平行导洞爆破扩挖对隧道围岩稳定性的影响研究

康欢欢

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074）

1 概述

隧道建设的耗资大、周期长，在加快我国铁路网建设的同时，越来越重视既有隧道设施的再利用，而我国在隧道扩挖方面还缺乏一定的施工经验。铁路隧道扩挖经常采用爆破施工，难度大、干扰因素多、安全风险高，隧道周边岩体直接影响隧道开挖以后的稳定性以及衬砌设计的强度，当隧道平行导洞爆破扩挖掘进施工时对隧道围岩稳定性影响较大，容易造成隧道失稳，甚至发生工程事故。本文依托实际工程研究平行导洞爆破扩挖形成隧道正洞，采用有限元数值模拟方法对平行导洞爆破扩挖过程的力学特征进行分析，确保施工的安全以及施工进度顺利，加强对施工过程的管理。

2 有限元数值模型的建立与分析过程

2.1 有限元计算模型建立

为了保证数值分析的准确性与实际状况的贴合度，所截取岩土体的尺寸根据其他岩土工程有限元分析研究进行取值：隧道开挖横向左右岩土体取开挖洞径的3 到5 倍、竖直向下岩土体取开挖洞高的3 至5 倍、竖直向上直至地表。参考上述标准，数值模拟计算模型尺寸定为60m×40m×80m。本文可采用一般的理想弹塑性模型，选用摩尔- 库伦（Mohr-Coulomb）本构作为弹塑性模型的本构关系，选取M-C 屈服准则作为材料屈服的判定准则。

计算模型的材料参数选取如表1 所示。

表1

2.2 数值模拟中爆破动力荷载的施加形式与参数确定

在涉及爆破开挖的有限元数值模型中，选取合理的爆破参数对于数值模拟的结果的准确性发挥着至关重要的作用。将爆破的动力看作是垂直作用在岩壁上的面压力，面压力的数值是一个随时间变化的脉冲函数。为了考虑结果准确性与计算简便性，合理选取爆破荷载非常重要。本文根据实际工程爆破情况，拟采用三角波形作为爆破荷载的添加形式来模拟爆破对围岩造成的影响；根据研究经验，确定模型中爆破的加载时长t加=10ms，卸载时长t卸=90ms，然后确定爆破荷载的峰值，根据荷载的时程函数最终确定爆载；确定爆破荷载后，将爆破荷载等效为面压力即可。在此过程中，尽量使得数值模拟参数的选取与实际情况相贴合，保证数值模拟的准确性。

2.3 爆破对隧道围岩稳定性的影响分析

为了保证便于分析，加入了相同围岩条件无平行导洞的对比模型（即全断面开挖正洞），建立隧道全断面开挖和平行导洞扩挖两种施工方法得有限元数值模型，进尺分别取1m、2m、3m，以此六种情况进行数值模拟，分析隧道在爆破荷载作用下，平行导洞的扩挖对爆破后围岩稳定性影响规律，为平行导洞爆破开挖形成正洞的施工方法的选择提供一定的理论支持。

表2 爆破作用下隧道开挖施工方案表

通过对三种不同开挖进尺情况下平行导洞爆破扩挖与全断面开挖过程进行有限元模拟计算，得到不同开挖进尺下隧道围岩在爆破作用下最大的位移数值并提取开挖岩体拱顶最大竖向位移、仰拱最大竖向位移、边墙最大横向位移。爆破荷载作用下各测点围岩的最大位移分析如下表所示：

表3 不同开挖进尺下拱顶竖向最大位移表（单位：mm）

表4 不同开挖进尺下仰拱竖向最大位移表（单位：mm）

表5 不同工况中左边墙水平横向最大位移表（单位：mm）

从上表的对比可以得出：

开挖进尺越大，爆破导致的位移值也越大，但是开挖进尺与围岩位移不呈明显的线性相关，开挖进尺从1m 增加到2m 时位移值变化最快，符合实际工程，即Ⅴ级围岩开挖进尺通常不大于1m。

不同测点的位移值在不同施工方法情况下稍有不同，爆破作用下围岩最大位移所呈现的规律为全断面开挖>平行导洞扩挖，即平行导洞的存在会减低隧道开挖时围岩的稳定性。

3 结论

综上所述，隧道既有平行导洞的爆破扩挖形成正洞的施工情况比较复杂，通过有限元数值模拟的方法研究平行导洞爆破扩挖对隧道围岩稳定性的影响规律，分析了隧道围岩在爆破作用下不同施工方法以及开挖进尺情况下隧道围岩的位移情况，得出以下结论：

隧道爆破时的开挖进尺对隧道围岩稳定性有较大影响。相较于1m 的开挖进尺，2m 和3m 的开挖进尺在爆破作用下使隧道围岩周边位移增大153.4%、201.0%，过大的开挖进尺会导致隧道发生工程事故。

爆破作用下隧道开挖断面边墙处围岩最大位移随施工方法不同变化较为敏感，表明隧道开挖面边墙受平行导洞影响较大，应加强隧道开挖面边墙处围岩的控制，合理对该处围岩进行加固处理。