爆破振动效应对既有铁路隧道运营的影响分析

2011-07-30王宏祥

铁道建筑 2011年8期

关键词：主应力云图加速度

王宏祥

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

在既有铁路隧道附近进行爆破作业，进行复线隧道或边坡开挖施工，对既有铁路的运营形成一定的安全隐患。国内许多专家和学者对既有铁路隧道附近的施工做了大量的分析和研究［1-7］。

本文以某铁路隧道旁的山体开挖为研究对象(开挖宽度为30.0 m，开挖的最大高度12.7 m，水平最近距离约40.0～48.0 m)，按照浅孔爆破进行开挖，研究爆破开挖振动效应对铁路隧道的安全运营所产生的影响。

1 岩土特性及计算模型

岩土材料的本构关系呈非线性，其计算非常复杂。大量实践表明，基于弹塑性理论的有限元分析，其结果足以满足工程需要。

岩体塑性屈服准则选用莫尔(O．Mohr)—库仑(C．Coulomb)准则，即

式中，σ1表示最大主应力，σ3表示最小主应力，c表示黏聚力。

目前，在岩土工程领域内，采用通用的商业有限元程序(如 ANSYS、ABAQUS)，可以很好地进行岩土工程的分析。

选取最不利断面进行有限元计算，用以分析坡体开挖对已建隧道的影响。根据有限元分析要求，模型左边界与隧道距离约取为2倍洞径，隧道右边界距离边坡开挖点为40 m，整个开挖体长度为30 m，具体见图1。

图1 计算模型几何尺寸示意(单位:m)

根据所提供的地质资料，山体岩石为钾长花岗岩，块状构造，弱风化，岩体较完整，为Ⅱ类和Ⅲ类围岩，隧道混凝土衬砌为C35混凝土。围岩与隧道结构的计算参数如表1所示。

表1 混凝土及岩体材料计算参数

计算荷载考虑重力荷载和地应力的作用，并考虑隧道的施工过程引起的地应力重分布。隧道混凝土作为弹性材料计算，岩体按弹塑性材料计算。

2 爆破振动对隧道影响分析

大规模的山体开挖范围大通常采用浅孔爆破或硐室爆破开挖。爆破产生的振动效应对隧道的影响主要是爆破振动波高频成分起着强烈作用(最高频率100 Hz)，且作用持续时间较短。爆破作业对既有线隧道的破坏以高频波破坏为主。

2.1 爆破振动速度的经验公式分析

爆破对临近构造物的影响采用振动速度和振动频率两个指标［8］。爆破振动速度采用萨道夫斯基推荐的经验公式:

式中，v为爆破振动速度(cm/s);Q为爆破最大装药量(kg);R为爆破中心至构造物距离(m);K为介质系数，依据经验和地质特征本研究取155;a为振动衰减系数，依据地质特征取1.5。

尽管规范给出交通隧道的安全振动速度限值:10～20 cm/s［9］，但对高速运行的列车并不适用。查阅相关研究文献，取允许的安全振动速度为2.0 cm/s。

依据确定的参数，计算爆破在隧道附近产生的振动速度如表2所示。

表2 不同装药量下隧道附近的振动速度

从表2可以看出，即使采用最小的用药量Q=300 kg，最远的距离48 m，振动速度仍为7.8 cm/s，超过文献研究所推荐的2.0 cm/s。因此，边坡浅孔爆破或硐室爆破开挖对铁路隧道的正常运营存在安全隐患。

2.2 爆破振动的动力有限元分析

进一步分析爆破的地震效应对隧道里列车安全运营所产生的影响，建立动力有限元模型，进行分析。

通用有限元软件ABAQUS和ANSYS都可完成爆破的振动响应动力分析。尤其ANSYS的LS-DYNA模块具有高度的非线性分析功能，可以模拟爆炸和冲击等高度非线性动力作用。

爆破振动分析的动力有限元模型分别采用ABAQUS建立平面动力有限元模型和ANSYS建立空间动力有限元模型，进行数值分析。所建立的有限元模型如图2、图3。

图2 ABAQUS有限元模型

图3 ANSYS有限元模型

2.2.1 ABAQUS平面动力有限元分析

ABAQUS平面动力有限元分析将700 kg炸药的爆破荷载代替为相当的地震荷载［10］，其中选定的加速度时程曲线如图4所示。

图4 爆破振动相当加速度时程曲线

ABAQUS具体计算采用隐式积分动力分析。爆破后的隧道变形如图5所示。

图5 爆破后(0.4 s)的隧道变形

从图5可以看出，实施爆破以后，爆炸应力波向围岩中传播，对隧道形成向山体内部的挤压受力状态。

爆破后的水平位移云图如图6所示。

图6 爆破后(0.4 s)的水平位移云图

从图6可以看出，爆破后的0.4 s，位移最大值发生在炸药爆破处，达到35.4 cm，在隧道附近的位移量值约0.2～2.9 mm。显然爆破对隧道的位移还是存在一定影响，最大位移值2.9 mm对隧道结构存在一定安全风险，需严格控制。

爆破荷载引起的最大主应力云图、最小主应力云图如图7～图8所示。

图7 爆破后(0.4 s)的最大主应力云图

图8 爆破后(0.4 s)的最小主应力云图

从图7可知，爆破0.4 s后，最大主应力拉应力的最大值为1.22 MPa，位于边坡开挖的斜坡处。最大主应力压应力的最大值为1.24 MPa，出现于隧道的右下角。

从图8可知，爆破0.4 s后，最小主应力拉应力的最大值为0.65 MPa，位于斜坡坡脚处。最小主应力压应力的最大值为7.83 MPa，位于靠近斜坡处。

显然隧道的结构受力状态仍然在弹性范围内，且主应力值较小，对隧道的安全可以接受。

有限元分析结果表明，爆破振动引起的隧道振动速度在0.37 s时最大，其中右拱腰、拱顶和左拱脚的水平振动速度时程曲线如图9～图11所示。

图9 右拱腰水平速度时程曲线

图10 拱顶水平速度时程曲线

图11 左拱腰水平速度时程曲线

从图9～图11可以看出，在爆破后0.37 s，右拱腰水平速度达到最大值13.7 cm/s，拱顶水平速度达到最大值 10.3 cm/s，左拱腰水平速度达到最大值9.2 cm/s，方向均朝X负方向。这与表2的计算结果一致，该振动速度不能保证列车的安全运营。

爆破产生的振动加速度以右拱腰为例，如图12所示。

我国铁路规范规定列车通过时，结构物的横向振动加速度不应超过1.0 m/s2。从图12可知，爆破后0.250 s，右拱腰水平加速度达到负的最大值0.70 m/s2。爆破后0.125 s，右拱腰水平加速度达到正的最大值0.46 m/s2。振动加速度虽＜1.00 m/s2，但不排除对列车的运营存在安全隐患。

2.2.2 ANSYS空间动力有限元分析

空间结构的动力有限元分析，要考虑计算效率，在单元的选择上应予以考虑。由于衬砌混凝土在爆破时仍处于弹性阶段，选择Solid45弹性实体单元，岩石选择Solid65弹塑性单元，炸药选择 Targe169单元。爆破后0.32 s时隧道的变形如图13所示。