爆破开挖进尺对既有隧道影响的数值模拟分析

科技论坛 爆破开挖进尺对既有隧道影响的数值模拟分析 岳 磊 杨建民 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031 摘要：以待建的塔石岭隧道为背景，采用数值模拟分析的方法系统研究了塔石岭隧道不同开挖进尺对既有隧道衬砌的影响规律。结果表明：在1m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到1.5cm/s；在2m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到7.58cm/s；在3m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到20.95cm/s。为塔石岭铁路隧道开挖控制爆破提供参考，指导施工。此外，采用《爆破安全规程实施手册》中修正的萨道夫斯基公式计算相同条件下既有隧道衬砌监测点的振动速度，与数值模拟计算振动速度对比，数值分析模拟结果和理论模型计算的数据比较接近，说明了数值模拟计算结果较为准确。 关键词：爆破；开挖进尺；既有隧道；振动速度 中图分类号：U45 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）03-0389-03 引言 破碎节理裂隙发育。地下水主要为基岩裂隙水，洞身段弱~不发育，新建隧道爆破开挖可能造成邻近既有隧道有所损伤，即新建隧进出口、浅埋段较发育。隧区内地表水为冲沟水，受大气降水影响道爆破开挖产生的爆破地震波会对近距离的既有隧道周边围岩和隧间歇性流动，不发育。从整体上看，隧道围岩较好。隧道两端埋深道衬砌结构的安全和稳定性造成一定程度的危害。新建铁路隧道与较小，中部埋深较大。 既有隧道之间的距离较近非常普遍，研究如何在保证新建隧道爆破衢宁铁路塔石岭隧道与S328省道坑底岭隧道相交，交叉里程为开挖不影响既有邻近隧道的结构和正常安全运营的情况下，又能保DK151+185，交叉处围岩为Ⅲ级，坑底岭隧道采用Ⅲ级围岩衬砌。其障新建隧道的施工进度要求，具有十分重要的科学意义和实用价值。 中塔石岭隧道开挖底部标高为301.7m，S328省道坑底岭隧道路面标目前，国内外相关学者通过爆破振动现场、室内试验和数值模拟高约为279.69m，拱顶开挖标高为286.70m。两隧道的最小间距15m，等对新建隧道爆破施工对邻近隧道安全的影响进行了一定程度的研小于国家规定100m安全距离。 [1-3]究。Datta、Modie、Tan等主要研究柱形或圆形空腔波辐射及散射3 数值分析假定及工况确定 [4]动荷载下，结构反应的瞬态分析。林学文等 分析和论述了地下构筑采用Mdias/GTS数值模拟方法分析爆破开挖对既有邻近隧道结物在爆破振动影响下的破坏作用和破坏特征，得到了背爆侧振动速度构的影响。由于现场围岩为岩石，计算模型采用Hoke-Brown本构模仅有迎爆侧振动速度的1/25的结论，并提出了相关减震新措施。张型。根据现场实际情况，对爆破冲击荷载的大小、作用位置和方向、[5]超采用LS-DYNA动力有限元软件建立隧道三维有限元模型，使用了时程规律和持续时间等做出如下的假设： 隐式-显式联合求解方法，并结合现场监控量测振动数据，分析得出（1）爆炸荷载以时程荷载形式作用在洞室壁上的单元节点上，不同装药结构、不同开挖方式下新建隧道爆破开挖对邻近隧道衬砌结方向垂直于隧道壁。 [6]构的爆破振动影响规律。冯仲仁等 使用数值模拟软件研究了邻近新（2）根据计算和爆破的实际情况，荷载曲线采用Starfield等建隧道受既有隧道爆破振动影响，结果表明既有隧道衬砌安全性受近建议的公式，总的计算时间取0.02s。该公式为 距离爆破的影响很大，由此提出了可减轻振动的隧道爆破施工的几种 PD(t)4PB(exp(Bt)exp(2Bt))（1） [7]2措施。钟建辉 采用ANSYS软件，在考虑不同爆破影响敏感因子的情 72况下，数值模拟了新建隧道爆破开挖对既有隧道衬砌的动态结构响应 Pdet4.1810SgeVe其中，（2） [8]10.8Sge的影响。乔宪队 基于FLAC软件，研究了邻近隧洞在爆破振动荷载 [9]dc3作用下的动力响应。于天生利用有限元软件数值模拟小近距隧道爆（3） PBPdet()dh 破开挖过程，研究小近距隧道爆破开挖对邻近隧道受力状态的影响，得到了小近距所答爆破开挖对邻近隧道的影响规律。杨年华等 采用DYNA_2D程序分析了近距离爆破造成的邻近隧道周边振动场分布规[11,12]律，并据此提出了相关降低爆破振动的一些措施。姚勇等 采用ANSYS软件数值模拟新建速到爆破开挖对邻近隧道的爆破振动影响规[13]律，并结合现场监控量测数据提出了一些合理的减震措施。赵丰等采用MIDAS/GTS软件对既有隧道受邻近新建隧道爆破振动影响进行了模拟研究，得出了爆破距离与既有隧道衬砌拱顶振动速度的关系，并计算得出了相应的爆破施工安全距离。 综上所得，国内外学者使用现场、室内试验以及数值模拟等方法，对新建隧道爆破施工对既有邻近隧道的影响有了一定程度的掌握，但是由于不同工况条件下爆破施工对既有邻近隧道的影响程度和范围有所差异，本文采用Midas/GTS/NX软件探究塔石岭隧道不同爆破开挖进尺对既有隧道的影响，指导工程施工。 2 工程概况 塔石岭隧道在浙江省龙泉市龙泉镇境内，是衢州至宁德铁路的一座隧道，该隧道是铁路单线单洞隧道，起讫设计里程为DK148+642.11～DK152+315，隧道全长3672.89m。隧道进、出口地面及路肩标高分别为303.65/292.63m、300.03/297.78m，隧道最大埋深244.04 m。隧区为剥蚀丘陵区，地形起伏较大，丘坡自然坡度el+dl约20~45度，植被茂密，以乔木及灌木为主。丘坡表层为Q粉质黏土，褐黄色，硬塑，局部夹碎石，层厚约1-3m；下伏基岩主要为2侏罗系上统上段（J3d）流纹质含角砾玻屑凝灰岩，强～弱风化，强风化层呈黄褐色，厚度15～27m，其下为弱风化层，岩质硬，岩体[10]Pdet是爆破荷载，PB是作用在孔壁面上的退耦爆破压力，Ve是爆破速度，dc是装药直径，dh是装药孔直径，Sge是容重，B为荷载系数，为每1kg装药量产生的动压力，可取16338。如单段药量2kg的荷载时程曲线见图1。 图1 爆破荷载时程曲线图 全断面法爆破加载区在掌子面及一个开挖循环周边，荷载以压力形式的均布荷载作用在洞室壁上的单元节点上，方向垂直于隧道壁。爆破荷载基本上可划分为如图所示的两个阶段：近线性上升阶2017年3期︱389︱ Technology Forum 段荷载和近线性下降阶段荷载。 根据《铁路隧道施工规范（TB 10204-2002）》及塔石岭隧道的实际情况，在Ⅲ级围岩爆破时，进尺为1.0m、2.0m、3.0m时，一次爆破的最大单响炸药量分别为5kg、15kg、80kg。 Midas/GTS静力分析是动力分析的前提和基础。在使用Midas/GTS进行隧道爆破动力问题计算分析之前首先要进行初始地应力和施工开挖模拟分析，得到动力分析前的有效应力场和稳定流场，然后施加爆破荷载进行动力分析。为了准确模拟实际场地中爆破振动波的传播过程，消除散射波在模型边界上的反射影响计算结果，采用粘弹性边界，以吸收或消耗传往边界外的波动能量。 如图2所示在既有隧道拱顶的衬砌上沿纵向布置3个测点，监测点之间的距离为25m，监测点2位于两隧道交叉垂直正下方。监测点用于监测新建隧道在开挖过程中，既有邻近隧道衬砌所受的影响程度。 图2 既有隧道监测点布置 不同循环进尺意味着单段最大药量不同，会影响爆破开挖过程中既有隧道的振动速度和位移值。同时，不同进尺对工期影响较大，进尺合适可大大提高施工效率，进尺过大易导致隧道失稳，进尺过小导致工期增加。为了达到规避风险、加快进度和节约投资的目的，要根据实际情况综合考虑安全、快速、质量和环保的要求做出正确的选择。拟建衢宁铁路塔石岭隧道的爆破开挖对下方既有S328省道隧道的影响研究，主要考虑三种工况。工况1：1m循环进尺爆破开挖；工况2：2m循环进尺爆破开挖；工况3：3m循环进尺爆破开挖。4 数值分析模型及计算参数 4.1 数值分析模型 在数值模拟计算模型尺寸选择方面，应避免由于尺寸效应造成计算结果失真。根据弹塑性力学理论，一般而言数值模拟模型边界尺寸应为隧道尺寸的3-5倍。据此，本次数值计算三维模型尺寸选取为：长×宽×高=150m×100m×87m，隧道尺寸按1:1选取，模型划分21512个单元，53780个节点。塔石岭隧道纵向作为Z轴且过隧道拱心，Y轴竖直向，X轴沿隧道掘进方向的右侧。模型4个侧面及底部均设为无反射的粘弹性边界，粘弹性边界位移满足Ux=0、Uy=0、Uz=0,地表及隧道已开挖周边和既有隧道周边为自由边界，数值计算采用的三维实体单元类型为实体单元。拟建衢宁铁路塔石岭隧道与既有S328省道坑底岭隧道交叉计算模型网格图见图3（a）。其中工况1~工况3都是最危险施工条件和最危险断面的最不利工况，即既有隧道正上方、全断面开挖，见图3（b）、图3（c）图3（d）。 （a）计算模型网格图 （b）工况1 ︱390︱2017年3期 （c）工况2 （d）工况3 图3 隧道模型图 4.2 模型参数 模型中围岩及隧道衬砌的物理力学参数见表1。 表1 有限元分析参数表 围岩级别 弹性模 内摩擦角/量/GPa 泊松比 （°） 粘聚力/MPa 密度/kg·m-3） Ⅲ 6 0.25 42.5 1.5 2300 C30混凝土 31 0.20 - - 2500 5 计算结果分析 塔石岭隧道掌子面在既有隧道正上方以全断面法爆破施工，分析了既有隧道衬砌上3个监测点处的振动速度和衬砌位移量与时间的变化关系。 5.1 模型工况1计算结果分析 图4（a）为1m开挖进尺情况下，既有隧道衬砌上3个监测点的振动速度时程曲线，最大振动速度为1.5cm/s，小于爆破安全规程的允许振动速度。图4（b）为既有隧道衬砌上3个监测点的位移时程曲线，既有隧道衬砌最大位移为6.9447e-6m，基本上不会影响邻近隧道的安全。 图4（a） 振动速度时程曲线（单位m/s） 图4（b） 衬砌位移量时程曲线（单位m/s） 5.2 模型工况2计算结果分析 图5（a）为2m开挖进尺情况下，既有隧道衬砌上3个监测点的振动速度时程曲线，最大振动速度为7.53cm/s，接近爆破安全规程的允许振动速度。图5（b）为既有隧道衬砌上3个监测点的位移时程曲线，既有隧道衬砌最大位移为1.4794e-5m，基本上不会影响邻近隧道的安全。 图5（a ）振动速度时程曲线（单位m/s） 科技论坛 砌质点的最大振动速度，见表2。 表2 数值模拟和理论计算结果 计算类型 振动速度 数值模拟 理论计算 1 1.50 0.74~2.95 开挖进尺(m) 2 7.58 1.94~7.76 3 20.95 5.30~21.18 图5（b） 衬砌位移量时程曲线（单位m/s） 5.3 模型工况3计算结果分析 图6（a）为3m开挖进尺情况下，既有隧道衬砌上3个监测点的振动速度时程曲线，最大振动速度为20.952cm/s，超过了爆破安全规程的允许振动速度。图6（b）为既有隧道衬砌上3个监测点的位移时程曲线，既有隧道衬砌最大位移为2.109e-5m，基本上不会影响邻近隧道的安全。 图6（a） 振动速度时程曲线（单位m/s） 图6（b） 衬砌位移量时程曲线 5.4 数值分析模拟结果与理论模型计算对比分析 根据《爆破安全规程实施手册》，采用修正的萨道夫斯基公式计算爆破振动速度，该公式为： （4） 其中v是质点峰值振动速度(cm/s),Q是爆破装药量(kg),齐发爆时取为总药量，1m爆破开挖进尺时总药量为3kg，2m爆破开挖进尺时总药量为15kg，3m爆破开挖进尺时总药量为80kg；R是测点距爆源中心的距离(m)，取值15m；K'是修正系数，取值为0.25～1.0；K是与岩石性质、爆破参数和方法有关的系数,取值200；是爆破振动波隧距离衰减的指数，取值1.8。 通过数值模拟和理论计算，可得到不同开挖进尺下既有隧道衬由表可知，将未考虑修正系数的理论模型计算的结果与数值分析模拟的结果进行比较，该公式得到的振动速度与模拟的振动速度有一定的偏差，当考虑修正系数后，数值分析模拟结果与理论模型计算的数据较为吻合。 6 结语 （1）针对塔石岭隧道，在1m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到1.5cm/s；在2m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到7.58cm/s；在3m开挖进尺时，既有隧道衬砌振动速度的最大值达到20.952cm/s，2m和3m开挖进尺时的最大速度均大于5cm/s。建议在既有隧道正上方一定范围内采用1.5m开挖进尺。 （2）采用《爆破安全规程实施手册》中修正的萨道夫斯基公式计算相同条件下既有隧道衬砌监测点的振动速度，与数值模拟计算振动速度对比，数值分析模拟结果和理论模型计算的数据比较吻合，说明了数值模拟计算结果较为准确。 （3）本论文通过数值模拟软件，探讨了最不利工况条件下，新建隧道不同开挖循环进尺对正下方既有隧道的影响。在保障安全的前提下，为了尽可能的增大施工效率，可探讨最不利工况条件下，新建隧道与既有隧道的距离发生变化时，不同开挖循环进尺对既有隧道的影响。 参考文献: [1]S.K.Datta,A.H.Shah. 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[13]赵丰,薛亚东,李硕标等.新建铁路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距离研究[J].铁道科学与工程学报, 2016,(7):1365-1371. （上接第 388 页） 湿度、气压以及大气污染等环境的影响；其中温度和湿度对电气自动化的安全运行影响最大。特别是在低温的条件下，当环境中的湿度处于饱和状态的时候，在电气自动化控制设备的表面就会形成一层凝露，久而久之就会造成设备内部的零件被腐蚀，从而导致漏电事故的发生。除此之外，潮湿的空气也会使自动化控制设备表面上的保护膜脱落，然后就会导致该设备的绝缘性降低。所以对于电气自动化控制设备，我们要做好防护工作，避免电气自动控制设备受到外界环境的影响而发现故障。 4 结语 总而言之，电气自动化技术在我国的电气工程中的应用越来越广泛，所以，我们要加大其在电气工程中应用的力度，发挥电气自动化技术的功能。与此同时，我们要积极的学习国外的先进技术，汲取经验来加强我国的电子自动化技术，并完善我国的电气工程建设，最后实现我国社会经济的可持续发展。 参考文献： [1]陈晓琪.电气自动化在电气工程中的应用探索[J].山东工业技术,2016,(1):83,90. [2]刘晓东.电气自动化在电气工程中的应用分析[J].智能城市,2016,(2): 202-204. 2017年3期︱391︱