張國祥 肖清華 熊強(qiáng) 韓翔宇 錢家珺 朱玉

（1.河北省高速公路延崇籌建處，河北 張家口 075400；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

一、引言

我國地形復(fù)雜多樣，其中山地面積約占國土總面積的1/3。山地高差大、坡度陡的特點(diǎn)，給山地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來了一定的困難。尤其對(duì)于山地公路隧道而言，往往存在隧道進(jìn)出口高差大的問題。因而，可采取修建螺旋隧道的方法，即通過增加隧道的整體里程降低隧道的局部坡度，保證隧道行車安全。

目前，關(guān)于螺旋隧道的研究較少，螺旋隧道爆破開挖影響的研究更是匱乏。已有研究表明，爆破荷載是一種沖擊荷載，其作用壓力大、釋放能量高、作用時(shí)間短，會(huì)對(duì)爆源一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。因此，螺旋隧道必須研究爆破荷載對(duì)隧道初襯結(jié)構(gòu)的影響。本文以金家莊雙螺旋公路隧道為研究背景，采用MIDAS/GTS對(duì)隧道爆破開挖進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析爆破對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，得到隧道不同部位的振動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)，以期為類似螺旋隧道爆破安全控制提供參考。

二、數(shù)值仿真

（一）模型及參數(shù)

根據(jù)金家莊雙螺旋公路隧道設(shè)計(jì)方案，雙螺旋隧道主洞的最大橫向、豎向跨徑分別為13m、10m。采用MIDAS/GTS建模時(shí)，為了削弱邊界效應(yīng)的影響，本研究在一定程度上增加隧道至模型邊界的距離，如圖1所示。隧道平均深度為100m，在模擬時(shí)通過在上部邊界施加相應(yīng)的地層荷載來模擬自重應(yīng)力。

圖1 模型尺寸圖

參照相關(guān)地質(zhì)勘察報(bào)告及施工方案，隧道所在地段為Ⅳ級(jí)圍巖，爆破開挖后，采用錨噴進(jìn)行支護(hù)。本研究借助4m植入式桁架單元模擬系統(tǒng)錨桿，采用2D板單元模擬噴射混凝土，借助摩爾-庫倫本構(gòu)模型描述圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，具體模擬材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于開挖面附近隧道仍未施作二次襯砌，因此在本研究的隧道結(jié)構(gòu)模擬中并未考慮二襯結(jié)構(gòu)。

表1 模型力學(xué)參數(shù)取值

對(duì)于爆破荷載的模擬，本研究參照爆破方案，針對(duì)施工中選用的2#巖石乳化炸藥，指定周邊孔的爆破荷載作為爆破動(dòng)載。通過爆破荷載計(jì)算公式，得到模擬采用的等效爆破峰值荷載為8.7MPa。

（二）測點(diǎn)布置

根據(jù)螺旋隧道爆破施工方案，左側(cè)隧道先行于右側(cè)隧道施工，左側(cè)掌子面領(lǐng)先于右側(cè)掌子面約20m，其襯砌結(jié)構(gòu)早于右側(cè)隧道施作，既受到先行洞的影響，又受到后行洞的爆破影響。因此，本研究主要以左側(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。如圖2所示，在左側(cè)先行洞掌子面后方20m襯砌結(jié)構(gòu)均勻布置4個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面之間間隔10m。對(duì)于每個(gè)斷面，分別選擇拱頂、左右拱腰、拱底四個(gè)位置作為監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

三、計(jì)算結(jié)果及分析

（一）先行洞爆破

首先，研究先行洞爆破對(duì)左側(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)先行洞掌子面施加爆破荷載，以圍巖矢量振動(dòng)速度為指標(biāo)，分析模擬計(jì)算結(jié)果。限于篇幅，本研究僅提取左右兩側(cè)隧道間距為30m工況的計(jì)算結(jié)果。

從圖3中不同監(jiān)測斷面的振動(dòng)速度可以發(fā)現(xiàn)：在距離爆源10m、20m、30m、40m的監(jiān)測斷面，最大振動(dòng)速度分別為7.06cm/s、2.41cm/s、1.20cm/s、0.63cm/s，最大振動(dòng)速度隨著與爆源距離的增加而迅速降低。在距離爆源較近的區(qū)域，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在監(jiān)測斷面拱底的位置。在距離爆源較遠(yuǎn)的區(qū)域，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在隧道拱頂處，該現(xiàn)象可能與隧道空間放大效應(yīng)有關(guān)。

圖3 距先行洞爆源不同位置各監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度

（二）后行洞爆破

隨后，研究后行洞爆破對(duì)左側(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)后行洞掌子面施加爆破荷載，以振動(dòng)速度為指標(biāo)，開展爆破振動(dòng)模擬。

根據(jù)圖4振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在距爆源20m、10m、0m、-10m位置，最大振動(dòng)速度分別為1.18cm/s、1.44cm/s、1.45cm/s、1.06cm/s，隨著與爆源距離的增加，最大振動(dòng)速度逐漸降低。此外，不同于先行洞爆破模擬結(jié)果，對(duì)于4個(gè)監(jiān)測斷面而言，最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在右拱腰位置。究其原因，右洞爆破開挖時(shí)，左洞的右側(cè)拱腰位置距離爆源最近，振動(dòng)衰減最小。因此，在右洞施工時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注左洞襯砌結(jié)構(gòu)在右側(cè)拱腰位置的動(dòng)力響應(yīng)情況。

圖4 距爆源不同位置各監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度

四、結(jié)語

爆破振動(dòng)速度隨著時(shí)間的推移迅速衰減，并隨著與爆源距離的增加逐漸減小；先行洞爆破時(shí)，左側(cè)隧道在距離爆源較近區(qū)域，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在監(jiān)測斷面拱底位置，在距離爆源較遠(yuǎn)區(qū)域，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在隧道拱頂處；后行洞爆破時(shí)，左側(cè)隧道各監(jiān)測斷面的最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在右拱腰位置，在隧道爆破施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。