隧道周圍采石場機(jī)械開挖極限范圍分析

趙玉榮

摘要：為了更好分析機(jī)械開挖的過程中對臨近隧道的影響，選取距離隧道中線不同距離的橫斷面進(jìn)行開挖分析，對比得到采石場開挖的極限范圍。研究結(jié)果表明：在逐漸靠近隧道中線的右側(cè)開挖過程中，隧道二襯拱頂上的拉應(yīng)力值增大十分明顯。開挖到距隧道中線30 m范圍后，二襯上最大拉應(yīng)力為1.42 MPa，同時(shí)，在開挖的過程中隧道拱腳、拱腰處的壓應(yīng)力逐漸增大，壓應(yīng)力的最大值為9.87 MPa，與C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa差值為2.03 MPa。綜合分析，K7+ 200里程處采石場機(jī)械開挖的極限范圍距離隧道中線右側(cè)42 m處，停止開挖才能保證隧道襯砌的整體承載力。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；爆破振動(dòng)；數(shù)值計(jì)算；襯砌；極限范圍

中圖分類號：U25文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近些年國內(nèi)外關(guān)于鄰近隧道既有建筑物的爆破研究也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。于建新等[1]以大跨徑公路隧道近接已有小型隧道為施工背景，采用ANSYS/LS-DY？ NA動(dòng)態(tài)分析近距離隧道爆破施工的力學(xué)影響，得到圍巖等級的不同對靠近既有隧道的新建隧道一側(cè)影響要明顯大于對既有隧道的影響；羅志翔等[2]以照母山隧道為依托，結(jié)合現(xiàn)場動(dòng)態(tài)爆破監(jiān)測以及數(shù)值分析，著重對立體交叉隧道的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，最終得到Ⅳ級圍巖的合理爆破施工間距；徐葉勤等[3]利用武漢巖土所自主研發(fā)軟件，分析爆破荷載在不同主應(yīng)力方向、不同軟弱夾層與隧道間距離、不同夾層傾角下對隧道穩(wěn)定性的影響；吳波[4]對采用鉆爆法施工的復(fù)雜地質(zhì)情況下的隧道，利用LSPP數(shù)值模擬軟件對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了該段隧道最合適的爆破施工方案；吳亮等[5]以結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，得到層狀圍巖在其迎爆側(cè)的爆炸力學(xué)模型，并由此計(jì)算得到最危險(xiǎn)點(diǎn)的位置。

為了保證采石場周圍隧道的穩(wěn)定性，采石場在停止爆破開挖后，可采取機(jī)械開挖的方式。選取里程 K1+200處的隧道橫斷面更好地分析采石場在后期機(jī)械開挖的過程中對臨近隧道的影響。根據(jù)隧道的現(xiàn)場實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)隧道二襯在上述分析的里程處，襯砌上分布著不同程度的裂縫，同時(shí)依據(jù)前面的爆破模擬分析，對隧道迎爆面?zhèn)纫r砌的強(qiáng)度進(jìn)行折減。

本論述利用有限元軟件，研究分析采石場在停止爆破開挖的前提下，采用機(jī)械開采的極限范圍，用AN？ SYS模擬所能開挖距離隧道中線的極限距離，為后續(xù)相關(guān)工程提供理論依據(jù)和參考。

1工程概況

某隧道設(shè)計(jì)全長3471 m。隧道整體圍巖等級分級較為明確，其中III級圍巖比例最大，大約占據(jù)整體隧道70%，其余30%均為IV級、V級圍巖，隧道整體巖層狀況一般，軟弱圍巖較多，某些地方大變形現(xiàn)象較嚴(yán)重。

在隧道大約D7+200標(biāo)記處，有一座已經(jīng)存在并且還在持續(xù)開采的采石場，采石場整體簡化為一規(guī)則矩形，矩形長度約為70 m，寬度約為35 m，整體采礦區(qū)域面積大約2 500 m2。隧道所選取爆破點(diǎn)與矩形區(qū)域采石場直線距離大約為60 m，斜線距離大約為170 m。采石場與隧道實(shí)際位置圖與兩者之間的標(biāo)記距離如圖1所示。

2K7+200里程處采石場機(jī)械開挖極限范圍分析

2.1模型的建立及參數(shù)選擇

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)平面圖計(jì)算斷面尺寸，選取高程點(diǎn)，建立模型。圍巖選用多節(jié)點(diǎn)PLANE82單元進(jìn)行模擬，對初襯根據(jù)其自身特性采用單節(jié)點(diǎn)PLANE82單元繼續(xù)模擬，而對于二襯為突出其與初襯的不同選擇PLANE42單元代替。模型如圖2所示，將隧道設(shè)置在模型中間，模型的左邊界距離隧道中心61.5 m，模型的右邊界距離隧道72 m，其中爆破點(diǎn)的位置設(shè)定在隧道中心線右邊60 m，其距離模型右邊界12 m[6]。

（1）圍巖。隧道穿越巖層為石英砂巖，設(shè)計(jì)為IV級圍巖。圍巖選用彈塑性材料模擬，具體參數(shù)見表1所列。

（2）初襯。隧道襯砌采用錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)方式，用彈塑性材料模擬隧道初期支護(hù)。具體數(shù)據(jù)見表1所列。

（3）二襯。隧道襯砌在采石場爆破影響下，迎爆面?zhèn)榷r的承載力明顯下降，因此采取對迎爆面?zhèn)纫r砌物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，背爆面?zhèn)纫r砌采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度。具體數(shù)據(jù)見表1。

對模型水平X方向在-121.5～12范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束；選取Y=-10界面上的所有節(jié)點(diǎn)，約束其Y方向的位移。對整體模型施加重力加速度并首先平衡所有約束對其進(jìn)行初始應(yīng)力的求解，后續(xù)通過不斷消除隧道中線右邊一定范圍內(nèi)單元的方法，求得開挖的極限范圍。

2.2初始應(yīng)力結(jié)果

對迎爆面?zhèn)纫r砌的強(qiáng)度進(jìn)行折減，在建立有限元模型時(shí)，迎爆面?zhèn)纫r砌中的二襯采用折減后的材料參數(shù)，背爆面?zhèn)鹊牟牧蠀?shù)不變，仍采用原先設(shè)計(jì)值。初始應(yīng)力下襯砌的最大與最小主應(yīng)力的分布如圖3、4所示。

在未進(jìn)行開挖的時(shí)候，二襯在初始應(yīng)力作用下，二襯的應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，如圖3、4所示。對比圖3、圖4還可以發(fā)現(xiàn)，襯砌最大拉應(yīng)力位置在拱頂偏右側(cè)位置，其數(shù)值約為0.036 MPa，遠(yuǎn)小于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中C25混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；而襯砌最大壓應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)拱腳處，其數(shù)值為8.49 MPa，較規(guī)范中C25混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的11.9 MPa小了3.41 MPa，并且襯砌左側(cè)所受的壓力值要明顯大于襯砌右側(cè)所受壓力。

2.3開挖到距隧道中線42 m范圍處二襯上的應(yīng)力變化

當(dāng)采石場停止爆破，采用機(jī)械開挖，研究可以開挖的極限范圍。采用ANSYS中的生死單元法，通過殺死單元來模擬采石場采用機(jī)械開挖對隧道襯砌上應(yīng)力的影響。

開挖到距隧道中線42 m范圍處后，二襯上的拉應(yīng)力值變化浮動(dòng)特別大，在拱頂處的最大拉應(yīng)力值為1.06 MPa，與C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa的差值為0.21 MPa，如圖5所示。

開挖到距隧道中線42 m范圍處后，相較于初始應(yīng)力求解后，隧道二襯左側(cè)拱腳處的壓應(yīng)力最大值也處于增大趨勢，從8.49 MPa增大到8.6 MPa，與C25混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相差3.3 MPa，同時(shí)隧道二襯左側(cè)和右側(cè)拱腰處的壓應(yīng)力值均有所增大，左側(cè)拱腰處的壓應(yīng)力仍較右側(cè)拱腰的壓應(yīng)力大，如圖6所示。

2.4開挖到距隧道中線30 m范圍處二襯上的應(yīng)力變化

在開挖到距隧道中線42 m范圍處的基礎(chǔ)上，繼續(xù)應(yīng)用ANSYS中生死單元法，通過進(jìn)一步殺死單元的方法模擬開挖。

開挖到距隧道中線30 m范圍后，二襯上的拉應(yīng)力值又明顯增大，最大拉應(yīng)力仍然發(fā)生在拱頂，而最大拉應(yīng)力值從最初的0.036 MPa增長到無法忽略的1.42 MPa，此時(shí)襯砌拱頂位置處拉應(yīng)力已經(jīng)超出了C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa的值0.15 MPa，襯砌拱頂變得不安全，可能會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如圖7所示。同時(shí)由圖8可知，開挖到距隧道中線30m范圍后，隧道二襯左側(cè)拱腳處的壓應(yīng)力最大值還是處于增大趨勢，當(dāng)開挖到距離隧道中線30 m時(shí)，最大壓應(yīng)力達(dá)到9.87MPa，較C25混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小2.03MPa，雖然壓應(yīng)力也在持續(xù)增大，不過仍處于安全狀態(tài)。

同時(shí)隧道二襯左側(cè)和右側(cè)拱腰處的壓應(yīng)力值均有所增大，左側(cè)拱腰處的壓應(yīng)力仍較右側(cè)拱腰的壓應(yīng)力大。

3結(jié)論與建議

分析上述兩次開挖結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在逐漸靠近隧道中線的右側(cè)開挖過程中，隧道二襯拱頂上的拉應(yīng)力值增大十分明顯，開挖到距隧道中線30 m范圍后，雖然襯砌所受壓應(yīng)力還處于安全范圍內(nèi)，但是由于混凝土自身抗壓性能好而抗拉性能差，襯砌所受拉應(yīng)力已超出C25混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可見在上述的開挖范圍中，隧道二襯上的拉應(yīng)力已明顯超出了其設(shè)計(jì)值，即隧道二襯拱頂上的承載力已超出了設(shè)計(jì)值。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，在開挖的過程中無論開挖到距離隧道中線多少距離，隧道拱腳、拱腰處的壓應(yīng)力都是隨著開挖距離隧道中線越近，數(shù)值越大逐漸增大，襯砌所受最大壓應(yīng)力分布在隧道襯砌拱腳位置處，數(shù)值為9.87 MPa。

綜合分析，在K7+200里程處采石場機(jī)械開挖的極限范圍距離隧道中線右側(cè)42 m處，停止開挖才能保證隧道襯砌的整體承載力。另外，文中采用的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)結(jié)合的數(shù)值建模從而計(jì)算隧道二襯的最大最小主應(yīng)力的方法，可為相關(guān)類似工程的研究提供一定的理論支持和參考。

參考文獻(xiàn)：

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