小凈距隧道爆破對加固既有隧道震動影響數值模擬研究

李萍萍

（楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100）

王光勇通過建立模型，分析了全長粘結錨桿在平面爆炸應力波作用下的加固洞室抗爆性能。在文獻[1]中，對弁山隧道軟弱破碎圍巖的加固效果進行了數值模擬，模擬數據表明，拱圈和隧道底板應進行綜合加固，重點監測拱腳位置。在文獻[2]中，利用LS-DYNA3D軟件進行數值模擬，研究了襯砌加固洞室在爆炸荷載作用下的抗爆加固效果及襯砌參數對抗爆加固效果的影響規律。文獻[3]為了深入了解水平旋噴樁的圍巖預加固效果的機理，借助三維彈塑性有限元模型，結合工程案例，對水平旋噴樁在隧道開挖變形時的加固情況進行了分析，模擬的數據表明，采用旋噴樁可使隧道拱頂和最大地面沉降降低約50%，洞周塑性面積也大大縮小。文獻[4]采用抗爆模型，研究了集中裝藥爆炸應力波作用下拱頂端加密錨桿支護隧道的抗爆效果。王光勇利用LS-DYNA3D軟件研究了集中裝藥爆炸應力波作用下錨桿動載響應及加固機理。在文獻[5]中，通過測試預應力錨索的抗爆性能，分析了爆炸對預應力錨索自應力的影響，得出了不同預應力錨索使用時預應力錨索自應力的變化規律。

1 工程概況

本文主要研究新建隧道爆破時，既有隧道的加固措施，以實際工程為依托，進行有限元計算，通過等效計算分析不同間距的鋼拱架作用。

在工程中，在DK80+354—DK80+391，在既有隧道襯砌背面用鉆孔注入M30水泥砂漿進行加固，鉆孔直徑為50 mm，徑向間距為2.5 m，縱向間距為5.0 m，梅花型布置，鉆孔深度通過二次襯砌，注漿壓力不大于0.5 MPa。為了保證施工安全，對該段既有線采用了I16鋼拱加固，鋼拱間距為1榀/m。

2 模型的建立

本章主要基于ANSYS/LS-DYNA有限元程序，采用了空間三維數值模型來模擬新建隧道在爆破時既有隧道最大主拉應力和既有隧道邊墻X方向位移。

在既有隧道鋼拱架加固等效數值模擬過程中，有限元模型尺寸為75 m×42 m×35 m，整體有限元模型如圖1所示。有限元模型的6個邊界采用無反射邊界，模型的底部采用三向約束。在有限元模型中，圍巖采用實體單元solid181，襯砌采用殼體單元shell163。在計算模型中，采用共用節點法對圍巖、炸藥、堵塞段和空氣段進行網格劃分。模型坐標X與新建隧道邊墻垂直，Z對應新建隧道軸向，Y垂直X軸與Z軸形成的平面。

圖1 鋼拱架等效加固，有限元模型

3 鋼拱架等效加固模擬結果分析

3.1 應力分析

本文選取了既有隧道不同鋼拱架間距（見表1）進行等效加固數值模擬，分析不同間距的鋼拱架等效加固對既有隧道的影響。表中S代表鋼拱架的間距。通過ANSYS/LS-DYNA有限元的數值模擬分析可得，在新建隧道爆破開挖過程中，既有隧道襯砌的最大主拉應力發生在拱頂與邊墻的聯接處，即在此處最容易發生受拉破壞，最大主拉應力時程曲線如圖2所示。

表1 鋼拱架間距分類

通過圖2的數值分析，數據列于表2。

表2 最大主拉應力數據

圖2 既有隧道最大主拉應力時程曲線

通過圖2的分析可知，最大主拉應力都為正值，在既有隧道最大主拉應力時程曲線圖上，首先出現一段直線，值為0，這是因為爆源與監測點有一定的距離，爆破產生的爆炸波需要一定的時間傳到監測點的位置，所以最大主拉應力要經過幾毫秒才會出現，在所有的既有隧道最大主拉應力時程曲線圖中，過5 ms不久將出現最大主拉應力的最大值。

由表2分析可知，既有隧道的襯砌彈性模量為1.5×1010Pa時，既有隧道襯砌最大的主拉應力為0.41 MPa；既有隧道不采用鋼拱架加固時，既有隧道最大的主拉應力為0.556 MPa；既有隧道鋼拱架間距取5 m時，既有隧道最大的主拉應力為0.563 MPa；既有隧道加固鋼拱架間距取2 m時，既有隧道出現最大的主拉應力為0.573 MPa。從分析可得，隨鋼拱架間距的減小，也就是彈性模量的增大，既有隧道襯砌最大的主拉應力逐漸變大，但是增大的幅度不是很高。

3.2 位移分析

通過數值模擬分析可得，在新建隧道的爆破荷載作用下，既有隧道襯砌上的X方向的最大位移出現在迎爆側的直墻上。既有隧道邊墻X方向的位移時程曲線如圖3所示。

通過圖3的數值分析，數據列于表3。

圖3 既有隧道邊墻X方向位移時程曲線

表3 最大位移數據

通過圖3的分析可知，在既有隧道邊墻X方向位移時程曲線圖上，先出現一段直線，值為0，這是因為爆源與監測點有一定的距離，爆破產生的爆炸波需要一定的時間傳到監測點的位置，所以位移要經過幾毫秒才會出現。

由表3分析可知，當既有隧道襯砌的彈性模量取1.5×1010Pa時，在爆破荷載作用下，既有隧道襯砌上的X方向的最大位移為0.076 6 mm；當既有隧道不采用鋼拱架加固時，既有隧道的襯砌上的X方向的最大位移為0.066 3 mm；當既有隧道鋼拱架間距取5m時，既有隧道襯砌上的X方向的最大位移為0.067mm；當既有線鋼拱架間距為2m時，其襯砌上的X方向的最大位移為0.0678 mm。從分析可得，當既有隧道襯砌的彈性模量較小時，隨著彈性模量的增大，X方向的最大位移逐漸變小，當彈性模量達到一定程度時，隨著彈性模量的增大，X方向的最大位移逐漸變大，說明既有隧道襯砌的彈性模量在一定的范圍內時，抗爆加固效果明顯，等超過一定范圍時，隨著彈性模量的增大，抗爆效果不太明顯。當既有隧道襯砌彈性模量小于一定值時，鋼拱架加固可以提高隧道的抗爆效果，當既有隧道本身的彈性模量大于某個值時，鋼拱架加固不僅會增加工程造價，而且抗爆效果不明顯，甚至會增加位移，也就是說一味地增加鋼拱架和減小鋼拱架的間距抗爆效果并不明顯，甚至引起反效果。

通過以上所有的分析可知，當既有隧道襯砌的彈性模量為23 GPa左右時，襯砌的位移量最小，同時振速、主拉應力和主壓應力也不是很大，此時的抗爆效果最好，所以對于既有隧道襯砌的彈性模量小于該值的可以通過增加鋼拱架或適當減小鋼拱架的間距，以提高既有隧道襯砌的彈性模量，達到最佳抗爆效果；當既有隧道襯砌的彈性模量高于該值的時候，就不需要進行鋼拱架加固了。

4 結論

通過LS-DYNA3D程序數值分析，得到在新建隧道爆炸荷載的作用下襯砌加固的既有隧道的抗爆加固效果及襯砌參數對抗爆加固效果的影響規律。

通過既有隧道鋼拱架加固的分析可知既有隧道的位移的最大值出現在邊墻上，主拉應力和出現在拱頂和邊墻的聯結處；既有隧道主拉應力隨著既有隧道襯砌彈性模量的增大而逐漸增大；當彈性模量不大于某個值時，隨著彈性模量的增大，及鋼拱架間距的減小和增加鋼拱架，抗爆加固效果有所提高，但當彈性模量增大到一定值時，再增加襯砌的彈性模量，及減小鋼拱架的間距和增加鋼拱架，其抗爆加固效果反而不佳。當既有隧道襯砌的彈性模量為23 GPa左右時，襯砌的位移量最小，同時主拉應力也不是很大，此時的抗爆效果最好。