新建隧道爆破施工對(duì)既有隧道交叉段影響分析

王洪存 王曉衛(wèi) 張揚(yáng)波

[摘? 要]：正確認(rèn)識(shí)鄰近隧道爆破施工下既有隧道交叉段襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)于保證隧道的安全穩(wěn)定、指導(dǎo)工程安全高效進(jìn)行有著重要的意義。文章以梧塢高鐵隧道與西甑山公路隧道交叉段為工程背景，通過(guò)建立近接隧道交叉段爆破振動(dòng)三維數(shù)值模型，分析既有隧道振速、應(yīng)力分布規(guī)律，確定近接隧道施工中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)部位及范圍。研究結(jié)果表明：既有隧道拱頂、拱肩爆破振動(dòng)響應(yīng)較為敏感，是施工中對(duì)其應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)措施，以保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

[關(guān)鍵詞]：上穿隧道; ANSYS/LS-DYNA; 爆破施工; 振動(dòng)響應(yīng)

U455.6A

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展，新建鐵路、公路等交通線路也在日益增多。在修建這些線路時(shí)，會(huì)不可避免的出現(xiàn)近接交叉隧道、平行小凈距隧道等情況，這些隧道由于間距較小而存在近接施工問(wèn)題，尤其是新建隧道爆破施工下，若設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響其安全性、使用性[1-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)近接隧道爆破施工展開(kāi)了一系列研究，并取得了相應(yīng)成果。吳波等[6]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了新建隧道爆破荷載作用下既有隧道振動(dòng)特性及應(yīng)力分布特征。葉培旭等[7]以錢(qián)倉(cāng)山隧道為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究近接隧道爆破施工的振動(dòng)影，得到了交叉距離、巖體完整性是影響既有隧道結(jié)構(gòu)振速主要因素。彭道富等[8]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法研究不同近接距離爆破對(duì)既有隧道振速的影響，得到了最大振動(dòng)速度與近接爆破距離之間的內(nèi)在規(guī)律。郭東明等[9]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法研究鄰近隧道爆破施工下既有隧道的動(dòng)態(tài)破壞，得到了既有隧道的破壞形態(tài)、裂紋出現(xiàn)部位以及最小安全間距。賈磊等[10]通過(guò)建立近接隧道爆破施工三維數(shù)值模型，研究了不同開(kāi)挖進(jìn)尺、埋深、間距下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

本文以梧塢高鐵隧道與西甑山公路隧道交叉段為依托，采用LS-DYNA動(dòng)力有限元程序建立上方新建高鐵隧道爆破施工下既有公路隧道數(shù)值模型，通過(guò)分析既有隧道振速、應(yīng)力分布規(guī)律，確定近接隧道施工中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)部位及范圍，可為今后類(lèi)似近接隧道工程施工提供一定指導(dǎo)與參考。

1 模型的建立

1.1 工程概況

義東高速（S45）東陽(yáng)段西甑山隧道為6車(chē)道分離式特長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度100 km/h，行車(chē)道寬度3×3.75 m，單洞建筑界限總寬14.50 m，緊急停車(chē)帶建筑界限總寬17.50 m，隧道開(kāi)挖斷面約為162 m2。

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)地勘資料和相關(guān)設(shè)計(jì)資料，兩隧道交叉段為Ⅲ級(jí)圍巖，公路隧道兩線間距為12.8 m，公路隧道拱頂與高鐵隧道仰拱中心凈距為8 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，交叉段公路隧道二次襯砌已施作完成，高鐵隧道先后上跨公路隧道右線、左線，采用三臺(tái)階法爆破開(kāi)挖，整體模型及裝藥孔布置如圖1、圖2所示。模型頂部、隧道掌子面及已開(kāi)挖隧道表面采用自由邊界，其余邊界均設(shè)置為無(wú)反射邊界，模型如圖2所示。

1.3 計(jì)算材料與參數(shù)

模型主要空氣、巖體、襯砌和炸藥等材料組成，其主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 橫斷面振速響應(yīng)規(guī)律分析

依據(jù)中心斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合振速時(shí)程曲線確定峰值振速。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，振速分布如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)新建隧道掌子面位于交叉段中心時(shí)，爆破振動(dòng)對(duì)前方既有隧道（左線）的振動(dòng)影響強(qiáng)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。于后方隧道（右線），左線襯砌振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度約為右線相對(duì)稱(chēng)位置處的2～6倍。右線隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速均小于1.0 cm/s，左線隧道襯砌質(zhì)點(diǎn)振速整體較大，振速最大值在左拱肩，為5.2 cm/s，且拱頂、拱肩爆破振動(dòng)響應(yīng)較為敏感，是施工中對(duì)其應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)措施，以保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

2.2 橫斷面襯砌應(yīng)力響應(yīng)分析

提取中心斷面各監(jiān)測(cè)部位的應(yīng)力時(shí)程曲線，對(duì)公路隧道左、右線襯砌在橫斷面上的應(yīng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析，如圖5所示。《隧道工程施工要點(diǎn)集》中指出，新建隧道對(duì)既有隧道的影響以襯砌應(yīng)力增加的容許值為判據(jù)，其中，拉應(yīng)力容許值為1.0 MPa，壓應(yīng)力容許值為5.0 MPa。

由圖5可知，公路隧道左、右線襯砌結(jié)構(gòu)在爆破荷載作用下均產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，第一、三主應(yīng)力的大小及分布較一致。整體上，左線襯砌應(yīng)力響應(yīng)大于右線，主要是由于其處于應(yīng)力波傳播的正方向上，強(qiáng)度較大的應(yīng)力波傳播至左線時(shí)能量衰減較少所致。右線拉、壓應(yīng)力增量最大值分別為0.044 MPa、0.043 MPa，均位于右拱腳處，最小值位于背爆側(cè)的拱腳、邊墻處，主應(yīng)力最大值出現(xiàn)于襯砌右拱腳處由于半徑較小而存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是工程中需要重點(diǎn)關(guān)注的部位。左線拉、壓應(yīng)力增量最大值分別為0.157 MPa、0.188 MPa，均位于右拱肩處，最小值位于仰拱處。左右線襯砌附加應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)小于應(yīng)力容許值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

以上結(jié)果表明，爆破荷載作用下，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的大小及分布主要受爆心距、應(yīng)力波反射、結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)等因素的控制。爆心距越大，附加應(yīng)力越小。應(yīng)力波的反射會(huì)削弱入射波的強(qiáng)度，附加應(yīng)力會(huì)有一定降低。襯砌單元在應(yīng)力波入射方向上有約束時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力較無(wú)約束時(shí)大。

2.3 軸向振速響應(yīng)規(guī)律分析

為了進(jìn)一步分析襯砌結(jié)構(gòu)受上方爆破荷載作用下沿既有隧道軸向的振速變化規(guī)律，提取既有隧道不同斷面處不同監(jiān)測(cè)位置的綜合振速最大值，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：①左右線隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振速沿軸向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在交叉斷面出現(xiàn)最大振速值，且振速曲線基本關(guān)于中心斷面對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明沿既有隧道軸向隨著距爆源距離的增大，結(jié)構(gòu)受爆破振動(dòng)影響不斷減小，反之距爆源越近，結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)越強(qiáng)烈，質(zhì)點(diǎn)振速值越大;②左右線隧道不同斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速均表現(xiàn)為迎爆側(cè)大于背爆側(cè)，此現(xiàn)象主要是因?yàn)橛瑐?cè)爆心距較背爆側(cè)小，及左右線已開(kāi)挖洞室的臨空面效應(yīng)造成應(yīng)力波無(wú)法沿最短路徑傳播而衰減作用較大造成的。

3 結(jié)論

本文以梧塢高鐵隧道近距離上跨雙線大斷面西甑山公路隧道為工程背景，采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)新建隧道掌子面位置、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)爆破振動(dòng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，主要得到結(jié)論：

（1）既有隧道右線拉、壓應(yīng)力增量最大值分別為0.044 MPa、0.043 MPa，左線拉、壓應(yīng)力增量最大值分別為0.157 MPa、0.188 MPa，其最大值均遠(yuǎn)小于應(yīng)力容許值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

（2）爆破荷載作用下，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的大小及分布主要受爆心距、應(yīng)力波反射、結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)等因素的控制。

（3）在距中心斷面前后各10 m區(qū)域內(nèi)，隧道橫斷面不同位置的振速差異較大，振速大小主要由爆心距和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置決定;10 m外區(qū)域不同位置質(zhì)點(diǎn)振速逐漸趨于一致，振速大小主要由爆心距控制，結(jié)構(gòu)位置的影響較弱。

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