連拱隧道控制爆破施工技術(shù)及其數(shù)值模擬

鄒興林

(中交一公局第四工程有限公司，南寧 530033)

1 工程概況

百樓1#隧道為連拱曲線形隧道，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道。設(shè)計(jì)采用三心圓形式，隧道凈空尺寸(寬×高)為12 m×5 m，長度290 m，起止樁號為K12+775～K13+065，進(jìn)、出口洞門均為端墻式。隧道穿越地層較為復(fù)雜,大多為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，巖體較破碎，[BQ]最大240，屬軟巖隧道。該隧道區(qū)屬低山淺切割地貌，地形地貌變化較大；隧址區(qū)出露地層巖性為三疊系中統(tǒng)板納組(T2b)泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r及三疊系下統(tǒng)(T1)泥灰?guī)r、灰?guī)r及砂質(zhì)頁巖等。地質(zhì)情況復(fù)雜主要表現(xiàn)為滑坡、不穩(wěn)定斜坡、巖體裂隙較為發(fā)育，風(fēng)化破碎較為嚴(yán)重[1]。

為了使百樓1#隧道與連接桂黔兩省的紅水河特大橋精確對接，經(jīng)專家評審，設(shè)計(jì)隧道中墻為1.2 m的小尺寸中隔墻結(jié)構(gòu)，但是《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004規(guī)定[2]，兩車道連拱隧道設(shè)計(jì)為整體式中墻時(shí)，中墻厚度不宜小于1.4 m。為此，采用ANSYS軟件對隧道進(jìn)行靜力學(xué)分析及沖擊動(dòng)力學(xué)分析，對比分析1.2 m及1.4 m中墻厚度的隧道變形及應(yīng)力分布情況，進(jìn)而以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保隧道安全開挖[3]。

2 靜力學(xué)模型建立

2.1 靜力學(xué)模型及材料參數(shù)

為了模擬隧道開挖、襯砌完成后，不同中墻厚度尺寸的隧道在自重應(yīng)力條件下的應(yīng)力分布及中墻變形情況，采用Ansys workbench程序軟件，通過確定材料參數(shù)、構(gòu)建幾何模型、網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置、遞交計(jì)算、結(jié)果后處理分析等步驟，分別建立了中墻厚度1.2、1.4 m，長度為20 m、典型埋深30 m的連拱隧道幾何模型，其中隧道中墻為1.2 m時(shí)的靜力學(xué)模型如圖1所示。為了方便建模、網(wǎng)格劃分及節(jié)約計(jì)算求解時(shí)間，隧道上覆巖體簡化為矩形結(jié)構(gòu)。

圖1 中墻厚度1.2 m的連拱隧道靜力學(xué)模型Fig.1 Static model of multi-arch tunnel with 1.2 m middle wall thickness

巖體材料采用密度、各向同性材料模型中的彈性模量及泊松比表征，其中巖體密度為2 690 kg/m3，彈性模量1.8 GPa，泊松比0.34；鋼筋混凝土模型采用密度、各向同性材料模型中的彈性模量及泊松比、極限抗拉強(qiáng)度、極限抗壓強(qiáng)度表征，其中密度為2 400 kg/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.2，極限抗拉強(qiáng)度2 MPa，極限抗壓強(qiáng)度20 MPa。該連拱隧道靜力學(xué)分析模型的荷載，采用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度進(jìn)行施加，即巖體、二襯及中墻的自重應(yīng)力。模型底部采用固定約束，模型左右兩側(cè)采用法向位移約束。

2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

分別對中墻厚度為1.2 m及1.4 m的靜力學(xué)分析模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對比分析了兩種不同中墻厚度尺寸的隧道工況應(yīng)力場分布(見圖2)及中墻變形位移情況(見圖3)。

圖2 連拱隧道應(yīng)力場云圖Fig.2 Stress field nephogram of multi-arch tunnel

圖3 連拱隧道中墻位移云圖Fig.3 Displacement nephogram of middle wall of multi-arch tunnel

由圖2可以看出，1.2 m和1.4 m中墻結(jié)構(gòu)的連拱隧道最大主應(yīng)力，均出現(xiàn)在隧道邊墻中部位置，其中1.2 m中墻厚度的隧道邊墻結(jié)構(gòu)點(diǎn)最大主應(yīng)力為18.568 MPa，1.4 m中墻厚度的隧道邊墻結(jié)構(gòu)點(diǎn)最大主應(yīng)力為18.343 MPa；由圖3可以看出，1.2 m中墻厚度的隧道中墻的最大位移為2.241 6 mm，1.4 m中墻厚度的隧道中墻的最位移為2.241 08 mm，位移變形部位集中在中墻頂部位置[4]。

國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，連拱隧道中墻厚度不宜小于1.4 m，但受紅水河特大橋?qū)映叽缦拗?，設(shè)計(jì)中墻厚度為1.2 m，經(jīng)上述數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，得出了1.2 m厚度中墻的變形及最大主應(yīng)力對于中墻厚度為1.4 m的相對偏大，但其變形及應(yīng)力分布均在安全范圍內(nèi)，該施工方案可行。

3 連拱隧道控制爆破施工工藝

該連拱隧道進(jìn)口端為已建成的紅水河特大橋，在施工開挖總體上要求采用嚴(yán)格的控制爆破開挖技術(shù)，否則不得實(shí)施爆破開挖，所以采取從出口端進(jìn)洞，小導(dǎo)洞出洞的單向掘進(jìn)方案施工。為了最大限度地保護(hù)周邊巖體的完整性，同時(shí)減少超挖量，提高初期支護(hù)的承載能力以及對已建構(gòu)造物的保護(hù)，整座連拱隧道段采用“單側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞”開挖法。中導(dǎo)洞先行，中導(dǎo)洞完全貫通后，中墻及中導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，才開始進(jìn)行左、右主洞的施工作業(yè)。施工中保證初期支護(hù)，及時(shí)落底封閉，以確保初期支護(hù)的承載能力，爆破作業(yè)時(shí)嚴(yán)禁以中導(dǎo)洞方向作為自由面進(jìn)行掏槽[5]，采用多打孔、少裝藥的爆破方式。

3.1 中導(dǎo)洞爆破參數(shù)

為了保證在較為破碎的地質(zhì)條件下，安全、高效地承建該連拱隧道，根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，先在巖體地質(zhì)較好地段的中導(dǎo)洞采用新奧法開挖，在充分利用巖體自承能力的基礎(chǔ)上，及時(shí)對已開挖段進(jìn)行合理噴漿支護(hù)。經(jīng)過大量的爆破試驗(yàn)，得出了效果較好的中導(dǎo)洞爆破參數(shù)，其炮孔布置如圖4所示。

圖4 中導(dǎo)洞炮孔布置Fig.4 Drilling hole arrangement of middle pilot tunnel

根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)與施工》[6]巷道掘進(jìn)爆破中的相關(guān)內(nèi)容，中導(dǎo)洞所需布置炮孔數(shù)量可按照式(1)進(jìn)行估算。

(1)

式中：q為炸藥單耗，kg/m3；S為巷道掘進(jìn)斷面面積，m2；η為炮孔利用率；m為單個(gè)藥包裝藥長度，m；G為單個(gè)藥包質(zhì)量，kg；α為炮孔裝藥系數(shù)，當(dāng)藥卷直徑為32 mm時(shí)，取0.6。

經(jīng)過計(jì)算，該中導(dǎo)洞掘進(jìn)斷面面積為60 m2，估算炮孔數(shù)為137 個(gè)。

取炮孔直徑為40 mm，藥卷直徑32 mm。采用兩級楔形掏槽，掏槽孔孔深4 m，孔距65 cm，排距50 cm；兩側(cè)輔助孔孔深3.5 m，孔距70 cm，頂部輔助孔孔距120 cm，排距65 cm，下導(dǎo)洞輔助孔孔距80 cm，排距75 cm；周邊光面孔孔距40 cm。采用MS1段、MS3段、MS5段、MS7段、MS9段、MS11段雷管進(jìn)行分段起爆，按照“先掏槽、后輔助、最后周邊”的起爆順序進(jìn)行組網(wǎng)[7-8]，中導(dǎo)洞全斷面爆破炮孔總數(shù)為149 個(gè)，實(shí)際比估計(jì)炮孔(137 個(gè))多布置12 個(gè)孔，以保證爆破效果。

3.2 左、右主洞爆破參數(shù)

中導(dǎo)洞貫穿后，待中隔墻養(yǎng)護(hù)達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，開始采用三級楔形掏槽形式，進(jìn)行左、右主洞的開挖，掏槽孔孔深3.5 m，孔距70 cm，排距60 cm；上導(dǎo)洞近周邊孔的輔助孔孔距為100 cm，排距70 cm，下排孔距120 cm；下導(dǎo)洞輔助孔孔距為100 cm，排距 90 cm；光面孔孔距40 cm。為了保護(hù)已開挖的中導(dǎo)洞及中隔墻，爆破網(wǎng)路連接時(shí)禁止將中導(dǎo)洞方向作為爆破自由面，采用MS1段、MS3段、MS5段、MS7段、MS9段、MS11段延時(shí)雷管進(jìn)行分段組網(wǎng)起爆，靠近中導(dǎo)洞方向采用高段位雷管[8]，主洞爆破參數(shù)及炮孔布置如圖5所示。

圖5 右主洞炮孔布置 Fig.5 The layout of the right maintunnel drilling holes

根據(jù)多次試爆，左、右主洞光爆層采用連續(xù)裝藥方式，超挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重，減弱裝藥后又出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象。為了控制主洞爆破的超、欠挖現(xiàn)象，改善爆破效果，在工期較為緊張沒有充足時(shí)間進(jìn)行大量爆破試驗(yàn)的情況下，采用Ansys ls-dyna數(shù)值模擬的方法，對該隧道巖體條件下的光面爆破，建立數(shù)值模擬簡化模型，從而得出合理的光爆參數(shù)。

4 光面爆破模型

為了對比分析不同裝藥條件下巖體的光面爆破過程及效果，采用LS-DYNA軟件，對光面爆破進(jìn)行幾何模型建立、關(guān)鍵字修改、遞交計(jì)算以及結(jié)果后處理等分析過程。在主洞光爆層的數(shù)值模擬中，由于涉及隧道巖體、乳化炸藥及空氣等相關(guān)材料，加上硬件條件限制，大體積三維光面爆破的模型建立及計(jì)算需要大量時(shí)間及成本，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間及成本，采用簡化模型進(jìn)行分析處理。巖石、乳化炸藥及空氣采用共節(jié)點(diǎn)建模，模型上部采用自由邊界，兩側(cè)及后側(cè)與空氣接觸的面選用無反射邊界，底部采用法向約束。

4.1 幾何模型

建立了光面孔連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、間隔裝藥結(jié)構(gòu)的幾何模型，其中間隔裝藥模型分別建立了間隔距離為30、50 、70 cm不同裝藥形式的數(shù)值模擬模型，其余參數(shù)與主洞設(shè)計(jì)參數(shù)相同。

4.2 材料模型及狀態(tài)方程

1)炸藥采用2號巖石乳化炸藥，在LS-DYNA材料庫中選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，炸藥起爆后的狀態(tài)方程采用*EOS_JWL表征，其JWL狀態(tài)方程[9]為

(2)

式中：P、V為由炸藥JWL方程所決定的壓力及體積；E0為炸藥的初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω為炸藥JWL狀態(tài)方程常量，其取值如表1所示。

表1 乳化炸藥計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculating parameters of emulsion explosive

2)巖石本構(gòu)模型。在光爆層的數(shù)值模擬中，巖石的材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC表征，添加*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字用于度量巖石的破壞及失效結(jié)果。采用其地質(zhì)勘察報(bào)告中的參數(shù)表征其物理力學(xué)參數(shù)，巖石的密度為2 690 kg/m3，楊氏模量為1.80 GPa，泊松比為0.34，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為20.8 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為0.25 MPa。

空氣采用材料庫中的*MAT_NULL進(jìn)行描述，其狀態(tài)參數(shù)用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL空氣狀態(tài)方程多項(xiàng)式表征。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

不同裝藥形式時(shí)，百樓1#隧道巖體條件下的光面爆破效果如圖6所示，采用連續(xù)裝藥的方式(見圖6a)，超挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且爆破作業(yè)后對周圍巖體損傷較大。采用間隔裝藥形式進(jìn)行光面爆破時(shí)，爆破作業(yè)對圍巖的損傷及擾動(dòng)較小，可以有效的控制超挖現(xiàn)象，當(dāng)間隔距離為30 cm時(shí)，超挖現(xiàn)象得到一定的控制(見圖6b)，但爆破作業(yè)對圍巖損傷仍然較大；當(dāng)增大間隔距離到50 cm時(shí)，光面爆破效果較好(見圖6c)，光面孔周邊巖體破碎充分，爆破對周圍巖體損傷較??；當(dāng)再進(jìn)一步增大間隔距離到70 cm時(shí)，超挖及對周圍巖體損傷問題雖然得到控制，但出現(xiàn)了欠挖現(xiàn)象(見圖6d)，將增加爆破作業(yè)后機(jī)械二次清理斷面的工作量。因此，在該隧道巖體條件下，采用間隔裝藥距離為50 cm時(shí)的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行光面爆破，能取得較好的效果，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，該參數(shù)合理、可行。以此證明，在同類工程中，預(yù)先采用數(shù)值模擬的方法對比分析不同爆破參數(shù)工況的爆破效果，進(jìn)而確定合理、可行的鉆爆參數(shù)，可節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本及減少爆破試驗(yàn)時(shí)間[10]。

圖6 不同裝藥結(jié)構(gòu)光面爆破數(shù)值模擬效果Fig.6 Numerical simulation effect of smooth blasting with different charge structures

5 結(jié)論

受紅水河特大橋?qū)映叽缦拗疲O(shè)計(jì)采用1.2 m厚度的小尺寸中墻，利用連拱隧道靜力學(xué)分析模型，論證了方案的合理及安全性，采用數(shù)值模擬技術(shù)及現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，得出了較為合理的爆破參數(shù)，解決了破碎巖體爆破開挖的超、欠挖問題，形成了較為先進(jìn)的技術(shù)，在同類工程中，具有較大參考價(jià)值。

1)采用Ansys workbench建立了1.2、1.4 m中墻厚度的連拱隧道靜力學(xué)分析模型，對比分析了兩種不同尺寸中墻的應(yīng)力分布及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位移變形情況，得出最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道邊墻中部位置，其中1.2 m中墻厚度的隧道邊墻結(jié)構(gòu)點(diǎn)的最大主應(yīng)力為18.568 MPa，1.4 m中墻厚度的隧道邊墻結(jié)構(gòu)點(diǎn)的最大主應(yīng)力為18.343 MPa，應(yīng)加強(qiáng)該段結(jié)構(gòu)的布筋；1.2 、1.4 m中墻結(jié)構(gòu)的變形分別為2.241 6、2.241 08 mm，位移變形部位集中在中墻頂部位置。因此，在合理支護(hù)及加強(qiáng)關(guān)鍵部位布筋及澆筑材料強(qiáng)度的前提下，采用1.2 m厚度中墻結(jié)構(gòu)較為可行，既能很好地完成連拱隧道與紅水河特大橋精確對接，又能滿足安全運(yùn)營的要求。

2)破碎性巖體地質(zhì)條件下連拱隧道的施工，采用中導(dǎo)洞先行的施工工藝，待中導(dǎo)洞貫通、中墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，再開挖主洞的施工方法較為安全可靠；為了保證中墻結(jié)構(gòu)安全及施工安全，主洞開挖禁止將中導(dǎo)洞方向作為爆破自由面；中導(dǎo)洞循環(huán)進(jìn)尺3.5 m，炮孔利用率87.5%，主洞循環(huán)進(jìn)尺3 m，炮孔利用率85.7%；

3)在破碎性巖體條件下，采用Ansys ls-dyna軟件模擬了4種不同裝藥結(jié)構(gòu)的光面爆破效果，通過對比得出，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、30 cm間隔裝藥時(shí)光面爆破超挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重，大大增加了噴漿成本；采用50 cm的間隔裝藥距離時(shí)，光面孔周圍巖體破碎充分，有效控制了超、欠挖現(xiàn)象，減小了爆破作業(yè)對周圍巖體的擾動(dòng)及損傷，爆破效果較好；間隔裝藥距離增大至70 cm時(shí)，出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，增大機(jī)械二次破碎的成本及施工周期。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，底部加強(qiáng)裝藥可有效減少光爆層根底的產(chǎn)生，減小機(jī)械清理工作面的時(shí)間，增大循環(huán)進(jìn)尺，取得較好的爆破效果。