新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道襯砌強(qiáng)度的影響研究

胡 輝 陳 爽 郭啟翔 江親財(cái)

（1.核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330009；2.華東交通大學(xué),江西 南昌 330013）

0 引言

隨著我國(guó)隧道工程的發(fā)展，改擴(kuò)建項(xiàng)目逐漸增多，越來(lái)越多的隧道工程中出現(xiàn)新建隧道與既有隧道距離較近的情況。新建隧道爆破施工會(huì)對(duì)鄰近既有隧道襯砌的穩(wěn)定性和安全性造成不良影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新建隧道爆破施工對(duì)鄰近既有隧道的影響已有深入的研究，并總結(jié)出了一些成果。楊明宇等[1]研究了鄰近隧道爆破開挖對(duì)既有隧道影響及控制技術(shù)。謝全民[2]等人通過(guò)吸引子、Lyapunov 指數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)等核心參量計(jì)算，分析隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)混沌特征。劉冬等[3]基于原有隧道改擴(kuò)建拱頂塌腔段擴(kuò)建開挖，系統(tǒng)研究了多臨空面條件下巖體爆破振動(dòng)規(guī)律。羅志翔[4]等人根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)新建隧道爆破施工時(shí)臨近及相交隧道的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究，探討隧道間距對(duì)鄰近及相交隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響。張浩等[5]以康坂隧道工程為依托，基于該隧道與下方杭深高鐵溫福段東盛隧道的位置關(guān)系，分析爆破振動(dòng)對(duì)東盛隧道穩(wěn)定性的影響。張立人等[6]以翻壩高速公路寨子包隧道爆破施工為依托，進(jìn)行隧道爆破振動(dòng)測(cè)試分析，獲得爆破振動(dòng)規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式。吳躍光[7]為避免爆破對(duì)環(huán)境造成影響，采取增加雷管段位、延長(zhǎng)爆破時(shí)間、減少掏槽眼數(shù)量和裝藥量、減少同段裝藥量等優(yōu)化措施，達(dá)到降低爆破振動(dòng)速度的目的。郭偉平[8]基于下營(yíng)隧道工程現(xiàn)場(chǎng)爆破情況、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與爆破振動(dòng)速度，研究新建隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近既有隧道的影響。

本文采用有限元軟件ANSYS 模擬隧道爆破對(duì)鄰近既有隧道襯砌強(qiáng)度的影響，討論了相同隧道間距下，鄰近隧道爆破對(duì)既有隧道襯砌振速的影響范圍，以及振速最大值，提出實(shí)際施工中鄰近隧道的間距建議，對(duì)實(shí)際施工有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元數(shù)值模型的建立

1.1 模型尺寸的選取

使用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件建立三維傳統(tǒng)爆破模型和聚能爆破模型，兩種模型均由巖石、空氣和炸藥組成，為了簡(jiǎn)化模型，二次襯砌的材料參數(shù)也采用巖石，模型采用solid164 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，巖石使用Lagrange 單元，炸藥、空氣和混凝土使用ALE 單元，巖石、炸藥、空氣和混凝土之間定義流固耦合來(lái)模擬爆炸過(guò)程。模型的上下邊界以及左右邊界設(shè)置透射邊界條件。

由圣維南原理可知，當(dāng)有限元模型邊界是洞徑3～5倍時(shí)邊界效應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)[9]。模型整體如圖1 所示，模型尺寸選擇100m×80m×40m。隧道中點(diǎn)間距取21m。根據(jù)已有研究，隧道掘進(jìn)爆破引起的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度只與最大單段藥量有關(guān)，且主要由掏槽眼爆破引起[10]，本文設(shè)計(jì)的模型是將所有的炮孔藥量等效為一個(gè)炮孔，尺寸為70mm，進(jìn)尺3m，模型中的襯砌只考慮二襯材料，襯砌如圖2 所示。Ansys 軟件單位制為g、cm、μs。

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 隧道二襯簡(jiǎn)圖

1.2 模型參數(shù)的選擇

本數(shù)值模擬中巖石模型采用在爆炸問(wèn)題中能反映巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的HJC 本模型，關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)在LSDYNA 中選擇MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS，巖石材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石材料物理力學(xué)參數(shù)

炸藥模型關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)在LS-DYNA 中選擇MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，選擇狀態(tài)方程EOS_JWL來(lái)模擬爆炸過(guò)程。炸藥的性能參數(shù)主要為：密度ρ=1.52g/cm3，爆速D=0.67cm/μs，爆壓為PCJ=9.53GPa。其狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 乳化炸藥材料參數(shù)

1.3 邊界條件

用有限元軟件模擬炸藥在隧道內(nèi)爆炸時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，縮減計(jì)算機(jī)所需的算力，一般用有限的區(qū)域來(lái)描述無(wú)限大的地下空間，萊斯莫[11]提出在模型邊界上人為地施加阻尼分布力，使得爆炸產(chǎn)生的爆破應(yīng)力在傳到模型邊界上被全部吸收而不發(fā)生反射，所以在模型邊界上施加無(wú)反射邊界，來(lái)模擬無(wú)限大的地下空間。

2 不同斷面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)影響分析

選取既有隧道離掌子面平行位置前后各5個(gè)不同距離斷面上的不同位置作為分析點(diǎn)，提取既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)拱頂、左右拱腰、左右拱腳節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比分析。斷面位置如圖3所示，各個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖3 斷面位置

圖4 各個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)位置

2.1 拱頂位置的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律

掌子面前、后拱頂質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖5所示，掌子面前后拱頂振速峰值見表3所示。

表3 掌子面前、后拱頂振速峰值

圖5 掌子面前、后方拱頂質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

由圖5 和表3 可以得出掌子面前方拱頂振速最大值為3.2cm/s，后方拱頂振速最大值為3.7cm/s，且都隨著測(cè)點(diǎn)距離爆源距離的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

雖然振速都是隨著距離增加而減少，但掌子面后方的振速比前方相同距離的振速大且衰減速率也比前方要小。這說(shuō)明在既有隧道旁邊開挖隧道時(shí)，由于新建隧道已開挖的空洞，對(duì)爆破引起的振動(dòng)有良好的衰減作用，使得既有隧道受到爆破振動(dòng)的影響在掌子面后方比前方大。

2.2 拱腰位置的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律

掌子面前方左、右側(cè)拱腰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖6 所示，后方左、右側(cè)拱腰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖7所示。

圖6 前方左、右側(cè)拱腰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

圖7 后方左、右側(cè)拱腰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

由表4 可知，掌子面前方左拱腰振速最大值為8cm/s，右拱腰振速最大值為1.65cm/s；掌子面后方左拱腰振速最大值為8.3cm/s，右拱腰振速最大值為2.24cm/s，且都隨著測(cè)點(diǎn)距離爆源距離的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。且最大振速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂?shù)淖畲笳袼?，因此，相較于拱頂，拱腰受到爆破沖擊的影響更大。

雖然振速都是隨著距離增加而減少，但同一斷面左右兩側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有顯著的差距，這不僅僅是由于距離爆振源的距離增加了，還由于既有隧道中存在空洞，較大地削弱了振動(dòng)波的強(qiáng)度。因此在實(shí)際施工中更應(yīng)該關(guān)注靠近新開挖隧道一側(cè)的襯砌強(qiáng)度是否滿足要求。

2.3 拱腳位置的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律

前后左右側(cè)拱腳質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度見圖8、圖9，左、右側(cè)拱腳振速峰值見表5。

表5 左、右側(cè)拱腳振速峰值

圖8 前方左、右側(cè)拱腳質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

圖9 后方左、右側(cè)拱腳質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

由表5 可知，掌子面前方左、右拱腳振速最大值分別為6.3cm/s 和2.8cm/s；掌子面后方左、右拱腳振速最大值分別為7.5cm/s 和3.25cm/s，且都隨著測(cè)點(diǎn)距離爆源的距離增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

對(duì)比表3、表4、表5、表6可知拱腳的最大振速大于拱頂，小于拱腰，因此，在處理相關(guān)工程案例時(shí)要著重校核拱腰的襯砌強(qiáng)度，其次是拱腳，最后是拱頂。

雖然振速都是隨著距離增加而減少，但同一斷面左右兩側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有顯著的差距，這不僅僅是由于距離爆源的距離增加了，還由于既有隧道中存在空洞，較大地削弱了振動(dòng)波的強(qiáng)度。因此，在實(shí)際施工中更應(yīng)關(guān)注靠近新開挖隧道一側(cè)的襯砌強(qiáng)度是否滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)時(shí)間的鄰近隧道，在開挖新隧道之前要查明它的襯砌與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及圍巖狀態(tài)，特別是靠近新開挖隧道的一側(cè)，在進(jìn)行詳細(xì)的安全評(píng)價(jià)之后才能施工。

（2）從振速對(duì)比可以看出，既有隧道襯砌從距離爆源最近的1 號(hào)測(cè)點(diǎn)到5 號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)，拱腰衰減48.75%，拱頂衰減37.5%，拱腳衰減53.9%。所以拱腳處的影響范圍比拱腰要小。

（3）新開挖隧道對(duì)臨近既有隧道的拱腰影響最大，校核強(qiáng)度時(shí)要著重校核靠近新開挖隧道拱腰處的強(qiáng)度。