基于FLAC3D软件分析爆破施工对既有砂岩隧道的影响

2020-03-01伍海龙梁家琴梁兴印李佳慧何丽珍潘德武

建筑施工 2020年9期

伍海龙梁家琴梁兴印黄琪李佳慧何丽珍潘德武蔡军,2

1. 贺州学院建筑与电气工程学院广西贺州 542899；2. 贺州筑梦瑶台数字文化创意内容制作有限责任公司广西贺州 542899

在现代城市建设中，地下空间的开发利用已成为重要的组成部分。地铁线路规划基本处于城市人口居住和商业密集区域，所以不可避免地会出现线路邻近等问题，在施工时面临的安全问题不可小觑[1-6]。隧道爆破施工产生的振动会造成邻近既有隧道衬砌开裂、剥落甚至坍塌等危及行车安全的现象[7-12]。本文将对新建广佛线隧道中的爆破施工进行分析与研究。

1 计算模型建立

1.1 工程地质概况

广佛线地铁隧道是中国国内首条跨越地级行政区的地铁线路，起于广州燕岗站，止于佛山新城东站，大致呈“厂字”走向。

广佛线在沙园站—燕岗站路段的新建隧道（里程ZDK24+869.5处），与已建的地铁8号线中的一段隧道紧邻且平行，两隧道之间的间距约为20.13 m，平行的隧道段长度为73.3 m。广佛线隧道上覆岩土层厚约17 m，隧道所处岩层为微风化砂岩层。经试验和相关资料查询，该隧道相关岩层的物理力学参数如表1所示。隧道衬砌结构的重度为22 kN/m3，弹性模量为25 000 MPa，泊松比为0.2，厚度为312 mm。

1.2 数值模型建立

本文依托的隧道工程洞跨约为6 m，在查阅相关资料后，为隧道建立数值计算模型来进行数值模拟动力分析。设定模型长度为隧道洞跨的8倍，隧道底部与模型底端距离为隧道洞跨的4倍，则此数值模型的长×高×宽尺寸为120 m×20 m×60 m，建立所得网格计算模型如图1所示。

表1 岩土体物理力学参数

图1 数值计算模型

在图1所示模型中，左隧道为已建成的地铁8号线隧道，右隧道为新建未开挖的广佛线隧道。为分析新建广佛线隧道在爆破施工时对已建地铁8号线隧道的影响，分别进行静力分析和动力分析。

在进行静力分析时，为方便计算，设置隧道计算模型前后左右的边界条件为水平约束，底部为固定端约束，模型上边界为自由边界，计算收敛准则为不平衡力比率小于10-5。在进行动力分析时，根据动力荷载加载时间来确定计算的动力时间，约为加载时间的10倍。

2 爆破荷载和监测点确定

2.1 模拟隧道爆破开挖过程

模拟过程主要通过以下3个步骤展开分析：第一，用重力应力场作为初始应力场进行初始应力平衡计算；第二，开挖新建隧道，将开挖的隧道设置空模型，利用摩尔-库仑准则描述岩土体的应力应变关系，进行静力计算分析；第三，在开挖的隧道洞室壁上施加爆破荷载，计算分析紧邻隧道拱顶和拱脚处的振动速度以及沉降位移等变化规律。

2.2 爆破荷载的施加

根据相关文献，隧道在爆破过程中的爆破荷载可简化为具有上升阶段和下降阶段的三角形线性荷载。根据隧道爆破荷载施加的加载时间公式，可确定本次隧道爆破过程中的荷载总时间。爆破荷载加载的上升阶段荷载时间为0.01 s，总的荷载时间为0.06 s，爆破荷载的最大值为26 MPa，荷载曲线如图2所示。

图2 爆破荷载加载曲线

2.3 监测点的布设

从隧道模型的前界面至隧道的后界面，每隔2 m在邻近已建地铁隧道的拱顶和拱脚处分别设置1个监测点，用来监测新建隧道在爆破施工过程中对其安全使用的影响。

3 分析与讨论

3.1 既有地铁隧道拱顶、拱脚的振动速度

利用FLAC3D软件模拟新建隧道在进行爆破施工时邻近已建地铁隧道的监测点振动速度，再与相关规范警戒值作比较，分析新建隧道爆破过程对邻近已建地铁隧道的影响，从而判断邻近已建隧道是否存在安全风险。数值模拟计算记录的拱顶和拱脚监测点振动速度如图3、图4所示。

图3 部分拱顶监测点的振动速度时程曲线

图4 拱脚、拱顶监测点的最大振动速度

由图3可以看出，监测点振动速度在开始爆破后的3.0×104步时达到最大峰值，然后由于阻尼、岩石介质特性等原因在极短时间内衰减，从3.5×104步时开始振动速度不再有较大的波动，趋向平缓直线直至衰减到最小。

由图4可以看出，已建地铁隧道拱顶与拱脚监测点之间的最大振动速度峰值均在15 cm/s以内，并且呈现同增同减的变化规律，这是因为已建地铁隧道拱顶和拱脚的监测点之间距离相差较小。新建隧道爆破施工时，其开挖时的掌子面与已建隧道监测点4处于同一截面，新建隧道在爆破时，会在已开挖区形成空洞放大效应，距离掌子面一定范围内已开挖区质点的振动速度要大于未开挖区的振动速度。所以邻近已建隧道的监测点4旁边的监测点1、2、3、5的振动速度远大于其他监测点的振动速度，并且在监测点3处达到峰值。由于在爆破施工中存在衰减效应，即监测点振动速度会随爆源距离的增大而出现递减的现象，所以监测点3—1，监测点5—11的振动速度均为逐渐递减趋势。

本次隧道爆破施加的爆破荷载（26 MPa）引起的邻近已建地铁隧道拱脚、拱顶监测点最大振动速度分别为6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于GB 6722—2014《爆破安全规程》规定的交通隧道安全振动速度15 cm/s的标准值，说明本次新建隧道爆破施工对邻近已建隧道的影响较小，可以认为本次隧道爆破方案可行、爆破参数合理。

3.2 既有地铁隧道拱顶、拱脚的沉降位移

判断隧道是否存在安全风险的另一个判据为隧道拱顶、拱脚沉降是否超过相关规范的警戒值。在进行数值模拟计算分析时，记录的既有地铁隧道拱顶、拱脚的沉降位移变化规律如图5所示。

图5 拱顶、拱脚监测点沉降位移变化规律

由图5可知，在新建隧道爆破施工时，邻近已建隧道拱底和拱顶监测点的沉降位移变化规律不一样，拱顶监测点的沉降位移从监测点1开始呈现下降的趋势，沉降位移随着监测点与爆破开挖区距离的增大而不断减小。而拱底在监测点1—6之间，沉降位移随着监测点与爆破开挖区距离的增大而不断增大，而后从拱底监测点7开始呈现缓慢的下降趋势。拱顶监测点沉降位移最大值为6.0 mm，拱底监测点沉降位移最大值为3.5 mm，拱顶和拱底的沉降量均在允许范围之内（警戒值30 mm）。

在监测点8之前，已建隧道拱顶监测点的沉降位移都要比拱底监测点的沉降位移大，差值在监测点1时达到最大，为4 mm。在监测点8后，已建隧道拱顶和拱底监测点的沉降位移差值逐渐变小。由此可以看出，在同一截面中，邻近已建隧道拱顶监测点的沉降位移受到新建隧道爆破施工时的影响要比拱底监测点的沉降位移大，并且在监测点距离新建隧道爆破开挖区最近时达到最大值。随着已建隧道监测点与新建隧道爆破开挖区的距离不断增大，拱顶监测点与拱底监测点之间的沉降位移差值逐渐变小。

综上所述，新建隧道在爆破开挖过程中，施加的爆破荷载在26 MPa范围内时，对邻近既有地铁隧道的安全影响较小。同时，要加强对隧道拱顶位置的监测。

4 结语

本文通过FLAC3D软件建立数值模型，模拟新建隧道爆破施工对邻近已建隧道的影响，得出结论如下：

1）本次试验算得的新建隧道爆破荷载（26 MPa）引起的邻近已建隧道拱底、拱顶监测点最大振动速度分别为6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于15 cm/s的标准值。邻近已建隧道的拱底、拱顶最大沉降位移分别为6.0 mm和3.5 mm，说明爆破方案合理，新建隧道爆破施工对邻近已建隧道的影响较小。

2）新建隧道爆破施工开挖区形成的掌子面会使得邻近已建隧道的振动速度变大，离新建隧道爆破开挖区掌子面越远，振动速度越小。

3）在同一断面下，新建隧道爆破施工对已建隧道拱顶沉降位移的影响要比其拱底大。随着监测点与爆破开挖区距离的增大，已建隧道拱顶沉降位移减小，拱底沉降位移增大。