隧道爆破作用下上方管道的特征分析

2021-01-11陈志明邓浩亮

湖南交通科技 2020年4期

陈志明, 邓浩亮

(湖南路桥建设集团有限责任公司, 湖南长沙 410004)

0 引言

我国交通运输体系的发展日新月异、人民群众的出行需求日益增长，为缓解地面交通堵塞和资源紧张的问题，涌现出越来越多的地下空间工程。目前国内山区的隧道修建主要采用钻爆法，不仅经济合理，且适用于各种复杂地质条件的地下空间工程中，但在方便隧道施工顺利进行的同时，也不可避免对周围环境造成破坏。所以在爆破施工前要特别注意爆破振动对周围构筑物的影响，避免对周围环境造成损害。尤其是爆破施工对管线周围岩土体产生的扰动极易形成管线周围土体的应力不均匀，导致地下管线自身的破坏[1-3]。

因此，在隧道修建过程中必须了解爆破振动对管线的影响，尽可能减轻不良影响，确保施工过程中管线的安全。目前，相关学者对于爆破振动下管线的动力响应特征主要采用数值分析结合现场监测的方法，并取得了一些成果。张坤等[4]利用数值分析软件得到了不同爆心距下地下管线的应力峰值；石杰红等[5]通过数值模拟软件得出预裂孔可有效降低爆破对管线的振动；张志强[6]依托西气东输二线工程总结出采用导爆管延时起爆技术和V型网络起爆技术，可防止爆破振动的叠加并有效减轻爆破振动所带来的扰动。梁向前等[7]分析了工程爆破施附近供水气管线的抗震特性，并结合现场爆破振动试验和施工监测，研究了爆破地震波的传播衰减规律和爆破振动对供水管线安全的影响。由此可见爆破振动对运输管线扰动是事实存在的，因此需要提前进行预测振动效应并及时采取相应措施，降低爆破振动影响。

以某隧道工程正下穿管道为背景，通过数值分析提前对爆破振动效应进行预测，着重分析了管线竖直方向和水平方向上的爆破振速分布规律，并对管线在爆破振动作用下的应力进行分析。对隧道钻爆施工的设计和实施进行指导。

1 工程概况

1.1 工程简介

某隧道总长962m，设计为双洞单向2车道，隧道进洞口位于丘陵坡麓，地形起伏大，表部覆盖较薄的含角砾粉质粘土。隧道洞身为残坡积、强风化 — 中风化岩体，裂隙较发育，岩质较硬，岩体破碎。地质参数如表1所示。隧道左右洞具有相似特征，隧道毛洞开挖宽度为16.8m，高度为8.6m，左右洞最大间距为16.59m，洞身大部分处于Ⅴ级围岩段。在隧道桩号约K7+100处，山顶上有新修建的管道，管径400mm，与本项目路线基本呈垂直交叉，距隧道拱顶垂直距离约34m，如图1所示。其中管线埋深为2m，管壁材料为具有高强度和高韧性的X70钢，参数见表2。据现场调查了解，该管道将不进行迁移，在该段位置施工时要需控制用药量，尽量降低隧道爆破施工对管道的影响。隧道开挖掘进时严格按照新奥法原理进行施工。

表1 隧道地质参数类型弹性模量/GPa重度/(kN·m-3)泊松比Vs/(km·s-1)粉质粘土0.0319.20.310.21强风化凝灰岩31.2022.10.290.54中风华凝灰岩32.5022.00.290.52

图1 隧道纵断面图

表2 管道参数类型弹性模量/GPa屈服强度/MPa泊松比管道2121960.28

1.2 施工方案

本隧道穿越管线段处于Ⅴ级围岩段，开挖时采用两台阶预留核心土法，每循环进尺为1m。上部弧形导坑以机械开挖和弱爆破为主，开挖后及时施作初期支护，再对预留核心土采用控制爆破，最后开挖剩余土体及时进行仰拱施作。施工流程如图2所示。施工时先对隧道进行超前加固，然后采用弱爆破法分部开挖，各部位开挖时周边轮廓应尽量圆顺，减少应力集中现象。

图2 施工顺序

隧道爆破的炮眼尽量采用不耦合装药结构或者间隔装药，以保证爆破质量和减震效果。不耦合装药是指炸药直径小于炮孔直径，炸药与炮孔壁之间留有间隙，以降低爆轰波作用在孔内壁上的初始压力，使孔壁不压缩破坏。本次爆破工程药卷直径为25mm，炮孔直径为42mm，最大段装药量为8.2kg。装药结构如图3所示。

图3 装药结构

2 爆破振动数值模拟

2.1 计算模型及参数

2.1.1模型的尺寸

采用非线性有限元程序LS-DYNA，针对爆破施工现场工程地质条件，在合理简化的基础上建立隧道-围岩-管道的三维空间实体有限元模型。采用LS-DYNA自带的高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN生成爆破地震波，计算分析得到隧道爆破开挖作用下爆破地震波在围岩中的传播规律和结构部位的速度、应力分布等动力响应特征。根据爆破动力响应研究的对象，模型分为管道和围岩(含隧道)2部分。考虑到爆破振动对围岩的扰动为3～4倍洞径，模型纵向尺寸取86m，依据管线与隧道空间交叉的位置以K7+100为中心前后共取70m。管线的埋深为2m，隧道顶部距离管线的高度为34m。数值模型如图4所示。

a) 三维模型图

b) 管道与隧道位置关系

2.1.2模型参数

隧道围岩采用的材料模型为MAT_PLASTIC_KINEMATIC，隧道围岩材料参数如表3所示。

表3 隧道围岩材料参数密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比切线模量/MPa19.20.030.311.122.131.20.2910.822.032.50.2915.0

炸药采用EOS_JWL状态方程模拟炸药爆轰过程中压力与比容的关系，方程体现了炸药做功能力：

(1)

其中，A、B、R1、R2、ω为方程材料参数；p为压力，Pa；V为相对体积；E为单位体积初始内能。数值模型中所使用的炸药材料与现场采用的岩石乳化炸药一致，其主要输入参数如表4所示。

表4 模型参数密度/(kg·m-3)A/GPaB/GPaR1R2ωE01 580178.83.114.651.210.32.25

管线为脆性材料,采用弹性和塑性2种斜率表示材料应力应变行为的双线性各向同性硬化模型[6]，管线参数如表5所示。

表5 管线参数密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa1 3002.410.381200

2.2 边界条件

所研究对象管道处于地下位置，假设管道周围一定范围内地基、坑洞等对研究对象无影响，管道处于无限且匀质的土壤内，由于模型大小有限，故在设定模型边界时，除模型上表面为自由面的之外，其它所有面均为非反射边界。为使管道、岩层和隧道等多种材料形成耦合，本模型采用ALE算法，炸药划分为Euler网格，管道和岩层划分为Lagrange网格，Lagrange和Euler网格之间通过定义CONSTRAINED＿LAGRANGE＿IN＿SOLID关键字实现流固耦合[8],对管道、炸药、隧道进行网格细化加密，隧道围岩网格相对稀疏，保证其应力应变的精确模拟。炸药和周边围岩采用8节点实体单元模拟，管道采用8节点板单元进行模拟，管道和围岩单元之间具有相同的节点。

2.3 计算结果与分析

2.3.1管线振速分析

隧道桩号K7+100为隧道和管线交叉中心处，选取K7+100(Y=0时)为研究对象，模拟了该位置管线的动力响应特性。定义X为垂直于隧道轴线方向，即横向；Y为隧道轴线方向，即纵向；Z为垂直于地表方向，即竖向，图5为断面测点分布。

图5 管线测点分布

表6为K7+100(Y=0)处测点的各个方向振速值。管道底部的峰值振速普遍比管道顶部侧对应点的峰值振速值大很多，管道左右两侧对应点的峰值振速值差别较小；且同一测点X、Y方向振速值比Z方向峰值振速值普遍小很多，因此，竖向振速作为主要的判别依据。图6为测点5各方向振速历程图。如图6所示，测点振速幅值均随着时间而逐渐衰减，衰减规律呈现先快后慢逐渐趋于平稳趋势，且测点5各个方向最大振速均未超过《爆破安全规程》所允许的安全范围3cm/s。