平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究

康歡歡

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074）

1 概述

隧道建設(shè)的耗資大、周期長，在加快我國鐵路網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，越來越重視既有隧道設(shè)施的再利用，而我國在隧道擴(kuò)挖方面還缺乏一定的施工經(jīng)驗(yàn)。鐵路隧道擴(kuò)挖經(jīng)常采用爆破施工，難度大、干擾因素多、安全風(fēng)險(xiǎn)高，隧道周邊巖體直接影響隧道開挖以后的穩(wěn)定性以及襯砌設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，當(dāng)隧道平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖掘進(jìn)施工時(shí)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，容易造成隧道失穩(wěn)，甚至發(fā)生工程事故。本文依托實(shí)際工程研究平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖形成隧道正洞，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖過程的力學(xué)特征進(jìn)行分析，確保施工的安全以及施工進(jìn)度順利，加強(qiáng)對(duì)施工過程的管理。

2 有限元數(shù)值模型的建立與分析過程

2.1 有限元計(jì)算模型建立

為了保證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性與實(shí)際狀況的貼合度，所截取巖土體的尺寸根據(jù)其他巖土工程有限元分析研究進(jìn)行取值：隧道開挖橫向左右?guī)r土體取開挖洞徑的3 到5 倍、豎直向下巖土體取開挖洞高的3 至5 倍、豎直向上直至地表。參考上述標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值模擬計(jì)算模型尺寸定為60m×40m×80m。本文可采用一般的理想彈塑性模型，選用摩爾- 庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)作為彈塑性模型的本構(gòu)關(guān)系，選取M-C 屈服準(zhǔn)則作為材料屈服的判定準(zhǔn)則。

計(jì)算模型的材料參數(shù)選取如表1 所示。

表1

2.2 數(shù)值模擬中爆破動(dòng)力荷載的施加形式與參數(shù)確定

在涉及爆破開挖的有限元數(shù)值模型中，選取合理的爆破參數(shù)對(duì)于數(shù)值模擬的結(jié)果的準(zhǔn)確性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。將爆破的動(dòng)力看作是垂直作用在巖壁上的面壓力，面壓力的數(shù)值是一個(gè)隨時(shí)間變化的脈沖函數(shù)。為了考慮結(jié)果準(zhǔn)確性與計(jì)算簡(jiǎn)便性，合理選取爆破荷載非常重要。本文根據(jù)實(shí)際工程爆破情況，擬采用三角波形作為爆破荷載的添加形式來模擬爆破對(duì)圍巖造成的影響；根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，確定模型中爆破的加載時(shí)長t加=10ms，卸載時(shí)長t卸=90ms，然后確定爆破荷載的峰值，根據(jù)荷載的時(shí)程函數(shù)最終確定爆載；確定爆破荷載后，將爆破荷載等效為面壓力即可。在此過程中，盡量使得數(shù)值模擬參數(shù)的選取與實(shí)際情況相貼合，保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2.3 爆破對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響分析

為了保證便于分析，加入了相同圍巖條件無平行導(dǎo)洞的對(duì)比模型（即全斷面開挖正洞），建立隧道全斷面開挖和平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖兩種施工方法得有限元數(shù)值模型，進(jìn)尺分別取1m、2m、3m，以此六種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道在爆破荷載作用下，平行導(dǎo)洞的擴(kuò)挖對(duì)爆破后圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，為平行導(dǎo)洞爆破開挖形成正洞的施工方法的選擇提供一定的理論支持。

表2 爆破作用下隧道開挖施工方案表

通過對(duì)三種不同開挖進(jìn)尺情況下平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖與全斷面開挖過程進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得到不同開挖進(jìn)尺下隧道圍巖在爆破作用下最大的位移數(shù)值并提取開挖巖體拱頂最大豎向位移、仰拱最大豎向位移、邊墻最大橫向位移。爆破荷載作用下各測(cè)點(diǎn)圍巖的最大位移分析如下表所示：

表3 不同開挖進(jìn)尺下拱頂豎向最大位移表（單位：mm）

表4 不同開挖進(jìn)尺下仰拱豎向最大位移表（單位：mm）

表5 不同工況中左邊墻水平橫向最大位移表（單位：mm）

從上表的對(duì)比可以得出：

開挖進(jìn)尺越大，爆破導(dǎo)致的位移值也越大，但是開挖進(jìn)尺與圍巖位移不呈明顯的線性相關(guān)，開挖進(jìn)尺從1m 增加到2m 時(shí)位移值變化最快，符合實(shí)際工程，即Ⅴ級(jí)圍巖開挖進(jìn)尺通常不大于1m。

不同測(cè)點(diǎn)的位移值在不同施工方法情況下稍有不同，爆破作用下圍巖最大位移所呈現(xiàn)的規(guī)律為全斷面開挖>平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖，即平行導(dǎo)洞的存在會(huì)減低隧道開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

綜上所述，隧道既有平行導(dǎo)洞的爆破擴(kuò)挖形成正洞的施工情況比較復(fù)雜，通過有限元數(shù)值模擬的方法研究平行導(dǎo)洞爆破擴(kuò)挖對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析了隧道圍巖在爆破作用下不同施工方法以及開挖進(jìn)尺情況下隧道圍巖的位移情況，得出以下結(jié)論：

隧道爆破時(shí)的開挖進(jìn)尺對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性有較大影響。相較于1m 的開挖進(jìn)尺，2m 和3m 的開挖進(jìn)尺在爆破作用下使隧道圍巖周邊位移增大153.4%、201.0%，過大的開挖進(jìn)尺會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生工程事故。

爆破作用下隧道開挖斷面邊墻處圍巖最大位移隨施工方法不同變化較為敏感，表明隧道開挖面邊墻受平行導(dǎo)洞影響較大，應(yīng)加強(qiáng)隧道開挖面邊墻處圍巖的控制，合理對(duì)該處圍巖進(jìn)行加固處理。