上軟下硬地層隧道開挖方法的研究

何萬平，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著機械法不斷發展和進步，已在隧道工程中得到成功應用。機械法主要適用于節理裂隙發育、強度小于20MPa的軟弱圍巖中，具有振動小、靈活性強等特點[1-2]。上軟下硬地層隧道近接既有結構施工，具有施工難度大、技術要求高和風險大等特點[3]。目前，針對上軟下硬復合地層隧道近接施工，常用的施工方法是鉆爆法和機械開挖法[3-6]。對于上軟下硬地層隧道近接施工，單獨采用機械法開挖，地層適應性差、效率無法保證，若單獨采用鉆爆法施工，爆破振動會對圍巖產生顯著的擾動。目前，上軟下硬地層隧道近接爆破施工減振方法，主要在起爆順序、藥量控制、掏槽眼數量、循環進尺、工法轉換和振動敏感性等方面進行優化[4-6]，采用鉆爆法和機械法聯合開挖以減小爆破振動的研究較少。

因此，依托某鐵路隧道近接既有高鐵線路的工程建設，對上軟下硬地層采用機械法和爆破法施工進行研究，探討兩種開挖方法綜合應用的施工效果。

1 模型建立及工況設置

1.1 工程簡介及施工方案

該鐵路隧道全長1 065m，為單線鐵路隧道，隧道最大埋深約52m。線路位于兩條高鐵線路之間，距既有線最小間距為38m。下伏基巖主要為侵入花崗巖，存在不均與風化程度，進出口60m范圍內主要為強風化花崗巖，中間段落均位于弱風化花崗巖區域，且存在明顯的上軟下硬地層。

該隧道主要以控制爆破開挖施工為主，以銑挖法掘進施工為輔，分段采取不同的施工方法，擬對進口40m和出口35m范圍采用機械開挖施工，其余段落采用機械和控爆相結合施工，主要施工方法為：(1)臺階法留核心土機械開挖；(2)臺階法上下斷面銑挖；(3)上斷面銑挖、下斷面控爆；(4)上下臺階法控爆等四種施工方法。

1.2 工況設置及計算模型

為研究上軟下硬地層中隧道采用機械爆破開挖的振動影響，設置2種工況(如表1)進行計算。兩種工況的模型和開挖示意如圖1、圖2所示。

施工順序：上臺階控制爆破開挖→上部施作初支→下臺階控制爆破開挖→施作二襯和仰拱。

表1 工況設置

圖1 上下臺階法爆破開挖示意

圖2 上臺階機械下臺階爆破

施工順序：上臺階機械法開挖→上部施作初支支護→下臺階控制爆破開挖→施作二襯和仰拱。

1.3 材料參數

彈塑性動力學模型由于其本構較為簡單，可較好地反應巖土體等材料的動力特性的同時可適當降低計算復雜程度。因此，巖石和二次襯砌、炮泥采用理想彈塑性動力學模型進行求解計算，各材料參數見表2。

模擬爆破施工的炸藥參數見表3。

表2 材料參數

表3 炸藥參數

計算模型采用軟件自身的空氣單元，空氣材料參數見表4。

表4 空氣參數

2 計算結果分析

如圖3所示，在模型中每隔10m設置地表監測點(-100～100m)，通過對地表的綜合振速、最大和最小主應力進行分析，明確隧道爆破施工產生的爆破振動對圍巖及周邊環境的影響程度。

圖3 監測點布置示意

2.1 綜合振速分析

如表5所示，提取各監測點的振速。

根據表5、圖4可得：采用上下臺階爆破開挖法施工時，所監測到綜合振速的最大值位于隧道正上方地表，最大值為2.134cm/s，采用上臺階機械開挖下臺階爆破的開挖方法時，最大值同樣出現在隧道正上方地表，最大值為1.12cm/s。兩種開挖方式相比較，上臺階機械開挖下臺階爆破的開挖方法的綜合振速最大值降低47.52 %。對比兩工況相同位置監測值，采用上臺階械開挖下臺階爆破的綜合振速全面降低，最大降幅為58.70 %。

2.2 最大主應力分析

如表6所示，提取各監測點的最大主應力。

根據表6、圖5可得：采用上下臺階爆破開挖法施工時，所監測到最大主應力的最大值位于隧道正上方地表，最大值為130.44kPa，采用上臺階械開挖下臺階爆破的開挖方法時，最大值同樣出現在隧道正上方地表，最大值為75.537kPa。兩種開挖方式相比較，上臺階械開挖下臺階爆破的開挖方法的最大主應力最大值降低42.09 %。對比兩工況相同位置監測值，上臺階機械開挖下臺階爆破的最大主應力值總體處于降低狀態，最大降幅為60.30 %。

表5 各工況下地表監測點振速

圖4 工況一、二綜合振速對比

圖5 工況一、二最大主應力對比

圖6 工況一、二最小主應力對比

表6 各工況下地表監測點最大主應力值

2.3 最小主應力分析

如表7所示，提取各監測點的最小主應力。

表7 各工況下地表監測點最小主應力值

根據表7、圖6可得：采用上下臺階爆破開挖法施工時，所監測到最小主應力的最大值位于隧道正上方地表，最大值為112.43kPa，采用上臺階機械開挖下臺階爆破的開挖方法時，最大值同樣出現在隧道正上方地表，最大值為68.496kPa。兩種開挖方式相比較，上臺階機械開挖下臺階爆破的開挖方法的最小主應力最大值降低39.08 %。對比兩工況相同位置監測值，上臺階機械開挖下臺階爆破的最小主應力值全面降低，最大降幅為57.83 %。

由圖4～圖6可知：在上軟下硬地層條件下，上部軟弱地層采用機械法開挖，避免爆破振動對地層的擾動，同時上臺階開挖后形成的區域可減弱下臺階硬巖爆破施工對圍巖的影響，綜合振速、最大主應力和最小主應力等指標均大幅度 降低；兩種開挖條件下，綜合振速、最大主應力和最小主應力總體上隨監測點與隧道中心線水平距離增加而減小，水平20m范圍內下降速率較快。

3 結論

本文通過LS-DYNA軟件，對上軟下硬地層中隧道采用機械法和爆破法施工進行計算分析，結論如下：

(1)與上下臺階爆破開挖相比，上臺階機械開挖下臺階爆破開挖的綜合振速、最大主應力和最小主應力最大降幅分別達47.52 %、42.09 %、39.08 %。

(2)兩種開挖方式下，綜合振速、最大主應力和最小主應力總體隨監測點與隧道中心線水平距離增加而減小，在水平20m范圍內下降速率較快。

(3)對比兩工況相同位置，上臺階機械開挖下臺階爆破的綜合振速、最大主應力及最小主應力值全面降低，最大降幅分別為58.70 %、60.30 %、57.83 %。