基坑開挖爆破對臨近地鐵隧道影響研究

李 娟

(重慶市市政設計研究院，重慶 400020)

如今，城市化進程逐漸加快，基礎設施的建設也越來越受到重視。在實際工程建設中，在既有的建(構)筑物附近修建新的工程在所難免，比如在既有的隧道附近開挖基坑，需要確保既有隧道工程安全及運營安全，要綜合考慮進行基坑開挖設計與施工。

目前，臨近既有隧道進行基坑開挖，眾多學者進行了大量的研究，也形成了一定的研究成果。比如，吳敏慧等[1]通過實際的現場監測，分析了TRD工法在杭州某臨近地鐵車站深基坑工程中的應用；張治國等[2]考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產生的影響，提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法；肖同剛[3]根據隧道變形監測數據，就基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響進行了分析；周丁恒[4]以某臨近地鐵車站和區間隧道的深基坑為研究對象，對施工順序進行優化組合，提出了加強墊層、增設型鋼支撐、隔離樁及加固、施工荷載控制等控制措施；許俊超[5]利用有限元分析軟件，對臨近地鐵深基坑的開挖及支護進行了數值模擬，分析了地鐵隧道的沉降及變形影響，提出了合理的保護措施。

可以看出，在臨近既有隧道基坑的研究方面，主要集中在變形分析方法、施工方法、監測等方面，對于基坑開挖爆破對臨近隧道的影響研究鮮有成果出現。本文以重慶某臨近既有隧道基坑開挖爆破為實際工程背景，采用數值分析方法，分析爆破荷載對隧道的支護錨桿及襯砌結構的受力特性影響，所得結論可為該工程提供參考，也可為相關的技術人員以及類似工程提供有益借鑒。

1 有限元模型

1.1 工程地質概況

根據地質勘查報告，上覆土層為少量第四系全新統人工填土和殘坡積層，下伏巖層主要為侏羅系中統沙溪廟組粉砂巖、泥巖及砂巖，砂巖居多，且該層的分布較為連續穩定。

該工程為臨近既有隧道基坑爆破開挖，模型平面見圖1。模型平面尺寸大致為65 m×50 m，既有地鐵隧道為多心圓結構，直徑約為5.1 m，隧道距離基坑底部約為10 m，距離右側的直線距離為8.5 m。

圖1 模型剖面(單位:m)

1.2 計算模型

采用FLAC3D有限元分析軟件進行建模，模型尺寸為65 m×50 m×50 m。為簡化分析，突出主要問題，將砂巖層作為模型土體建立的主要對象，采用摩爾-庫倫本構模型。沿隧道軸向取50 m的長度建立三維有限元模型(圖2)。

圖2 三維有限元模型

靜力計算分析時，在模型左側、前側、后側設置水平約束，底部設置水平和豎向約束，在分析中不考慮排水固結影響；靜力部分完成計算動力部分時，將位移場與速度場清零，模型的右側面與頂面設置為自由邊界，其余設置為粘滯(不反射)邊界。

為便于計算分析，選取隧道二次襯砌結構輪廓線一些特征點(圖3)。

圖3 隧道周邊特征點示意

根據依托工程的實際開挖情況，本次深基坑爆破開挖對臨近既有隧道的動力影響計算過程分以下步驟：

第一步：建立模型并劃分網格，平衡初始地應力；

第二步：開挖隧道，并使用內置結構單元加上隧道的襯砌與錨桿；

第三步：開挖基坑的第一級臺階，并平衡地應力；

（1）顯著降低水稻各部位稻米中鎘和砷的含量且提升稻米產量。（2）有利于酸性鎘污染土壤改良和鎘/砷在水稻根表的吸附固定，可抑制鎘和砷向水稻內部遷移。

第四步：開挖基坑的第二級臺階，并平衡地應力；

第五步：將位移場與速度場清零，并在第二級臺階上下高3 m的位置輸入爆破動荷載，觀察隧道襯砌與錨桿的動力響應情況。上述各步開挖模型如圖4所示。

圖4 各步開挖模型示意

1.3 材料參數

混凝土為C30，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2。鋼筋混凝土密度取2.5 g/cm3。襯砌及錨桿在模型計算過程中直接選用FLAC3D內部的結構單元進行簡化模擬。錨桿各方向間距為1 m，為了方便觀測不同深度錨桿的軸力差異，段數取3段。

1.4 動荷載

在FLAC3D動力計算中，動力荷載輸入可以采用加速度時程、速度時程、位移時程、應力時程4種方式。若采用粘滯邊界條件，則必須輸入速度時程進行分析。由于此次沒有直接采集爆破臺階炮孔位置的振動數據，取規則的正弦波，頻率為25 Hz，速度為35 cm/s，方向沿著X軸負方向，振動總時長為0.3 s。

2 結果分析

采用數值模擬方法，結合開挖要求，主要從錨桿軸力、隧道襯砌結構振動速度、隧道襯砌結構應力等方面進行分析。

2.1 錨桿軸力分析

模擬分析發現，爆破荷載作用下，在極短的時間內，隧道錨桿單元軸力迅速增大，錨桿單元總體軸力分布如圖5所示。

圖5 錨桿單元軸力分布

取各根錨桿中軸力的峰值繪制在隧道結構線外側(圖6)。分析發現，在爆破荷載作用下，既有隧道錨桿單元的軸力分布有以下規律：

圖6 各錨桿軸力峰值(單位：kN)

(1)整體來看，右側隧道(迎爆)各位置錨桿軸力相對左側(背爆)較大，說明爆破荷載對迎爆側的影響要大于背爆側。

(3)從錨桿單元軸力分布圖可以看出，錨桿軸力并非呈現均勻分布，在桿件中部軸力最大，沿著軸向向兩端逐漸減小。

2.2 隧道襯砌結構振動速度分析

本次動力部分計算模擬的動荷載加載位置基本位于兩條既有隧道的斜上方。在爆破開荷載影響下，兩條隧道襯砌的不同節點位置必然會受到影響。

圖7、圖8給出了不同襯砌特征點編號的振動速度變化曲線?？梢钥闯?，受到爆破荷載影響時，各襯砌節點的X方向振動速度變化最為明顯，其次為Z方向振動速度，而Y方向振動速度最小，幾乎可以忽略不計，且迎爆側各節點的三向速度峰值也比背爆側各節點要大，其中迎爆側各節點X方向振動速度峰值約為10.2 cm/s，而背爆側各節點X方向振動速度峰值約為8.3 cm/s。

圖7 左側隧道襯砌節點三向振速峰值變化

圖8 右側隧道襯砌節點三向振速峰值變化

2.3 隧道襯砌結構應力分析

既有隧道的襯砌結構，在爆破地震波的作用下會發生復雜的動力響應，襯砌混凝土由于要承受壓縮波、拉伸波的反復作用，其內部應力也會隨著地震波的作用時而受壓、時而受拉。襯砌結構單元的應力大小與其在空間的位置分布有關。

圖9給出了右側隧道各襯砌特征點的壓應力變化曲線。在爆破地震波影響下，隧道襯砌結構單元的應力變化因空間位置的不同而出現較大差異，壓應力與拉應力峰值的差別也較大。迎爆側單元的動壓應力峰值明顯大于其他位置的峰值，其中，最大的為位于迎爆側拱腳處的15號單元，從動壓應力方面來說，在一次爆破過程中，迎爆側拱腳位置在整個既有隧道襯砌結構中最不利。

圖9 右側隧道襯砌各點最大壓應力峰值

背爆側與仰拱處的結構單元的動壓力峰值均較小，位于仰拱處的單元的動壓應力峰值變化很小，基本在0.4～0.5 MPa左右，而隧道中墻位置處的12號單元的動壓應力峰值在所有單元中最小，只有0.23 MPa。

在單元的最大主(拉)應力時間歷程曲線中，與動壓應力峰值相比，動拉應力值峰值要小得多，然而由于混凝土結構的抗壓強度要比抗拉強度大很多，所以依然有必要對動拉應力進行分析。圖10給出了右側隧道各節點的拉應力變化曲線，可以看出，15號節點受到拉應力最大，即拱腳處受到影響最大。

圖10 右側隧道襯砌各點最大拉應力峰值

3 結論

以某臨近既有隧道基坑爆破開挖為實際工程背景，采用有限元數值計算方法，對爆破荷載作用下隧道錨桿軸力、襯砌結構振動速度及襯砌結構應力進行分析，可以得到以下主要結論：

(1)迎爆側隧道錨桿所受軸力要大于背爆側隧道錨桿，表明爆破荷載對迎爆側隧道錨桿影響較大；錨桿中部軸力最大，向兩端逐漸減少。

(2)迎爆側和背爆側隧道錨桿的軸力變化規律相似，主要體現為拱頂處軸力最大，拱腳處軸力最小，最大軸力約為6.78 kN。

(3)爆破荷載作用下，不同方向的襯砌節點振動速度差異較大。X方向振動速度變化最為明顯，其次為Z方向振動速度，而Y方向振動速度最小。

(4)迎爆側拱腳位置動壓應力和拉應力均最大，表明在整個既有隧道襯砌結構中拱腳位置最不利。