小凈距隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬分析

郝瑞軍 ，郝永明

（1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交路建南方工程有限公司，重慶 400047）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)倡議，構(gòu)建交通強(qiáng)國(guó)的宏偉藍(lán)圖，而完善交通基礎(chǔ)設(shè)施是其中的重要組成部分。小凈距隧道是介于連拱隧道與分離式隧道之間的一種結(jié)構(gòu)形式【1】，由于其中夾巖厚度比常見的隧道要小得多，一般小于1.5 倍隧道開挖斷面的寬度。由此可以看出，小凈距隧道爆破施工比普通隧道巖更加困難。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小凈距隧道爆破振動(dòng)作了一些研究，龔建伍等【2】采用了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，分析了不同圍巖級(jí)別和不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波的傳播及分布規(guī)律。姚勇等【3】采用數(shù)值模擬方法研究了不同圍巖級(jí)別、凈距大小和埋深等條件下小凈距隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)，并提出了針對(duì)中巖墻不穩(wěn)定狀態(tài)下的加固措施。林從謀等【4】依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析，得到了中夾巖和既有隧道壁面上質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。Mo You 等【5】以小型間隔巷道截面為例，精確模擬了爆破振動(dòng)過(guò)程，得到了巷道的峰值振動(dòng)速度響應(yīng)。

本文基于數(shù)值仿真模擬了小凈距隧道爆破荷載作用下圍巖的振動(dòng)響應(yīng)。并基于Hypermesh 建立了小凈距隧道爆破分析模型，采用LS-DYNA【6】計(jì)算出了爆破振動(dòng)效應(yīng)，研究了不同中夾巖厚度、不同超前距離時(shí)小凈距隧道爆破振動(dòng)規(guī)律。

2 工程概況

里平Ⅱ號(hào)隧道位于貴州省余慶至安龍高速公路羅甸至望謨段，為分離式長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)2 177m，最大埋深約232.7m，隱伏溶洞主要位于ZK3+580～ZK5+420 段和YK3+570～YK5+380段。隧道圍巖為中風(fēng)化薄～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，局部夾泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理不發(fā)育，巖體完整，呈中薄層狀結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)受震動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生松動(dòng)變形、坍塌及掉塊現(xiàn)象。

本工程中主要有Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，隱伏巖溶段主要是Ⅳ級(jí)圍巖，Ⅳ級(jí)圍巖段隧道施工采用臺(tái)階法開挖，Ⅴ級(jí)圍巖隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。

3 有限元模型建立及參數(shù)選取

本文以余慶至安龍高速公路羅望9 標(biāo)里平Ⅱ號(hào)隧道項(xiàng)目為依托，隧道結(jié)構(gòu)形式采用分離式，隧道設(shè)計(jì)斷面為小凈距隧道。按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，本文選取YK3+570～YK3+790 段進(jìn)行建模分析，為了減小邊界情況影響，隧道埋深取6m，左右邊界取6m，下邊界取9m，左右兩側(cè)施加軸向約束，上邊界施加軸向約束，下邊界節(jié)點(diǎn)自由度全約束。x 軸指向隧道掘進(jìn)方向的右側(cè)，y 軸鉛垂向上，z 軸沿隧道掘進(jìn)方向。整體模型尺寸大小取為 26m×52m×10m，如圖1 所示。該段內(nèi)圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，埋深約為57m，整個(gè)隧道段最大埋深達(dá)236m，圍巖等級(jí)主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)2 種，為了減小邊界處地震波的反射影響，對(duì)模型的6 個(gè)面均施加無(wú)反射邊界。模型不考慮地應(yīng)力和地下水的影響。

圖1 有限元分析模型

模型中炸藥材料采用LS-DYNA 程序自帶的高能炸藥材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并添加炸藥的狀態(tài)方程關(guān)鍵字EOS_JWL。在炸藥模型中設(shè)置炸藥起爆點(diǎn)關(guān)鍵字INITIAL_DETONATION， 同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)炸藥不同延時(shí)爆破。其中，圍巖及襯砌均采用塑性隨動(dòng)硬化材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

本文模型采用LS-DYNA 中的流固耦合算法，該算法將拉格朗日與歐拉算法相結(jié)合，充分發(fā)揮各自算法的優(yōu)勢(shì)，結(jié)算結(jié)果精確度相對(duì)高于與其他2 種算法。

4 結(jié)果分析

4.1 不同中夾巖厚度影響分析

4.1.1 應(yīng)力分析

選取Ⅳ級(jí)圍巖的隧道模型為研究對(duì)象， 分析0.5D、D、1.5D、2D、3D（D 為小凈距隧道之間的距離）5 種凈距在爆破振動(dòng)荷載作用下先行洞中巖墻迎爆側(cè)的振動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)檫厜μ幍淖畲罄瓚?yīng)力為三者中最大的，將其定為控制有效應(yīng)力。

如圖2 所示，提取了不同凈距下隧道爆破振動(dòng)圍巖第一主應(yīng)力分布云圖，根據(jù)圖中顯示可知圍巖最大第一主應(yīng)力隨著中夾巖墻厚度增大而減小，受到影響較大的部位位于中夾巖墻位置處，但未超過(guò)泥質(zhì)灰?guī)r的屈服強(qiáng)度，爆破波以間斷性波向周圍傳播，可見，隧道爆破振動(dòng)圍巖受到影響的部位主要集中在中隔墻和隧道拱底部位，最大應(yīng)力隨著爆破時(shí)間逐漸減小。

圖2 不同凈距下圍巖第一主應(yīng)力分布

如圖3 所示，隨著隧道凈距的增大，爆破振動(dòng)圍巖等效應(yīng)力逐漸降低，可見凈距越大，后行洞爆破開挖對(duì)先行洞產(chǎn)生的影響越小。在0.5D～1.5D 區(qū)間，后行洞隧道爆破產(chǎn)生的圍巖等效應(yīng)力較大且遞減的速率較快，由于爆破應(yīng)力波隨著距離不斷在衰減，在巖層厚度較小時(shí)受到應(yīng)力波影響相對(duì)較大，而在1.5D～3D 區(qū)間，后行洞隧道爆破產(chǎn)生的等效應(yīng)力相對(duì)較小。

圖3 不同凈距與圍巖等效應(yīng)力關(guān)系

4.1.2 振動(dòng)速度

在隧道爆破振動(dòng)中，依據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》對(duì)允許爆破振動(dòng)速度的規(guī)定，取20cm/s 作為上限值，評(píng)價(jià)隧道爆破振動(dòng)的安全性。本次隧道爆破對(duì)先行洞襯砌迎爆側(cè)進(jìn)行振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在拱腳、拱腰下段、拱腰上段、拱頂4 個(gè)點(diǎn)，得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平及豎直方向的振動(dòng)速度時(shí)程變化曲線，如圖4 所示。

圖4 不同隧道中夾巖厚度在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 方向振動(dòng)速度關(guān)系

分析圖4 可知，不同隧道中夾巖厚度在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度趨勢(shì)基本一致。隧道拱腳、拱腰上段、拱腰下段和拱頂部位，0.5D 凈距時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度較大，但是對(duì)于D～2D凈距時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化幅度較小且處于安全振動(dòng)速度范圍內(nèi)?？梢姡瑸榱吮ＷC小凈距隧道爆破施工的安全，小凈距隧道爆破合理的中夾巖墻厚度應(yīng)該大于0.5D 凈距。

4.2 不同超前距離影響分析

在不同超前距離下進(jìn)行隧道爆破產(chǎn)生不同影響，為了確定合理的超前施工距離，保證爆破施工安全。分別模擬了凈距為 D 時(shí)隧道在 2m、5m、10m、15m 的超前距離下爆破施工，分析隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，得到先行洞迎爆側(cè)拱腰、拱頂、背爆側(cè)拱腰振動(dòng)速度規(guī)律，從而得到合理的施工超前距離。

根據(jù)施工不同超前距離，列出了不同超前距離不同時(shí)刻的圍巖應(yīng)力分布圖，顯示了隧道爆破中爆炸應(yīng)力波傳播的范圍及大小方向，對(duì)先行洞隧道襯砌不同位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再有針對(duì)性地對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行加固處理，從而安全有效地進(jìn)行爆破施工。

如圖5 所示，可見，既有襯砌的拱腰部位受到爆破振動(dòng)影響最顯著，其振速明顯高于其他部位。而在拱頂或拱腳部位，襯砌的振動(dòng)速度受到的影響相對(duì)較小，拱頂與拱腳處受到的振動(dòng)影響差距較小，由于爆破應(yīng)力波傳播至先行洞拱頂和拱腳處的距離差不多，產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)相似。根據(jù)圖5 中曲線走勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，超前距離為2m、5m 和10m 時(shí)拱頂、拱腰和拱腳的振動(dòng)速度逐漸減小，超過(guò)10m 振動(dòng)速度逐漸增大，可見，曲線整體趨勢(shì)呈現(xiàn)“V”型分布，隧道爆破施工較合理的超前距離在10m 左右，這樣，對(duì)先行洞襯砌的振動(dòng)影響減到最小，可保證施工安全。

圖5 不同的開挖進(jìn)尺下既有襯砌各部位的振速

5 結(jié)語(yǔ)

1）不同中夾巖厚度下，隧道爆破圍巖應(yīng)力隨著中夾巖厚度增大而減小，其中，0.5D～D 段變化幅度最大，D～2D 區(qū)間變化幅度較?。粐鷰r振動(dòng)速度與應(yīng)力變化具有相似規(guī)律。

2）不同超前距離下，隧道爆破施工對(duì)既有隧道襯砌影響具有一定規(guī)律，即隨著超前距離的增大，既有隧道的襯砌振動(dòng)速度變化規(guī)律呈現(xiàn)“V”型分布，隧道爆破施工較合理的超前距離在10m，可保證隧道施工安全。