引水隧道爆破施工對臨近公路邊坡影響淺析

魏 雯

福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108

0 引言

隨著國家“十三五”計(jì)劃的進(jìn)行，促進(jìn)了我國大量的道路交通、礦山、水利、城建等工程建設(shè)。在工程建設(shè)過程中涉及到大量隧道施工問題，而爆破是現(xiàn)代隧道工程開挖最主要的施工方法之一［1-3］。

吳燕開等［4］通過某采石廠礦石爆破工程，研究了爆炸引起臨近巖石的振動(dòng)效應(yīng)，得出高邊坡在爆破作用下的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)衰減規(guī)律。鄭明新等［5］采用最小二乘法進(jìn)行了監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析，研究得到單段爆破的最大裝藥量。陳江［6］通過某大斷面公路隧道洞口段爆破開挖工程，分析了洞口爆破對臨近邊坡穩(wěn)定性的影響。熊文林［7］分析不同工況下邊坡的剪應(yīng)變增量變化及塑性區(qū)破壞情況，探討了邊坡的穩(wěn)定性問題。陸廣亮［8］研究某隧道施工爆破對洞頂臨近既有邊坡的振動(dòng)效應(yīng)。

爆破振動(dòng)影響邊坡巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)高邊坡力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜性，進(jìn)一步放大爆破所產(chǎn)生的的高程效應(yīng)［9-11］。本文在既有研究的基礎(chǔ)上，以福州市某引水隧道工程為研究背景，選取典型斷面研究隧道爆破對既有邊坡的振動(dòng)影響，供類似工程參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

本文依托福州市某引水隧道下穿高速公路高邊坡工程。交叉處引水隧道樁號為DH5+108，交叉角度約84°，高速公路路面高程38.75m，引水隧道交叉點(diǎn)隧道中心高程6.99m，隧道洞頂高程8.59m，上覆巖體厚30.16m，埋深約9.4 倍的引水隧道洞徑。引水隧道橫斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 引水隧道建筑限界及凈空斷面圖（mm）

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

隧道區(qū)屬丘陵山地，隧道后段山體低矮，主要發(fā)育近南北向展布的沖溝，沖溝及兩側(cè)多基巖裸露。隧道區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象以巖體風(fēng)化、卸荷裂隙發(fā)育和崩塌堆積為主，局部沖溝口及陡崖下可見孤滾石崩塌堆積，厚度1～4m，主要為大孤石、碎石為主。

引水隧道沿線分布的地層主要為侏羅系南園組第三段流紋英安質(zhì)晶屑凝灰熔巖，屬堅(jiān)硬巖類。隧道出口段有少量燕山早期第三次侵入中粒含黑云母花崗巖。交叉段隧道圍巖巖性為弱風(fēng)化中粒含黑云母花崗巖，巖石致密堅(jiān)硬，圍巖為Ⅱ級圍巖。

2 模型建立

2.1 建立有限元模型

本文采用Midas GTS NX 數(shù)值分析軟件三維模擬引水隧道爆破施工對臨近公路邊坡的振動(dòng)影響。

為減小邊界效應(yīng)影響，提高數(shù)值分析的精確性，隧道橫向應(yīng)選取3～5 倍的洞徑。綜合考慮后，最終模型范圍X 向選取150m，Y 向170m，Z 向147m。模型示意圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖

2.2 參數(shù)選取

計(jì)算分析中，圍巖材料假定為均質(zhì)、各向同性材料，本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型，采用四面體實(shí)體單元，屈服條件采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。

隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性定義為彈性材料，采用三角形板單元模擬。圍巖材料參數(shù)根據(jù)該工程巖土勘察報(bào)告和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)選取。各圍巖材料物理參數(shù)如表1 所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件

地表設(shè)置為自由邊界，其余邊界面均施加了粘彈性邊界，采用曲面彈簧定義。按《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》建議的Ⅱ級圍巖將各面法向基床系數(shù)作為圍巖彈性抗力系數(shù)，切向基床系數(shù)取值為零。經(jīng)結(jié)構(gòu)特征值分析，計(jì)算得到第1，2 振型周期值各為：0.8847021s，0.5008572s。

2.4 分析工況

為了分析引水隧道爆破對臨近邊坡的影響，分別在臨近兩側(cè)邊坡位置共設(shè)計(jì)7 種工況，各工況起爆位置如圖3 所示。隧道開挖方法為上下臺(tái)階法，單段最大爆破裝藥量為9.6kg。本次分析擬在模型上施加爆破沖擊時(shí)程荷載，通過調(diào)整不同爆破位置，得到各工況下公路邊坡的振動(dòng)速度和應(yīng)力結(jié)果。

圖3 典型爆破點(diǎn)平面分布圖

爆破荷載采用美國National Highway Institute里提及的計(jì)算分析公式，每1kg 炸藥爆破壓力為：

式中，Pdet 為爆破壓力（kPa）；Ve：為爆破速度（cm/s）；ρ 為炸藥比重（g/cm3）；PB 為孔壁面上壓力（kPa）；dc 為火藥直徑；dh 為孔眼直徑。

現(xiàn)實(shí)中爆破壓力作用于孔壁上是隨時(shí)間變化的，滿足指數(shù)型時(shí)間滯后函數(shù)分布規(guī)律。依據(jù)現(xiàn)有研究與工程實(shí)踐，本文擬采用的時(shí)程動(dòng)壓力公式如下：

式中，B=163.38，為荷載常量。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在不同工況下，采用時(shí)程分析法計(jì)算引水隧道爆破施工對既有公路邊坡的影響，主要從振動(dòng)速度和邊坡應(yīng)力兩方面進(jìn)行探討。

3.1 邊坡振動(dòng)速度分析

通過各工況計(jì)算對比分析，工況2 爆破后沈海高速公路南側(cè)高邊坡的爆破振動(dòng)速度最大，為0.79cm/s。分析爆破振動(dòng)速度規(guī)律可知，隧道爆破引起邊坡同一縱斷面的振速，隨著距離的增加，振速不斷衰減。

3.2 應(yīng)力結(jié)果

各工況爆破后，公路邊坡最大主應(yīng)力為0.14MPa，最大剪應(yīng)力為0.02MPa，小于M7.5 砂漿的抗剪和抗拉強(qiáng)度，說明在引水隧道爆破作業(yè)下，邊坡漿砌片石開裂脫落、掉塊的危險(xiǎn)較小。

4 現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

為了分析引水隧道爆破施工對臨近公路邊坡的影響，實(shí)際爆破施工過程中在邊坡及路基處布設(shè)了若干振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)。從監(jiān)測結(jié)果中選取對應(yīng)計(jì)算工況的爆破數(shù)據(jù)來看，最大振動(dòng)速度為0.82cm/s，如圖4 所示。

振動(dòng)效應(yīng)受復(fù)雜的地質(zhì)條件影響較大，實(shí)際監(jiān)測振速略高于計(jì)算分析值，計(jì)算值相對于實(shí)際監(jiān)測值變化約4%，且振動(dòng)速度變化趨勢大致相同，能較好的模擬實(shí)際振動(dòng)規(guī)律。

圖4 各工況下監(jiān)測的最大振動(dòng)速度（南側(cè)邊坡）（cm/s）

5 爆破施工控制措施

通過上述計(jì)算分析可知，引水隧道進(jìn)行爆破施工開挖后對既有公路邊坡有一定振動(dòng)影響。為防止因爆破產(chǎn)生的邊坡滾石、漿砌片石脫落以及爆破過程中振動(dòng)對駕駛?cè)藛T的影響，應(yīng)做好相關(guān)防護(hù)措施。

一是為了防止滑石和滾石在爆破時(shí)侵入公路行車限界，影響行車安全應(yīng)設(shè)置排架。在既有邊坡臺(tái)階處設(shè)置排架，鋼管底端采用錨桿和山體固定。

二是合理安排爆破作業(yè)時(shí)間。爆破作業(yè)過程中還有車輛運(yùn)行時(shí)，應(yīng)提前做好交通警示牌和聲音播報(bào)告知經(jīng)過車輛，讓車輛駕駛員做好心理準(zhǔn)備前方有爆破施工作業(yè)，必要的話實(shí)行短時(shí)間的交通管制。

6 結(jié)論

本文采用Midas 有限元軟件分析引水隧道爆破對臨近公路邊坡的影響，得出如下結(jié)論：

（1）在單段最大爆破裝藥量9.59kg 施工作業(yè)下，邊坡在所有工況中的最大振速0.79cm/s，對于實(shí)際監(jiān)測值變化約4%，能較好的模擬實(shí)際振動(dòng)規(guī)律；隧道爆破引起邊坡同一縱斷面的振速，隨著距離的增加，振速不斷衰減；

（2）邊坡最大主應(yīng)力為0.14MPa，最大剪應(yīng)力為0.02MPa，小于M7.5 砂漿的強(qiáng)度，說明在引水隧道爆破作業(yè)下，邊坡漿砌片石開裂脫落、掉塊的危險(xiǎn)較小。

（3）為了確保邊坡以的安全，在引水隧道爆破施工作業(yè)時(shí)，采取相關(guān)防護(hù)體系措施以及合理的安排爆破作業(yè)時(shí)間，保證車輛的安全運(yùn)行。