隧道周围采石场机械开挖极限范围分析

赵玉荣

摘要：为了更好分析机械开挖的过程中对临近隧道的影响，选取距离隧道中线不同距离的横断面进行开挖分析，对比得到采石场开挖的极限范围。研究结果表明：在逐渐靠近隧道中线的右侧开挖过程中，隧道二衬拱顶上的拉应力值增大十分明显。开挖到距隧道中线30 m范围后，二衬上最大拉应力为1.42 MPa，同时，在开挖的过程中隧道拱脚、拱腰处的压应力逐渐增大，压应力的最大值为9.87 MPa，与C25混凝土的抗压强度设计值11.9 MPa差值为2.03 MPa。综合分析，K7+ 200里程处采石场机械开挖的极限范围距离隧道中线右侧42 m处，停止开挖才能保证隧道衬砌的整体承载力。

关键词：铁路隧道；爆破振动；数值计算；衬砌；极限范围

中图分类号：U25文献标志码：A

0引言

近些年国内外关于邻近隧道既有建筑物的爆破研究也取得了不错的进展。于建新等[1]以大跨径公路隧道近接已有小型隧道为施工背景，采用ANSYS/LS-DY？ NA动态分析近距离隧道爆破施工的力学影响，得到围岩等级的不同对靠近既有隧道的新建隧道一侧影响要明显大于对既有隧道的影响；罗志翔等[2]以照母山隧道为依托，结合现场动态爆破监测以及数值分析，着重对立体交叉隧道的安全性和稳定性进行研究，最终得到Ⅳ级围岩的合理爆破施工间距；徐叶勤等[3]利用武汉岩土所自主研发软件，分析爆破荷载在不同主应力方向、不同软弱夹层与隧道间距离、不同夹层倾角下对隧道稳定性的影响；吴波[4]对采用钻爆法施工的复杂地质情况下的隧道，利用LSPP数值模拟软件对爆破参数进行优化分析，得到了该段隧道最合适的爆破施工方案；吴亮等[5]以结构力学和弹性力学基本理论为基础，得到层状围岩在其迎爆侧的爆炸力学模型，并由此计算得到最危险点的位置。

为了保证采石场周围隧道的稳定性，采石场在停止爆破开挖后，可采取机械开挖的方式。选取里程 K1+200处的隧道横断面更好地分析采石场在后期机械开挖的过程中对临近隧道的影响。根据隧道的现场实际检测发现隧道二衬在上述分析的里程处，衬砌上分布着不同程度的裂缝，同时依据前面的爆破模拟分析，对隧道迎爆面侧衬砌的强度进行折减。

本论述利用有限元软件，研究分析采石场在停止爆破开挖的前提下，采用机械开采的极限范围，用AN？ SYS模拟所能开挖距离隧道中线的极限距离，为后续相关工程提供理论依据和参考。

1工程概况

某隧道设计全长3471 m。隧道整体围岩等级分级较为明确，其中III级围岩比例最大，大约占据整体隧道70%，其余30%均为IV级、V级围岩，隧道整体岩层状况一般，软弱围岩较多，某些地方大变形现象较严重。

在隧道大约D7+200标记处，有一座已经存在并且还在持续开采的采石场，采石场整体简化为一规则矩形，矩形长度约为70 m，宽度约为35 m，整体采矿区域面积大约2 500 m2。隧道所选取爆破点与矩形区域采石场直线距离大约为60 m，斜线距离大约为170 m。采石场与隧道实际位置图与两者之间的标记距离如图1所示。

2K7+200里程处采石场机械开挖极限范围分析

2.1模型的建立及参数选择

根据隧道设计平面图计算断面尺寸，选取高程点，建立模型。围岩选用多节点PLANE82单元进行模拟，对初衬根据其自身特性采用单节点PLANE82单元继续模拟，而对于二衬为突出其与初衬的不同选择PLANE42单元代替。模型如图2所示，将隧道设置在模型中间，模型的左边界距离隧道中心61.5 m，模型的右边界距离隧道72 m，其中爆破点的位置设定在隧道中心线右边60 m，其距离模型右边界12 m[6]。

（1）围岩。隧道穿越岩层为石英砂岩，设计为IV级围岩。围岩选用弹塑性材料模拟，具体参数见表1所列。

（2）初衬。隧道衬砌采用锚杆、挂网喷混凝土支护方式，用弹塑性材料模拟隧道初期支护。具体数据见表1所列。

（3）二衬。隧道衬砌在采石场爆破影响下，迎爆面侧二衬的承载力明显下降，因此采取对迎爆面侧衬砌物理力学参数进行折减，背爆面侧衬砌采用设计强度。具体数据见表1。

對模型水平X方向在-121.5～12范围内所有节点进行约束；选取Y=-10界面上的所有节点，约束其Y方向的位移。对整体模型施加重力加速度并首先平衡所有约束对其进行初始应力的求解，后续通过不断消除隧道中线右边一定范围内单元的方法，求得开挖的极限范围。

2.2初始应力结果

对迎爆面侧衬砌的强度进行折减，在建立有限元模型时，迎爆面侧衬砌中的二衬采用折减后的材料参数，背爆面侧的材料参数不变，仍采用原先设计值。初始应力下衬砌的最大与最小主应力的分布如图3、4所示。

在未进行开挖的时候，二衬在初始应力作用下，二衬的应力主要为压应力，如图3、4所示。对比图3、图4还可以发现，衬砌最大拉应力位置在拱顶偏右侧位置，其数值约为0.036 MPa，远小于《铁路隧道设计规范》中C25混凝土的标准抗拉强度设计值；而衬砌最大压应力发生在左侧拱脚处，其数值为8.49 MPa，较规范中C25混凝土标准抗压强度设计值的11.9 MPa小了3.41 MPa，并且衬砌左侧所受的压力值要明显大于衬砌右侧所受压力。

2.3开挖到距隧道中线42 m范围处二衬上的应力变化

当采石场停止爆破，采用机械开挖，研究可以开挖的极限范围。采用ANSYS中的生死单元法，通过杀死单元来模拟采石场采用机械开挖对隧道衬砌上应力的影响。

开挖到距隧道中线42 m范围处后，二衬上的拉应力值变化浮动特别大，在拱顶处的最大拉应力值为1.06 MPa，与C25混凝土抗拉强度设计值1.27 MPa的差值为0.21 MPa，如图5所示。

开挖到距隧道中线42 m范围处后，相较于初始应力求解后，隧道二衬左侧拱脚处的压应力最大值也处于增大趋势，从8.49 MPa增大到8.6 MPa，与C25混凝土的标准抗压强度设计值相差3.3 MPa，同时隧道二衬左侧和右侧拱腰处的压应力值均有所增大，左侧拱腰处的压应力仍较右侧拱腰的压应力大，如图6所示。

2.4开挖到距隧道中线30 m范围处二衬上的应力变化

在开挖到距隧道中线42 m范围处的基础上，继续应用ANSYS中生死单元法，通过进一步杀死单元的方法模拟开挖。

开挖到距隧道中线30 m范围后，二衬上的拉应力值又明显增大，最大拉应力仍然发生在拱顶，而最大拉应力值从最初的0.036 MPa增长到无法忽略的1.42 MPa，此时衬砌拱顶位置处拉应力已经超出了C25混凝土抗拉强度设计值1.27 MPa的值0.15 MPa，衬砌拱顶变得不安全，可能会出现开裂现象，如图7所示。同时由图8可知，开挖到距隧道中线30m范围后，隧道二衬左侧拱脚处的压应力最大值还是处于增大趋势，当开挖到距离隧道中线30 m时，最大压应力达到9.87MPa，较C25混凝土标准抗压强度设计值小2.03MPa，虽然压应力也在持续增大，不过仍处于安全状态。

同时隧道二衬左侧和右侧拱腰处的压应力值均有所增大，左侧拱腰处的压应力仍较右侧拱腰的压应力大。

3结论与建议

分析上述两次开挖结果，可以发现在逐渐靠近隧道中线的右侧开挖过程中，隧道二衬拱顶上的拉应力值增大十分明显，开挖到距隧道中线30 m范围后，虽然衬砌所受压应力还处于安全范围内，但是由于混凝土自身抗压性能好而抗拉性能差，衬砌所受拉应力已超出C25混凝土标准抗拉强度设计值，可见在上述的开挖范围中，隧道二衬上的拉应力已明显超出了其设计值，即隧道二衬拱顶上的承载力已超出了设计值。同时，可以发现，在开挖的过程中无论开挖到距离隧道中线多少距离，隧道拱脚、拱腰处的压应力都是随着开挖距离隧道中线越近，数值越大逐渐增大，衬砌所受最大压应力分布在隧道衬砌拱脚位置处，数值为9.87 MPa。

综合分析，在K7+200里程处采石场机械开挖的极限范围距离隧道中线右侧42 m处，停止开挖才能保证隧道衬砌的整体承载力。另外，文中采用的静力学与动力学结合的数值建模从而计算隧道二衬的最大最小主应力的方法，可为相关类似工程的研究提供一定的理论支持和参考。

参考文献：

[1]于建新，刘焕春，魏海霞，等.近邻隧道爆破施工相互动力影响研究[J].現代隧道技术，2019，56（6）：85-92.

[2]罗志翔，张敏超，钟祖良.空间交叉隧道爆破施工对邻近隧道结构影响研究[J].地下空间与工程学报，2018，14（S1）：205-213.

[3]徐叶勤，李梅，姚俊伟，等.爆破荷载对含软弱夹层隧道围岩稳定性和变形破坏特征的影响[J].爆破，2020，37（2）：35-41.

[4]吴波.层状砂岩层城市大断面公路隧道爆破施工优化研究[J].现代隧道技术，2020，57（3）：115-121.

[5]吴亮，李凤，卢文波，等.爆破扰动下邻近层状围岩隧道的稳定性与振速阈值[J].爆炸与冲击，2017，37（2）：208-214.

[6]王蕊，宋宏伟，樊人竞.建筑结构对隧道爆破的应力响应与稳定性研究[J].建筑技术，2017，48（11）：1170-1174.