爆破動載作用下山嶺隧道開挖支護穩(wěn)定性研究

陳增劍

(廣西交通投資集團玉林高速公路運營有限公司,廣西 玉林 537004)

0 引言

山嶺隧道在運營過程中,有時會遇到鄰近施工隧道施工影響,尤其是當鄰近施工隧道采用爆破等方式施工時,影響更為強烈,嚴重時會導致運營隧道發(fā)生失穩(wěn)現象。近年來,國內學者對此進行了一些研究。白建方、張馨等[1-2]以某隧道工程為研究對象,采用FLAC 3D軟件進行數值模擬,研究了列車動載對隧道基坑開挖施工影響,研究表明,列車荷載作用下擬開挖隧道無明顯振動,在豎直方向上設置圍護樁和錨索支護體可以有效防止隧道失穩(wěn)。王忠昊、陳常宇等[3-4]以某隧道工程為例,研究了地面壓路機荷載對隧道支護體系的動力影響,結果表明,當隧道埋深較小時,上部振動荷載對隧道彎矩影響較大,隨著隧道埋深增大,振動荷載影響逐漸減弱。張露晨、劉娜等[5-6]將爆破荷載和地震荷載轉化為等效靜力,施加在隧道模型上,研究了動力作用下隧道圍巖的穩(wěn)定性,研究表明,動力作用下的隧道安全系數明顯小于靜力作用下的安全系數,當動力荷載較大時可能誘發(fā)隧道失穩(wěn)。吳波、萬明富等[7-8]采用數值模擬的方法,結合強度折減法,得到了隧道在動力作用下的失穩(wěn)判據,可為類似工程判斷隧道在爆破荷載下的穩(wěn)定性提供參考。本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數值模擬軟件分析了既有營運隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,研究結果可為類似工程施工保護提供參考和借鑒。

1 工程概況

某擬建高速公路隧道采用爆破法施工方式,在擬建隧道旁存在某既有隧道。既有隧道凈寬為13 m,凈高為10.5 m,具體如圖1所示。既有隧道采用錨桿+鋼筋網+鋼拱架+二襯聯合支護形式,噴射混凝土采用C20標號,噴射厚度為30 cm,錨桿共13根,采用φ25 mm注漿錨桿,間距為800 mm(環(huán)向)×1 200 mm(縱向),鋼拱架選用Ⅰ20,縱向間距為1 200 mm,鋼筋網直徑為φ8 mm,網格尺寸為200 mm×200mm。

圖1 既有隧道斷面圖(cm)

2 數值建模

2.1 模型的建立

下頁圖2所示為本文采用大型有限差分軟件FLAC 3D建立的數值分析模型。模型長、寬分別取65 m和40 m,高度為60 m,除模型上邊界外,其他邊界均進行位移和邊界約束。既有隧道采用錨桿+鋼筋網+鋼拱架+二襯聯合支護形式,隧道圍巖和襯砌均采用實體單元建立,整個模型均采用摩爾-庫侖本構模型。為簡化計算,模擬中將鋼筋網和鋼拱架的彈性模量折算到混凝土中。

(a)模型

2.2 參數賦值

隧道位于地質構造作用強烈處,巖體表現為破碎,巖性以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主,具體巖土體物理力學參數如表1所示。表2為噴射混凝土和錨桿的力學參數。

表2 噴射混凝土和錨桿的力學參數表

2.3 動載施加

為了模擬鄰近隧道爆破施工對既有隧道的影響,本文在既有隧道內部設置動力波監(jiān)測設備,圖3所示為監(jiān)測到的x、y和z方向的應力波,將圖中3個方向的應力波均施加在模型之中。為了模擬結果更加切合實際,除模型底部邊界外,其他邊界均設置為粘滯吸收邊界。

(a)x方向

3 數值結果分析

3.1 靜載作用下隧道開挖變形分析

如圖4所示,給出了在靜力作用下(即自重作用下)隧道支護前后的豎向位移云圖,圖5給出了支護前后拱頂沉降對比曲線。由圖4～5可知,在靜載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護前,拱頂最大沉降值為7.92 mm,拱底最大隆起值為4.89 mm;在支護后,拱頂最大沉降值為6.13 mm,拱底最大隆起值為4.25 mm。相比于支護前,支護后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了22.6%和13.1%。由此可知,采用支護措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(a)支護前

圖5 支護前后拱頂沉降對比曲線圖

為了更加直觀地得到靜載作用下隧道支護前后的圍巖松動變形情況,如圖6所示,給出了靜載作用下隧道開挖支護前后的塑性區(qū)云圖。由圖6可知,在支護前,兩側拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,在拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;在支護之后,隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護之前大大提升。

(a)支護前

3.2 爆破動載作用下隧道開挖變形分析

圖7所示為在爆破動載作用下隧道支護前后的豎向位移云圖,圖8為動載作用下支護前后拱頂沉降對比曲線。由圖7～8可知,在爆破動載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,且隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護前,拱頂最大沉降值為8.36 mm,拱底最大隆起值為5.40 mm;在支護后,拱頂最大沉降值為6.41 mm,拱底最大隆起值為4.50 mm。相比于支護前,在爆破動載作用下支護后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了23.3%和16.7%。

(a)支護前

圖8 動載作用下支護前后拱頂沉降對比曲線圖

對比圖4和圖7可知,在支護前,動載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高5.3%和9.4%;在支護后,動載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高4.4%和5.6%。由此可知,爆破動載作用會導致隧道圍巖變形增大,且采用支護措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性更好。

為了更加直觀地得到爆破動載作用下隧道支護前后的圍巖松動變形情況,如圖9所示,給出了動載作用下隧道開挖支護前后的塑性區(qū)云圖。由圖9可知,在支護前,隧道拱底附近和兩側拱墻附近圍巖塑性區(qū)面積較大,且在拱腳附近出現大面積的拉伸剪切破壞;在支護之后,動載作用下隧道圍巖塑性區(qū)較支護前明顯降低。此外,對比圖6和圖9可知,隧道在受到爆破動荷載之后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長,且爆破動載對未采取支護措施時隧道的影響更大。由此可知,爆破動載作用會導致隧道圍巖變形增大,且采用支護措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性能力明顯提升。

(a)支護前

4 結語

本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數值模擬軟件分析了既有營運隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,得到以下結論:

(1)靜載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護后比支護前分別減小了22.6%和13.1%,即采用支護措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(2)靜載作用下,支護前隧道兩側拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;支護后隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護之前大大提升。

(3)爆破動載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護后比支護前分別減小了23.3%和16.7%,且爆破動載作用會導致隧道圍巖變形增大,采用支護措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性更好。

(4)隧道在受到爆破動荷載后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長,且爆破動載對未采取支護措施時隧道的影響更大,采用支護措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性能力明顯提升。因此,在隧道施工過程中應及時支護并盡量避免鄰近爆破動荷載作用,以免對隧道穩(wěn)定產生不利影響。