隧道斜交横通道爆破振动效应研究

■ 钟世亮

中铁十一局集团第五工程有限公司 重庆 400000

摘 要：科技在不断发展，社会在不断进步，我国隧道工程建设在不断增多，针对斜交横通道爆破施工对既有隧道安全性产生不利影响，建立了交叉隧道爆破振动三维数值模型，考虑爆破荷载峰值、衬砌界面强度、埋深和围岩弹性模量的影响，从监测点振速和衬砌内力两方面对其安全性进行评价。结果表明:爆破振动作用下交叉区域将产生应力集中现象，衬砌内力增大5～10倍，拱顶和衬砌破除处易出现较大的动拉应力，是爆控的薄弱部位。爆破影响范围大致在θ＞55°内，衬砌振速和动位移随着角度的增大呈现出先增大后减小的规律，在隧道拱顶区域达到峰值，且在迎爆区出现陡增;衬砌拆除前，沿爆破轮廓线将衬砌分割成爆破区和非爆破区将显著减小衬砌的变形和振速。

关键词：斜交横通道；既有隧道；爆破振动；数值模拟引言

基础设施建设需求的不断增加，带来了公路、铁路及水利工程隧道建设项目的高速发展，地下空间得到了更大程度的利用。在市政、交通及水利行业工程建设大跨越式发展中，小净距平行隧道、新建隧道临近既有建筑物、新建隧道下穿侧穿既有隧道等形式的地下近接工程越来越多。采用钻爆法施工的隧道近距离穿越既有隧道时，由爆破开挖引发的既有隧道振动安全问题日益凸显，关于近接隧道爆破施工的振动安全控制标准、振动响应评价及爆破控制措施受到工程爆破领域学者和工程技术人员的重点关注。

1.三维非线性数值模型的建立

某地铁隧道为加快施工进度，计划从邻近既有公路隧道加宽带处增设一座施工斜通道，直接进入地铁隧道，以增加开挖作业面。既有公路隧道紧急停车带宽18．6m，高9．4m。两隧道中心线间距为6．0m，隧道高差13．1m。施工横通道为马蹄形断面，净空高7．4m，宽7．2m，与既有隧道水平斜交21．3°，采用全断面钻爆法施工。场地土类型为硬质花岗岩，岩性完整，节理弱发育，属II级围岩。本文着重讨论衬砌破除后，第一环爆破振动对既有公路隧道交叉部位力学响应与安全性的影响。斜交横通道数值计算模型如图1所示，公路及地铁隧道长220m，两隧道底面高差13．1m，斜洞长149m，下覆地层厚30m。首先采用ANSYS有限元软件建立三维网格模型，然后采用FLAC3D进行后续仿真计算。整个模型尺寸(长×宽×高)为143．08m×240m×85．6m，共74767单元，12910节点。围岩简化为均质弹塑性材料，屈服条件采用Mohr－Coulomb强度准则，衬砌采用liner单元。模型X轴为隧道水平断面轴，Z轴垂直地表，Y轴为隧道纵向。模型六个侧面均设置静态吸收边界，底部固定Z方向位移，上部按照实际埋深建模。模型所处场地为花岗岩，修正的围岩基本质量指标(BQ)为510、重度25KN/m3、弹性模量35GPa、泊松比0．12、内摩擦角37°、粘聚力2GPa、纵波波速4000～5000m/s、水平侧压力系数1．0。衬砌相关物理力学参数见表1。阻尼采用通用的瑞利阻尼，最小临界阻尼比取0．01、最小中心频率取10Hz。

2.隧道斜交横通道爆破振动效应

2.1基于爆破的动应变测试调整与改进

(1)测得动应变的峰值数据经常达到4000με左右。而一般C30混凝土抗拉强度为2．01MPa，弹性模量为3．0×104MPa，对应的混凝土静态允许拉应变仅为67με，两者差别过大，显然该动应变数据是错误的。原因在于隧道爆破产生的巨大振动中，动应变测试的数据线与数据线之间以及数据线与其他物体间发生强烈碰撞，数据线受到较大的外界冲击荷载，对测试数据造成影响。(2)从测得的动应变曲线中，爆破动应变虽然可以从峰值看出较明显的段别，但各段爆破结束后的动应变却难以归零。原因在于数据线的接头在爆破振动作用下存在轻微松动，影响接头处的电阻。

2.2混凝土材料

地下管线混凝土强度为C30，采用MAT_72R3模型进行模拟。该模型采用3个剪切失效面，考虑了混凝土的损伤和应变率效应，且仅需输入混凝土的密度ρ、抗压强度A0和单位换算系数RS和UCF等即可自动生成，能够较好地模拟混凝土材料在爆炸荷载下的动力响应。

202 ·2020年06期

2.3隧道结构爆破允许振速的确定方法研究

由于爆破振动速度测试的便利性远优于振动动应变测试，因此目前大多隧道爆破控制仍采用爆破允许振速指标。目前的《爆破安全规程》中，仅有已建交通隧道的爆破振速允许标准，其二次衬砌已施做完成。而对于在建交通隧道，如已施做初期支护尚未施做二次衬砌或已浇筑二次衬砌尚未拆模的隧道，却没有明确的爆破振速允许标准。因此，拟提出一种基于现场实测的爆破振动速度标准的确定方法，该方法可用于确定在建隧道结构的允许爆破振速，为今后在建隧道结构的爆破振动保护提供参考。该方法的具体实施步骤如下：（1）采用偏保守的弱爆破对隧道或地下结构进行爆破开挖，同时监测需保护的隧道结构的动应变及振动速度，如喷射混凝土、钢架、锚杆等；（2）对实测得到的动应变及振速数据进行线性回归，得到两者的相关性公式；（3）根据该隧道结构材料的特性确定其允许动应力或动应变；（4）将允许动应变代入应变与振动速度的相关性公式，即可确定该隧道结构的爆破振动允许振动速度。某站三洞分离段中洞爆破时，左洞已完成初期支护，其中喷射混凝土为C30。在动态荷载下，混凝土的拉伸强度均会随着应变率的升高而明显增加。因此，对动应变难以提出一个合理的允许应变量，规范中也没有关于混凝土的允许动应变量。故从保守角度出发，采用规范当中准静态条件下的混凝土抗拉允许应变标准作为允许动应变标准值。C30抗拉强度标准值为2．01MPa，弹性模量为3．0×104MPa，故可计算得到C30混凝土允许拉应变为67με，即初期支护允许动应变为67με。

2.4地下管线的振速和应力响应

在爆破作用下，地下结构受四周岩土介质约束，位移影响通常较小，其振动响应主要通过结构的振速峰值和拉应力进行描述。首先选取炸药正上方的管线横截面，对该横截面上不同部位的单元拉应力峰值和垂直振速峰值进行分析；随后研究其沿管线纵向方向上的变化，分析传播规律。其中：A为管线顶部中心处位置，B为顶部45°处位置，C为管线中部位置，D为底部45°处位置，E为管线底部中心处位置。管线在爆破振动下各部分的振速峰值和拉应力峰值相差较大，其中，管线底部的振速峰值最大，中部次之，顶部的振速峰值最小。E处的振速峰值最大，约2.935cm/s，其余依次为D，C，A和B处，B处的振速峰值最小，仅为0.764cm/s，与E处相差3.0倍左右：管线各部分的拉应力峰值相对较小，均未超过0.2MPa，而且管线各部分拉应力峰值与振速峰值并无关系，最大拉应力峰值并非出现在振速峰值最大的地方，管线中部的拉应力峰值最大，底部次之，顶部最小。

3.结束语

(1)衬砌振速和动位移随着角度的增大呈现出先增大后减小的趋势，在隧道拱顶区域达到峰值，且在迎爆区出现陡增。(2)爆破冲击作用使爆源附近衬砌内力大幅增加，最大增幅达5～10倍，且离爆源中心越近，增幅越明显，爆破影响范围大致在θ＞55°内。(3)在爆破拖曳作用下，衬砌处于大偏心受拉状态，易出现拉伸破坏，施工中应合理设计爆破方案。

参考文献

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