爆破隧道洞口段对高边坡的安全性影响研究

刘 帅

(中铁十八局集团 第四工程有限公司,天津 300350)

在建设铁路隧道过程中,开挖邻近边坡的稳定性是需要重点关注的问题。隧道洞口爆破会影响高边坡安全性,这主要是由于隧道段洞口处埋深较浅,在进行爆破时,高边坡容易发生因振动而出现滑坡、坍塌等危险情况[1]。业内学者针对洞口爆破时的影响研究较多,研究方向主要有3种[2-5]:1) 通过现场监测以及数值分析的方式对围岩边坡进行相应的安全性分析;2) 通过振动台模型对岩质边坡的位移、振速等进行模拟;3) 通过数值分析以及数值监测对安全系数、振速进行分析。而针对隧道段洞口处边坡安全性影响的研究目前较少,笔者以杭州经绍兴至台州铁路毛羊岭2#隧道工程为实例,对隧道段洞口处边坡安全性影响进行量化研究,同时设计相应的锚固方案并进行验证。

1 工程概况

杭州经绍兴至台州铁路毛羊岭2#隧道位于浙江省绍兴市新昌县双彩乡境内,起讫里程DK118+441—DK120+797,全长2356 m,隧道最大埋深约171 m。最小埋深57 m,主要包括洞口工程、开挖支护、系统防排水、二次衬砌、综合洞室、专用洞室等工程项目。毛羊岭2#隧道为单洞双线隧道,设计速度目标值为350 km/h,隧道建筑限界参照《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中规定的“高速铁路建筑限界内轮廓及基本尺寸”设计[6-7],轨面以上净空横断面面积不小于100 m2,隧道内线间距为5.0 m,设计的隧道衬砌如图1所示,隧道洞口边坡设计如图2所示。

图1 设计隧道衬砌示意图(单位:m)

图2 隧道洞口两侧边坡(单位:m)

图2中,两侧边坡为顺层灰岩边坡,主要为黏土以及节理发育的残积岩层。左右两侧设计的边坡为33°～38°的纵向倾角,坡度为45°。通过上下台阶的方式进行隧道施工。

2 爆破影响分析

2.1 模型构建及边界条件

模型构建采用的工具为Abaqus软件,结合实际地形进行三维模型的构建,构建后的模型如图3所示。图3中,X,Y,Z三个方向的长度值分别为200,150,120 m。围岩通过莫尔库伦模型进行模拟,支护采用的模型为均质弹性。依据刚度等效,将钢拱架的弹性模量等效为对应混凝土弹模量,等效后模型包含的单元总个数为15.68万个[8]。

建立模型之后,对爆破造成的影响进行特征值以及线性时程分析。当通过线性时程对模型进行分析时,需要进行黏性边界的定义,在具体实现上,可通过围岩三维方向的阻尼进行阻尼弹簧生成。施加爆破荷载的部分以及顶部设定自由边界,其余边界设定为黏性边界。设定的边界如图4所示。

图4 黏性边界设定示意图

当通过特征值进行边界设定时,需要对边界进行弹性边界的设定,通过曲面弹簧的生成实现。弹簧系数的求取依据对应围岩的地基反力[9]。设定的边界如图5所示。

图5 弹性边界设定示意图

模型构建中需要的支护以及围岩的物理参数如表1所示。

表1 支护以及围岩物理参数表

2.2 爆破荷载等效

隧道爆破洞口对应的爆破参数如表2所示。

表2 洞口爆破所需炸药参数

通过表2中的参数计算爆破时的荷载峰值,得到的荷载峰值为11.82 MPa。同时,将计算荷载等效为对应的三角形荷载,等效后的荷载曲线如图6所示。

图6 等效荷载曲线

加载爆破时间需要15 ms,爆破卸载时间需要100 ms。

2.3 模型结果分析

边坡测量后的测线如图7所示。图7中,A点至B点为边坡对应的坡脚线,A点至C点为边坡对应的洞口处的仰坡交线,C点至D点为边坡披肩线。

图7 测线图

在进行爆破开挖时,坡脚线对应的振速曲线如图8所示。图8中,随着边坡坡脚处的轴线深度值升高,边坡坡脚的振速越趋于稳定,其中振速相对较大的为水平振速,与竖向振速以及轴向振速相比,水平振速对总振速的影响更大。在实际施工中,应当将水平振速作为监测重点。

图8 坡脚线振速曲线

坡脚A点处的总振速时程曲线如图9所示。

图9 A点总振速曲线

图9中,总振速在15 ms时达到最大值;在15～120 ms时,振速波动幅度较大;在150 ms之后,整体振速趋于平稳。

坡肩线对应的振速曲线如图10所示。

图10 坡肩线振速曲线

图10中,在开挖时对于坡肩线来说,水平振速同样具有较大的影响,随着坡肩轴向深度的加深,在纵向深度为22 m时,振速逐渐趋于稳定。其中,轴向振速变化幅值相对最小。

坡肩C点处的总振速时程曲线如图11所示。

图11 C点总振速曲线

图11中,总振速在15 ms时达到最大值,在15～135 ms时振速波动幅度较大,在150 ms之后振速逐渐趋于稳定。

坡肩C点为坡肩线与仰坡交线的交叉点,在实际开挖过程中相对比较危险,应当重点进行关注,锚固时也应密切注意。仰坡交线的振速曲线如图12所示。

图12 仰坡交线振速曲线

图12中,仰坡交线振速曲线表示坡脚到坡肩斜向距离上的振速波动。边坡内侧斜向距离越大,也即越远离洞口开挖处时,边坡振速越小。其中,最大总振速点出现在坡脚A点,相较轴向振速以及竖向振速,水平振速相对更大,需要进行重点监测。

3 锚杆加固分析

锚杆加固时,采用的砂浆锚杆直径为32 mm,通过对不同长度的锚杆进行实验,以求取最合适的锚杆加固效果。针对边坡不同锚杆长度下的振速如图13所示。当锚杆长度小于14 m时,坡肩、坡脚的最大振速逐渐降低;当锚杆长度大于14 m,坡肩、坡脚的最大振速趋于稳定。

图13 不同锚杆长度的振速

同时,对不同锚杆长度进行坡脚位移的分析(图14)。当锚杆长度小于14 m时,坡脚水平、竖向的位移逐渐降低;当锚杆长度大于14 m时,坡脚水平、竖向位移趋于稳定,长度继续增加对坡脚位移影响并不明显。

图14 不同锚杆长度的坡脚位移

坡肩位移分析如图15所示。坡肩长度小于14 m时,对坡肩位移影响较大,随着锚杆长度的增大逐渐减小;坡肩位移大于14 mm时,坡肩位移逐渐稳定,锚杆长度继续增加对坡肩位移影响就越小。

图15 不同锚杆长度下的坡肩位移

在不同锚杆长度下,对边坡结构抗剪能力的安全系数进行分析(图16)。

图16 不同锚杆长度下的安全系数

图16中,随着锚杆长度的逐渐增加,对应边坡结构抗剪能力的安全系数也逐渐增加。其中,当安全系数不小于1.2时,边坡围岩能够保证稳定。当锚杆长度大于14 m时,安全系数增加不明显。因此,当锚杆长度为14 m时,能够最大程度地保证坡肩、坡脚的安全,同时能减小坡肩、坡脚振速以及位移的影响[10]。据此优化锚杆长度,对边坡进行锚固。同时将锚固后的测量值与模拟计算值进行对比,主要选取特征点为坡肩C点以及坡脚A点。对比结果如图17所示。

图17 特征点总振速对比

图17中,坡肩C点以及坡脚A点总振速实际检测值以及模拟计算值基本吻合,其振速峰值如表3所示[11]。

表3 特征点峰值对比

表3中,坡肩C点约定真值为1.49,坡脚A点约定真值为1.78。计算所得的相对误差最大为6.7%,符合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)规定,在工程允许范围之内[12]。

4 结 论

通过建立三维模型并进行量化分析,设计了相应的锚固方案。在对隧道段洞口处进行爆破过程中,振速最大的位置在边坡坡脚处,即该处的爆破影响最为明显。同时,在各振速分量对比中,水平振速相较轴向以及竖向振速具有更为明显的影响作用。通过将不同锚杆长度对边坡围岩抗剪结构的安全系数、位移及振速的影响进行对比可知,选择长度为14 m的锚杆最为合适。经过与实际监测值的对比验证可知,本工程设计方案在具体实施中相对误差较小,合理可行,能够保证工程安全。