鄰近鐵路隧道爆破施工動力影響研究

陳 壯

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國鐵路隧道建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的新建鐵路隧道工程將投入建設(shè)，由于受地形地質(zhì)條件等因素的限制，新建隧道與既有隧道之間設(shè)計(jì)距離較近，交叉角度小，新建隧道在施工過程中，對既有隧道結(jié)構(gòu)破壞、影響運(yùn)營安全的情況時(shí)有發(fā)生。這就產(chǎn)生了下穿隧道爆破施工時(shí)，既要保證隧道施工安全，又要能使既有隧道安全穩(wěn)定的關(guān)鍵問題。因此，合理組織施工方案是減少對既有隧道影響的重要技術(shù)措施，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)仿真分析，研究隧道施工對既有隧道的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

1 工程概況

邊巖隧道下穿既有線焦柳鐵路蜈蚣山一號隧道，交叉點(diǎn)鐵路里程為DK48+580，平面交角34°軌底標(biāo)高為325.802 m，對應(yīng)焦柳鐵路里程為K1004+563.5，軌面標(biāo)高為369.479 m，結(jié)構(gòu)凈距43.677 m，既有焦柳鐵路上跨新建邊巖隧道，近接最短距離約30 m。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型

工法采用三臺階法，隧道邊緣以外3 m范圍采用注漿加固。以新建隧道與既有隧道中心線交匯處為中心，掘進(jìn)正、反方向取30 m研究范圍，模型上、下取4倍洞徑，為48 m?？紤]中臺階長度4 m，下臺階長度6 m，上臺階開挖至兩條隧道中心線交匯處為計(jì)算工況，計(jì)算所用的三維模型展示了兩隧道的空間位置關(guān)系(圖1)。

圖1 隧道空間位置關(guān)系

2.2 爆破荷載計(jì)算參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)

巖體爆炸是一個(gè)復(fù)雜的瞬時(shí)過程，炸藥在炮孔中爆炸產(chǎn)生高溫高壓的爆生氣體在炮孔中急劇膨脹，產(chǎn)生爆破沖擊波,作用于周圍巖體，形成了粉碎區(qū)，接著迅速衰減為應(yīng)力波[3-5]。由于炸藥爆炸機(jī)理及其影響因素的復(fù)雜性，當(dāng)前并沒有有效的量測手段，因此無法準(zhǔn)確確定爆炸過程的每一細(xì)節(jié)。目前常用的方法是根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式和爆破振動的監(jiān)測結(jié)果推測爆炸沖擊波的大小及衰減情況。在數(shù)值模擬中通常的做法是假定爆破輸入荷載為三角形脈沖波，該荷載形式需要確定荷載峰值和爆破荷載作用時(shí)間。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[6-7]，當(dāng)采用的裝藥形式為不耦合裝藥時(shí)，單個(gè)炮孔初始平均壓力P0由下式確定。

(1)

式中：dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑。

對于大且復(fù)雜的三維模型，為簡化建模工作量和節(jié)省計(jì)算工作量，等效荷載在建模時(shí)不考慮炮孔形狀，即在模型中不體現(xiàn)出來，然后對爆破荷載時(shí)程曲線進(jìn)行等效，施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面。為此本文采用等效壓力施加在炮孔軸線與同排炮孔連心線所確定的平面上，壓力作用的深度范圍與炮孔內(nèi)裝藥段長度相等，施加的等效壓力Pe為：

Pe=(2r0/a)p0

(2)

式中：r0為炮孔半徑;a為炮孔間距。

對于爆破荷載的作用時(shí)間，爆破荷載作用時(shí)間假設(shè)為t2=6ms，其中上升時(shí)間t1=1ms，下降時(shí)間為5 ms。等效三角爆破荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載時(shí)程曲線

2.3 斷面監(jiān)測

本次模擬主要對新建隧道與既有隧道中心線交匯處斷面進(jìn)行監(jiān)測，該斷面是兩條隧道空間關(guān)系上最近的斷面，同時(shí)，作為對比，監(jiān)測新建隧道與既有隧道外輪廓相交處的斷面，其中包括已開挖段和未開挖段。斷面監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖3，監(jiān)測斷面設(shè)置如圖4。

圖3 斷面監(jiān)測布置

圖4 監(jiān)測斷面

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于篇幅有限，僅列出監(jiān)測斷面一上臺階爆破施工對既有鐵路隧道的最大振動速度。圖5列出了X、Y、Z三個(gè)方向最大振動速度變化關(guān)系。

(a)既有隧道底板監(jiān)測點(diǎn)1振動速度時(shí)程

分析可知上臺階施工時(shí)，對既有隧道造成的影響最大。底板監(jiān)測點(diǎn)中，最大速度為Z方向振動速度，為3.01 cm/s，拱墻及拱頂?shù)恼駝铀俣认啾鹊装逭駝铀俣雀?，拱墻和拱頂部位未發(fā)現(xiàn)有振動超限的情況。一方面底板距離新建隧道最近，其次開挖上臺階時(shí)，相較于中臺階及下臺階，爆破部位距離監(jiān)測截面是最近的，因此這種振動效應(yīng)最明顯?？傮w而言，由于新建隧道和既有隧道之間距離較大，采用該爆破設(shè)計(jì)參數(shù)不會對既有隧道造成損害。

4 結(jié)論

通過進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了下穿隧道爆破施工引起既有鐵路隧道的動力響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

(1)采用爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工時(shí)，可能出現(xiàn)少許既有隧道底板振動速度超限的情況；但這是基于計(jì)算模型圍巖采用連續(xù)均勻介質(zhì)的前提。在實(shí)際情況下，由于圍巖為V級圍巖，圍巖破碎且存在節(jié)理，能在一定程度上阻礙爆破地震波的傳播，因此可認(rèn)為采用該套爆破設(shè)計(jì)參數(shù)是安全可靠的。

(2)最危險(xiǎn)的斷面在于上臺階掌子面所對應(yīng)的既有隧道段面，該斷面實(shí)施爆破施工時(shí)距離既有隧道最近，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)控；其次是新建隧道掌子面后方的區(qū)域，由于該部分圍巖相對已經(jīng)開挖的區(qū)域具有更高的完整性，爆破地震波傳播衰減小，對既有隧道影響大，因此也應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測；而對于已經(jīng)開挖區(qū)域?qū)?yīng)的既有隧道區(qū)域，可以作為次要監(jiān)測區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域受到的爆破地震波影響最小，其原因是新建隧道本身起到了隔震的作用。

(3)隧道的上、中、下三個(gè)臺階的面積比會影響既有隧道監(jiān)測，是因?yàn)殚_挖斷面越大，起爆時(shí)藥量越大，產(chǎn)生的爆破振動作用越大。對此可以考慮調(diào)整臺階面積比、采用微差起爆或者設(shè)置減震措施等手段進(jìn)行防護(hù)。