浅埋偏压小间距隧道爆破对既有隧道震动影响分析

2016-08-01贾亮

铁道勘察 2016年3期

关键词：进尺主应力震动

贾　亮

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原　030013)

浅埋偏压小间距隧道爆破对既有隧道震动影响分析

贾亮

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原030013)

摘要结合太兴线新风平岭隧道工程，应用有限元软件分析新建隧道不同爆破进尺施工时对临近隧道的动力响应，同时与既有隧道震速的实测数据进行对比。研究表明：现场量测速度值分布和数值计算的结果基本一致，最大值在迎爆侧边墙腰至拱脚范围内；确定既有隧道震动速度阈值为10.6 cm/s；爆破进尺越大，震速和应力越大，偏压侧出现的拉应力越大，破坏范围越大；由爆破引起的既有隧道结构最大主应力位于拱顶。

关键词爆破震动数值模拟现场监测震动速度

近些年，很多学者对小间距隧道爆破施工做了大量的研究工作，包括理论分析、模型试验、数值模拟及现场监测，并得到一些有益的结论[1-2]。例如，姚勇[3]、毕继红[4]和冯仲仁[5]等采用有限元方法，模拟计算分析了间距、埋置深度、施工工法等条件对小间距隧道爆破震动特性的影响。王春梅[2]和王新宇[6]等以相应隧道工程为背景，运用现场监控技术研究新建隧道爆破施工时保障既有隧道安全稳定的控制技术。在前人研究成果的基础上，以太兴铁路新风平岭隧道浅埋偏压小间距段为研究对象，采用有限元软件分析新建隧道爆破施工时临近隧道的动力响应，同时与既有隧道震动速度的实测数据进行对比，并据此提出可行的爆破减震技术和安全防护措施。

1工程概况

新风平岭隧道位于山西省古交市，地处剥蚀侵蚀中山区，地形起伏较大，冲沟发育，基岩裸露。岩体受节理切割，风化程度强，节理较为发育，围岩连续性差，围岩级别为Ⅲ～Ⅳ级。隧道里程DK48+510～DK48+643，是全长133 m的单线电气化铁路隧道，埋深约25 m，偏压严重，左侧与既有太岚线风平岭隧道平行，两隧道净距7.4 m。

2有限元数值分析

采用动力有限元法进行新建隧道爆破施工对既有隧道结构与围岩的影响分析，选取施工进尺为1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m五种计算工况。为减少边界效应的影响，左、右及下边界取5倍洞径的区域，上边界取至地面作为计算分析区域，并在有限元网格的边界上施加弹簧阻尼边界约束，采用1972年Lysmer和Wass提出的黏性边界，计算模型如图1所示。

图1　有限元模型

2.1计算参数的选取

计算采用共同变形理论，材料假定为线弹性。既有隧道衬砌混凝土确定为C20混凝土，围岩考虑Ⅲ级，其强度和容重根据规范取值。

基于众多学者的研究，本次计算假定在爆破荷载作用下衬砌的弹性模量提高25%，泊松比降低20%，围岩强度进行适当的提高，修正后的材料力学参数见表1。

表1　模型材料力学指标

定义黏性边界时，需要计算相应岩体在水平和竖直方向的阻尼，单位面积上的阻尼按公式(1)和公式(2)计算

P波：

(1)

S波：

(2)

式中，λ为体积弹性系数(MPa)，其表达式为

(3)

G为剪切弹性系数(MPa)，其表达式为

(4)

式中，E为弹性模量(MPa)；ν为泊松比。

经计算，Cp=10.77(MPa·s·m-1)；Cs=6.59(MPa·s·m-1)

2.2爆破震动荷载的确定

根据新风平岭隧道爆破时炸药的起爆顺序，将作用在结构上的爆破荷载简化为具有线性上升段和下降段的8个三角形荷载。各段爆破荷载的应力峰值Pmax采用公式(5)求解[7]

(5)

(6)

式中，Pmax为峰值压力的最大值/kPa；R为炮眼至荷载作用面的距离/m；Z为比例距离/(m/kg-3)；Q为炮眼装药量/kg。

爆破荷载的作用时间与炮眼装药量、围岩材料特性、岩石中质点到装药中心的距离以及炮眼半径等因素有关，它们之间的经验关系式为[8]

上升段时间

(7)

总作用时间

(8)

式中，K为岩石的体积压缩模量/105Pa；ν为岩石泊松比；Q为炮眼装药量/kg；K为质点到装药中心的距离与炮眼半径的比值。

Ⅲ级围岩进尺2 m时，爆破荷载峰值、加载和卸载时间计算结果见表2，时程函数关系曲线如图2所示。

表2　荷载计算峰值、加载和卸载时间

图2　爆破荷载时程曲线

2.3计算结果及分析

(1)衬砌表面震动速度

通过有限元分析，得出不同施工进尺工况下结构主要控制点的震速时程曲线，从中可以看出新建隧道爆破施工对既有隧道造成很大的影响，迎爆侧控制点的震速明显比背爆侧控制点的震速大很多，水平方向的震速远大于竖向震速。另一方面，既有隧道结构边墙部位的震速较大，而拱部和拱脚附近的震速均较少，最大震动速度点主要集中在墙腰至拱脚范围内。衬砌震动速度峰值主要集中在前4段，且第3、4段衰减较慢，衬砌震动速度随着爆破进尺的增加而不断增加。因此，为了降低爆破对既有隧道的影响，小间距隧道的爆破施工进尺应小于中夹岩柱的厚度。为了减少爆破对中夹岩柱的影响，建议小间距隧道爆破施工进尺不宜大于中夹岩柱厚度的1/4。

由图3、图4、图5及表3可知，随着震动速度的扩散，峰值有所衰减，当震动速度范围移动到既有隧道边墙时，衬砌震动速度达到峰值，然后由既有隧道边墙向拱顶和底板方向移动，最后向围岩边界方向衰减，直至为零。

图3　进尺2.0 m时隧道迎爆侧拱脚震速时程曲线

图4　进尺2.0 m时隧道迎爆侧边墙震速时程曲线

图5　震速云图

表3　不同爆破施工进尺质点最大震速　cm/s

(2)衬砌震动应力

由计算结果可知，爆破震动应力沿新建隧道工作面向周围传播，首先到达既有隧道迎爆侧边墙附近，由于应力波反射拉伸作用，产生较大的拉应力，而后拉应力迅速向拱顶和墙脚转移，随着应力波的传播和衰减，拉应力波传播到其背爆侧，既有隧道结构不再出现拉应力区，应力基本呈上下对称分布。爆破进尺越大，在偏压的右上方出现的拉应力越大，表现为拉破坏，破坏范围较大。

表4　既有隧道不同爆破进尺质点最大主应力峰值　MPa

表4为不同爆破施工进尺既有隧道结构质点最大主应力峰值，既有隧道在爆破荷载作用下，随着爆破进尺的增加，主应力总体上呈线性增大趋势。迎爆侧所承受的应力远高于背爆侧，迎爆侧拱顶和边墙脚部位受爆破冲积的影响最大，最大主应力主要集中在拱顶，而边墙附近的主应力较少。图6为既有隧道衬砌主应力与最大震速关系曲线，由图6可知，既有隧道衬砌最大震动速度与主应力具有良好的线性关系。回归分析方程如下：σ=0.162Vmax-0.016，将既有隧道衬砌混凝土抗拉强度带入上式，可得出控制最大爆破震动速度。经计算，既有隧道衬砌边墙的震动速度阈值为10.6 cm/s。

图6　不同爆破进尺既有隧道主应力与最大震速关系曲线

3既有隧道监测数据分析

施工采用楔形掏槽光面爆破，爆破施工进尺1.5 m，炮孔直径为φ42 mm，药卷规格为φ35 mm×200 mm，炸药主要为岩石粉状乳化炸药。掏槽眼间距60～75 cm，在其间梅花形设置减震空眼，周边眼间距40 cm，并在靠近既有隧道侧的周边眼间设置减震空眼，装药集中度0.1～0.2 kg/m，最大单响装药量为2.1 kg。

采用上述爆破参数进行爆破试验，在爆破试验中既有隧道的最大震速为5.22 cm/s，震速数据转化成震动波形如图7所示。由实测结果可知，现场量测速度峰值分布和数值计算的结果基本一致，最大速度峰值在迎爆侧边墙腰部至拱脚范围内，且两种情况所得的速度峰值差距很小。实际施工过程中，有少数几次爆破震速大于8 cm/s时，既有隧道的震动明显，隧道内二衬墙壁积灰震落，个别为防水而抹的水泥表皮有脱落现象，但隧道内的老裂缝没有明显发展趋势。综合分析确定，新风平岭隧道爆破施工时，既有隧道衬砌震动速度预警值为6 cm/s，报警值8 cm/s，控制值10 cm/s。