偏壓對小凈距隧道爆破開挖的影響分析

摘 要：運用MIDAS/GTS有限元軟件，數值模擬淺埋偏壓小凈距隧道在不同埋深、不同偏壓角度下，后行洞爆破開挖對先行洞的振動影響情況，對比分析得出在爆破振動作用下，埋深及偏壓角度對淺埋偏壓小凈距隧道的影響規律。

關鍵詞：偏壓隧道;爆破振動;初期支護;數值模擬

近年來，對于淺埋偏壓小凈距隧道的受力形式以及其破壞機理，眾多學者做了相關研究。王漢鵬等[1]通過有限元彈塑性的三維彈塑性的損傷耦合模型，模擬偏壓隧道的巖體變形和損傷破壞特性，得到了合理的小凈距淺埋偏壓隧道開挖工序;陶連金、張印濤等[2]應用遍歷節理模型對偏壓隧道的施工過程和結構受力進行了模擬計算研究，分析了隧道圍巖的受力以及變形破壞的特點;師偉、展宏越等[3]分別通過隧道圍巖變形監控量測方法和有限元分析計算兩種方法對黃土偏壓隧道破壞機理進行了研究，分析了在黃土偏壓隧道施工時地表和隧道圍巖的變形破壞機制。同時根據偏壓隧道的受力及變形特點，對偏壓的合理開挖順序做了一定研究。張運良等[4]研究小凈距淺埋偏壓隧道在不同的凈距、偏壓角度、埋深條件下，分別先開挖淺埋或者深埋側隧道下圍巖的受力以及變形特征，得到了小凈距偏壓隧道在不同條件下的合理開挖順序。但是以上結果都是基于在靜力作用下隧道的受力及變形特性得出的，未考慮隧道在爆破振動作用下的響應結果。

一、有限元模型建立

采用有限元動力分析軟件MIDAS/GTS進行小凈距偏壓隧道數值模擬分析，模型邊界取4倍左右的隧道開挖洞徑，上邊界為自由邊界。圍巖級別為Ⅳ級。模型的初期支護采用噴錨支護，模型在進行單元劃分時，圍巖為實體單元，采用四面體單元進行劃分;初期支護劃分為板單元，厚度為26cm;錨桿定義為植入式桁架單元，錨桿長度L=3.5m。建立的隧道三維典型模型圖如下圖1所示。同時把圍巖視為連續的彈塑性體，根據相關規范選取各項材料的基本參數，模型中圍巖及材料基本物理力學參數見表1。

二、埋深的影響

偏壓隧道與一般隧道的區別受到隧道埋深的影響，因此在研究不同埋深情況下，爆破振動對既有偏壓隧道的影響時，要通過對比分析在偏壓與未偏壓時先行隧道在爆破振動作用下的動力響應情況。

由MIDAS-GTS分析得出：在不同埋深時，因后行洞爆破開挖，先行洞在偏壓情況與未發生偏壓情況下的初期支護各個關鍵點水平徑向峰值振速，見表2：

三、偏壓角度的影響

由上節可以看出，偏壓隧道后行洞爆破振動主要對先行洞的拱腰及拱頂有明顯影響，并且對拱腰及拱頂的影響規律一致。因此，在研究偏壓角度對爆破振動的影響時，只需研究迎爆側拱腰位置（5#關鍵點）的振速變化即可。由MIDAS/GTS分析得出：偏壓隧道在不同偏壓角度時，先行隧道初期支護在后行隧道爆破作用下5#關鍵點水平徑向峰值振速見下表5：

四、結語

（一）當隧道偏壓時，后行洞爆破振動主要對先行洞的拱腰及拱頂有明顯影響，其中對拱腰位置的影響最為明顯。

（二）但是隨著埋深的增加，偏壓隧道后行洞爆破振動主要對先行洞的拱腰及拱頂的影響逐漸變小，并且當埋深達到2.5倍開挖洞徑時，后行洞爆破對偏壓隧道先行洞的影響中，先行洞的偏壓情況可以忽略;同時當偏壓隧道埋深大于2.5倍洞徑時，可以不用考慮埋深對先行隧道初支結構在爆破爆破振動作用下的動力響應影響。

（三）當隧道偏壓時，隧道埋深與偏壓角度對偏壓隧道爆破振動影響的規律是不同的，因而在研究偏壓隧道爆破對先行隧道的振動影響時應綜合考慮隧道埋深與偏壓角度。

（四）當埋深小于0.5倍隧道開挖寬度時，先開挖淺埋側隧道對先行洞因后行洞爆破的振動影響較小;當埋深大于0.75倍隧道開挖寬度時，先開挖深埋側隧道對先行洞因后行洞爆破的振動影響較小。

參考文獻：

[1]王漢鵬，李術才，鄭學芬.偏壓分岔隧道施工過程損傷破壞分析與優化研究[J].巖土力學，2009，30（6）：1705-1710

[2]陶連金，張印濤，姜德義等.某深埋偏壓公路隧道圍巖破壞機理及防治對策研究[C].中國土木工程學會第十屆土力學及巖土工程學術會議論文集，2007：712-716

[3]展宏躍，王起才.淺埋偏壓黃土隧道洞口段變形破壞分析及整治措施研究[J].水利與建筑工程學報，2009，7（4）：117-120

[4]張運良，扶曉康，劉海林等.淺埋小凈距偏壓隧道合理開挖順序探討[J].鐵道科學與工程學報，2013，10（5）：57-63.

作者簡介：廖春泉（197206），男， 四川， 高級工程師，學歷： 本科。