基于FLAC3D軟件分析爆破施工對既有砂巖隧道的影響

伍海龍 梁家琴 梁興印 黃 琪 李佳慧 何麗珍 潘德武 蔡 軍,2

1. 賀州學院建筑與電氣工程學院 廣西 賀州 542899；2. 賀州筑夢瑤臺數字文化創意內容制作有限責任公司 廣西 賀州 542899

在現代城市建設中，地下空間的開發利用已成為重要的組成部分。地鐵線路規劃基本處于城市人口居住和商業密集區域，所以不可避免地會出現線路鄰近等問題，在施工時面臨的安全問題不可小覷[1-6]。隧道爆破施工產生的振動會造成鄰近既有隧道襯砌開裂、剝落甚至坍塌等危及行車安全的現象[7-12]。本文將對新建廣佛線隧道中的爆破施工進行分析與研究。

1 計算模型建立

1.1 工程地質概況

廣佛線地鐵隧道是中國國內首條跨越地級行政區的地鐵線路，起于廣州燕崗站，止于佛山新城東站，大致呈“廠字”走向。

廣佛線在沙園站—燕崗站路段的新建隧道（里程ZDK24+869.5處），與已建的地鐵8號線中的一段隧道緊鄰且平行，兩隧道之間的間距約為20.13 m，平行的隧道段長度為73.3 m。廣佛線隧道上覆巖土層厚約17 m，隧道所處巖層為微風化砂巖層。經試驗和相關資料查詢，該隧道相關巖層的物理力學參數如表1所示。隧道襯砌結構的重度為22 kN/m3，彈性模量為25 000 MPa，泊松比為0.2，厚度為312 mm。

1.2 數值模型建立

本文依托的隧道工程洞跨約為6 m，在查閱相關資料后，為隧道建立數值計算模型來進行數值模擬動力分析。設定模型長度為隧道洞跨的8倍，隧道底部與模型底端距離為隧道洞跨的4倍，則此數值模型的長×高×寬尺寸為120 m×20 m×60 m，建立所得網格計算模型如圖1所示。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 數值計算模型

在圖1所示模型中，左隧道為已建成的地鐵8號線隧道，右隧道為新建未開挖的廣佛線隧道。為分析新建廣佛線隧道在爆破施工時對已建地鐵8號線隧道的影響，分別進行靜力分析和動力分析。

在進行靜力分析時，為方便計算，設置隧道計算模型前后左右的邊界條件為水平約束，底部為固定端約束，模型上邊界為自由邊界，計算收斂準則為不平衡力比率小于10-5。在進行動力分析時，根據動力荷載加載時間來確定計算的動力時間，約為加載時間的10倍。

2 爆破荷載和監測點確定

2.1 模擬隧道爆破開挖過程

模擬過程主要通過以下3個步驟展開分析：第一，用重力應力場作為初始應力場進行初始應力平衡計算；第二，開挖新建隧道，將開挖的隧道設置空模型，利用摩爾-庫侖準則描述巖土體的應力應變關系，進行靜力計算分析；第三，在開挖的隧道洞室壁上施加爆破荷載，計算分析緊鄰隧道拱頂和拱腳處的振動速度以及沉降位移等變化規律。

2.2 爆破荷載的施加

根據相關文獻，隧道在爆破過程中的爆破荷載可簡化為具有上升階段和下降階段的三角形線性荷載。根據隧道爆破荷載施加的加載時間公式，可確定本次隧道爆破過程中的荷載總時間。爆破荷載加載的上升階段荷載時間為0.01 s，總的荷載時間為0.06 s，爆破荷載的最大值為26 MPa，荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載加載曲線

2.3 監測點的布設

從隧道模型的前界面至隧道的后界面，每隔2 m在鄰近已建地鐵隧道的拱頂和拱腳處分別設置1個監測點，用來監測新建隧道在爆破施工過程中對其安全使用的影響。

3 分析與討論

3.1 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的振動速度

利用FLAC3D軟件模擬新建隧道在進行爆破施工時鄰近已建地鐵隧道的監測點振動速度，再與相關規范警戒值作比較，分析新建隧道爆破過程對鄰近已建地鐵隧道的影響，從而判斷鄰近已建隧道是否存在安全風險。數值模擬計算記錄的拱頂和拱腳監測點振動速度如圖3、圖4所示。

圖3 部分拱頂監測點的振動速度時程曲線

圖4 拱腳、拱頂監測點的最大振動速度

由圖3可以看出，監測點振動速度在開始爆破后的3.0×104步時達到最大峰值，然后由于阻尼、巖石介質特性等原因在極短時間內衰減，從3.5×104步時開始振動速度不再有較大的波動，趨向平緩直線直至衰減到最小。

由圖4可以看出，已建地鐵隧道拱頂與拱腳監測點之間的最大振動速度峰值均在15 cm/s以內，并且呈現同增同減的變化規律，這是因為已建地鐵隧道拱頂和拱腳的監測點之間距離相差較小。新建隧道爆破施工時，其開挖時的掌子面與已建隧道監測點4處于同一截面，新建隧道在爆破時，會在已開挖區形成空洞放大效應，距離掌子面一定范圍內已開挖區質點的振動速度要大于未開挖區的振動速度。所以鄰近已建隧道的監測點4旁邊的監測點1、2、3、5的振動速度遠大于其他監測點的振動速度，并且在監測點3處達到峰值。由于在爆破施工中存在衰減效應，即監測點振動速度會隨爆源距離的增大而出現遞減的現象，所以監測點3—1，監測點5—11的振動速度均為逐漸遞減趨勢。

本次隧道爆破施加的爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建地鐵隧道拱腳、拱頂監測點最大振動速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于GB 6722—2014《爆破安全規程》規定的交通隧道安全振動速度15 cm/s的標準值，說明本次新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響較小，可以認為本次隧道爆破方案可行、爆破參數合理。

3.2 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移

判斷隧道是否存在安全風險的另一個判據為隧道拱頂、拱腳沉降是否超過相關規范的警戒值。在進行數值模擬計算分析時，記錄的既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移變化規律如圖5所示。

圖5 拱頂、拱腳監測點沉降位移變化規律

由圖5可知，在新建隧道爆破施工時，鄰近已建隧道拱底和拱頂監測點的沉降位移變化規律不一樣，拱頂監測點的沉降位移從監測點1開始呈現下降的趨勢，沉降位移隨著監測點與爆破開挖區距離的增大而不斷減小。而拱底在監測點1—6之間，沉降位移隨著監測點與爆破開挖區距離的增大而不斷增大，而后從拱底監測點7開始呈現緩慢的下降趨勢。拱頂監測點沉降位移最大值為6.0 mm，拱底監測點沉降位移最大值為3.5 mm，拱頂和拱底的沉降量均在允許范圍之內（警戒值30 mm）。

在監測點8之前，已建隧道拱頂監測點的沉降位移都要比拱底監測點的沉降位移大，差值在監測點1時達到最大，為4 mm。在監測點8后，已建隧道拱頂和拱底監測點的沉降位移差值逐漸變小。由此可以看出，在同一截面中，鄰近已建隧道拱頂監測點的沉降位移受到新建隧道爆破施工時的影響要比拱底監測點的沉降位移大，并且在監測點距離新建隧道爆破開挖區最近時達到最大值。隨著已建隧道監測點與新建隧道爆破開挖區的距離不斷增大，拱頂監測點與拱底監測點之間的沉降位移差值逐漸變小。

綜上所述，新建隧道在爆破開挖過程中，施加的爆破荷載在26 MPa范圍內時，對鄰近既有地鐵隧道的安全影響較小。同時，要加強對隧道拱頂位置的監測。

4 結語

本文通過FLAC3D軟件建立數值模型，模擬新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響，得出結論如下：

1）本次試驗算得的新建隧道爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建隧道拱底、拱頂監測點最大振動速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于15 cm/s的標準值。鄰近已建隧道的拱底、拱頂最大沉降位移分別為6.0 mm和3.5 mm，說明爆破方案合理，新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響較小。

2）新建隧道爆破施工開挖區形成的掌子面會使得鄰近已建隧道的振動速度變大，離新建隧道爆破開挖區掌子面越遠，振動速度越小。

3）在同一斷面下，新建隧道爆破施工對已建隧道拱頂沉降位移的影響要比其拱底大。隨著監測點與爆破開挖區距離的增大，已建隧道拱頂沉降位移減小，拱底沉降位移增大。

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