樁基礎最大振速云圖，從圖3，圖4中可以看出，在爆破后電力鐵塔塔身最大振速為4.03 cm/s，塔基最大振速1.15 cm/s，滿足GB 6722—2014爆破安全規(guī)程要求。

3 結語

通過采用有限元分析方法分析，得出了在單段爆破藥量為17 kg時，隧道爆破對上部1 000 kV電力鐵塔的影響造成塔身與塔基最大振速的動力響應能夠滿足規(guī)范要求。通過動力有限元法在實際工程中的實踐應用，證明了該方法可以作為隧道爆破方案校核及優(yōu)化的有效分析手段。