大跨度公路隧道洞口段爆破对高边坡安全影响研究

Journal of Safety Science and TechnologyVol. 16 No. 2Feb. 2020大跨度公路隧道洞口段爆破对高边坡安全影响研究!陈江(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳550000)摘 要：为研究大断面公路隧道洞口段爆破开挖对边坡稳定性的影响，以某公路隧道洞口段工程为研究背景#基于Abaquc有限

元软件，建立隧道一边坡三维数值计算模型，研究隧道洞口段爆破开挖对两侧高边坡安全性的影响，并分析砂浆锚杆对边坡的加 固效果%结果表明：隧道洞口段爆破开挖施工时边坡坡脚处围岩振速最大，爆破对边坡水平振速影响较竖向振速及轴向振速更

为显著，爆破时应控制坡脚及坡肩的水平振速；边坡坡面最大振速出现在洞口边坡坡面与仰坡坡面交线位置，边坡坡面与仰坡坡

面交线上顶点为坡肩振速最危险的特征点，下端点为坡面振速最危险的特征点；增加锚杆长度对边坡水平位移的控制效果较竖

向位移更为显著，锚杆长度宜取14 m%研究结果可为类似工程提供理论借鉴％ 关键词：山岭隧道；洞口边坡；爆破;锚杆加固；安全性中图分类号：X947 ；U455.6

文献标志码:A 文章编号：1673 - 193X( 2020) -02 - 0085 -07Sidy on influencc of blasting at portal srctio of large span highway tennei

on safety of high slopeCHEN Jiany(Guizhou Transportation Planning Survey & Design Acedeme Co. # Ltd. ,Guiyany Guizhou 550000 # China)Abstract: In order to study the influence of blasting excewtion at the portal section of larae section highway tunnel on the

slope stability, taking the portal section project of a highway tunnel as the research background, a three-dimensional numericel eaoeuoation modeoootunneo-soopewasestaboished based on the Abaqus oinite e oement sootwa ae. The inoouen ee oob oastiny e cea-

wtion at the portal section of tunnel on the safety of high slopes on both sides was studied, and the reinforcement effect of

mortar anchor on the slope was analyzed. The results showed that during the blasting ecceration construction at the portal sec­

tion of tunnel, the vibration velocity of surrounding rock at the slope toe was the latest, and the infuence of blasting on the

hooozontaoeoboatoon ee oo eoty o os oope was mo oe s oyn oooeant than thatooeeotoeaoeoboatoon ee oo eoty and acoaoeoboatoon eeooeoty, so

the horizontal vibration velocities of slope toe and slope shoulder should be centrolled during the blasting. The maximum vi­

bration velocity of the slope surface appeered at the intersection of the portal slope surface and the front slope surface, se the

top point on the intersection of the slope surface and the front slope surface was the most dangerous characteristic point for the

vibration velocity of slope shoulder, and the bottom point was the most dangerous characteristic point for the vibration velocity of slope surface. The control effect of increasing the anchor length on the horizontal displacement of slope was more significent

than that of vvrticel displacement, and the anchor length should be taken as 14 m. The research results cen provide some thee-

oetoeaooeoeoeneesooosomooaopooeeets.Key words: mountain tunnel ； portal slope ； blasting ； anchor reinforcement ； safetyc R亠

0 V =特别是大断面爆破开挖施工时，隧道洞口边坡容易受到爆破振动作用而产生坍塌、滑坡等破坏％因此针对大跨

公路隧道洞口常有边坡存在，因洞口段隧道埋深较 度公路隧道洞口段爆破对边坡的影响规律进行研究具浅，洞口爆破对洞口边坡的稳定性会产生较大的影响， 有重要意义％收稿日期：2019-10-14*基金项目：贵州省交通厅科技项目(2018 - 141 -025 )；贵州省科技计划项目(2018 -3011)作者简介：陈江，硕士，高级工程师，主要研究方向为隧道及地下工程％・86・中国安全生产科学技术第16卷国 学者对隧道爆破振动影响

进行相关研究，并取得 的研究成果％ [ 1 -6:

数 、析及现场监测研究隧道洞身爆破开挖对隧道洞身

边坡的稳 系数及边

的影响，并提边坡稳评

准；江学良等⑺

大型振动台模型模拟不同 对下伏隧道层

边坡的 度及动力位移的影响，表明边坡软

层

化岩层的分界面在耦合 易发生剪出破坏，应采取相应的预固措施；邓祥 ⑻ 对隧道爆 工进行 ，得出修正的多孔爆

峰

式；

[9­

12:

数 及现 研究隧道爆破对 筑物的 的影响，并提 相应的安全评 准％已有研究主要集中在洞身爆破开挖对洞身

边坡或 建（构）筑的影响，而针对大跨度 隧道洞 爆破对洞口位置边坡影响的研究 ，且对隧道洞 爆破工时边坡安全

措 化的研究成果尚为 ，有要对其展开相关研究。以某大跨度

隧道洞口段工程为研究背景，基于Abaqus有 软件，建立隧道一边

维数 」模型，研究隧道洞 爆破开挖对两侧高边坡安全性的影响

，并研究砂浆锚杆对洞口边坡的加固效果％1 工程概况位于贵州省内某双向六车道高速公路隧道长度为

1.39 km，隧道单线开挖净高为11.86 m,净宽为17.4 m，

隧道洞 结构顶板埋深为20.43〜24. 95 m，左 :相距28.9 m，隧道洞 主要为W级围岩， 为强一中风化灰岩，隧道洞口两侧为顺层灰岩高边坡，边坡表布3-6 m厚粉质黏土层，黏土层下基 化较为强烈，节理

，隧道左线左 大边坡高度为21.98m，

大边 高度为 19.56 m， 大边 高度为17.78 m，左侧边坡最大高度为15.65 m，左右线边

横向 度为45。，纵向倾角为33〜38。。隧道工

工， 层 工 时 进 行 爆 开挖，爆破循环进尺1.5 m，隧道衬砌设计如图1所示，隧

道初期支护

中空注浆锚杆+ C25喷 凝土 +1 22a钢拱架支护，二次衬砌厚度为0.7 m，为保证洞口边坡稳，洞 边

*32砂 锚杆进行加固，锚 距为2 m x2 m，长度为18 m，隧道洞口边坡设计如图2

所示。2爆破对洞口边坡影响计算分析2.1 模型建立为研究隧道洞 爆 动对洞 边 的 影 响 ，结合该隧道进洞口的

情况，采用Abaqus有限元软件，建立三维数值模型，模型O向长度为200 m，P盲径25中牢注热锚杆.A=4.517.4图1 隧道衬砌断Fig. 1 Tunnel lining section4叵出心

图2隧道洞口边坡平面Fig. 2 Plane of slope at einnel portal向长度为150 m, Z向高度为120 m,通过杆单元生成锚 杆，采用三维实体单元模拟隧道周边围岩，围岩采用莫

尔库伦弹塑性模型，支护采用均质弹性模型，本计算仅

考虑施作二次衬砌前隧道爆破开挖振动效应,隧道支护

结构为喷射混凝土、锚杆及钢架等初期支护，初期支护 中的型钢拱架通过刚度等效原则，将钢拱架的弹模折算

为混凝土弹模，等效简化为一定厚度的混凝土，与喷射

混凝土采用壳

模拟[13 *，模型共划分15.68 个单元，计算模型如图3所示。图3计算模型Fig. 3 Calculation model2・2模型边界条件施加对隧道洞

爆 动进行线性时程分析和特征，在对模型进行特征 时，需将模型边界定第2期中国安全生产科学技术・87・义为弹性边界，通过生成 系数通过相应

弹 义弹性边界，弹基反力系数计算；在对模型进行线时程分析时，需将模型边界定义为黏性边界，通算围岩在O, P,Z3个方向上的阻尼生成曲面阻尼弹簧 现黏性边界［⑷。对模型底部进行O, Y , Z方向的位

移 ，模型顶部及模型爆破荷载 边界设置为自由边界，其余设置为黏性边界或弹性边界，模型边界条件

如图4〜5所示％ 和支护力学结 数见表1 %图5黏性边界Fig. 5 Viscous boundary表1围岩和支护力学结构参数Table 1 Parameters of sprrounding rock and spppordmechan ncs s eruc eure参数度/( kN ・ m-3 )2 7402 500动/静弹模/GPa14/1.6动泊黏聚力sMP+内摩擦松比0.25角/(°)22图4弹性边界*级围岩C30 钢pC20喷射0.84Fig. 4 Elastin boundary38.5/300.2——2.3爆破荷载的施加根据《爆 安全规程》（GB 6722—2016 ）及已有研

混凝土钢拱架锚杆2 20025.4/220.2究成果［12，14-15 *， 表2 %得 隧道进洞口爆 数见7 8007 850280/2100.30.3————240 s200表2 隧道洞口炸药爆破参数Tabee 2 Parameeersofexpeosnvebeasenng aeeunneeporeae爆速/( m・s -1 )3 600度 s( ky・ m>3 )1 250孔直径/mm48药包直径/mm35孔长度/mm420药 长 度 smm380孑L距/ mm700基于已有研究成果［12，14-15*，将炸药爆破荷载等效转

12化为三角形冲击荷载，根据《爆破安全规程》（GB

Edw6722—2016），计算出爆破荷载峰值为11. 82 MPa，假定

9 6 3

洞口爆破1次完成，并将荷载作用在隧道开挖面［3*，等

鏗B曲总宦e搂»

、效三角形荷载曲线如图6所示，爆破加载时间为15 ms，

载 时 为 100 ms%2.4计算结果分析由于左

相距较大，左线边坡高度大于右线边坡，受施工影响更大，因此重点研究左线隧道洞口开挖 过程对边坡的影响％边坡测线如图7所示，分别提取隧 道洞口爆破开挖过程中隧道左线边坡坡脚线（A-B）$

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500时间/ms图6隧道洞口爆破等效三角形荷载坡肩顶边线（C-D）和洞口边坡坡面与洞口位置仰坡坡 面交线（A-C）的振速（包括总振速、水平振速、轴向振 速和竖向振速）变化规律进行分析％Fig. 6 Equivalent triangular load of blasting at

eunneeporeae由图8〜9可知振速随着爆破时间的增加而出现的 波动变化，最大峰值出现在爆破时间15 ms时，150 ms后 振速曲线趋于平稳;沿着洞口处坡脚A点轴向（A-B）,提取爆破开挖过程中边坡坡脚线！ A -B）振速曲 、 A

时程 结果如图8〜9所示％・88・中国安全生产科学技术第16卷2.01.8 A-r1.6仪 K总振速T1水平振速 0.8 - \\ %—轴向振速

竖向振速愛0.6 - ZZ12 16 20 24 28 32 36 40 44坡脚轴向深度/m图8 洞口坡脚(A-B)向振速曲线\"# = 15 ms)Fig. 8 Vin ration velocity curves of portal slope toe(A - B) (# = 15 ms)图9坡脚A点总振速时程曲线Fig. 9 Total vilration velocity time-history curve atpoint A of slope toe测点距洞口开挖面越远，边坡坡脚振速越力、，隧道爆破开挖过程中,边坡坡脚水平振速值最大,爆破开挖对水 平振速影响较竖向振速及轴向振速大很多,因此施工时

应重点对边坡坡脚的水平振速进行监测。提取爆破开 挖过程中洞口坡肩（C-D）向振速曲线、坡肩C点总振速时程曲线结果如图10〜11所示。由图10〜11可知振速随着爆破时间的增加出现的

波动变化，最大峰值出现在爆破时间15 ms时,150 ms后图10洞口坡肩(C-D)向振速曲线\"# = 15 ms)Fig. 10 Vilration velocity curves of portal slope

shoulder ( C-D) ( # = 15 ms)图11 坡肩C点总振速时程曲线Fig. 11 Total vilration velocity time-history curve at

ponntC of slope s ioulder振速曲线趋于平稳；爆破开挖对边坡水平振速影响较竖 向振速及轴向振速大很多，沿着坡肩C点轴向（C -D）, 测点距洞口开挖面越远,边坡坡肩振速越小。隧道爆破

开挖过程中，洞口边坡坡面与仰坡坡面交线！ A-C）上顶 点（C点）为坡肩振速最大位置,为坡肩振速最危险的特

征点，施工时应加强对该处坡肩的水平振速位移进行监

测，必要时对其进行加固处理。提取爆破开挖过程中坡

面（A-C）斜向振速结果如图12所示。由图12可知，沿着坡面从坡脚斜向至坡肩，测点距

离洞口开挖面越远,边坡坡面内侧振速越力、，边坡坡面

最大振速出现在洞口边坡坡面与仰坡坡面交线A -C 下端点（A点）处,隧道边坡坡面水平振速受爆破振动影 响 为 ， 爆 工时应 强对洞 边

仰坡面交线下端点处水平振速的监测。3锚杆加固对边坡稳定性影响分析现场施工时采用直径32 mm砂浆锚杆对边坡进行

加固处理,为进一步得到锚杆在振动效应下对边坡围岩

第2期中国安全生产科学技术・89・总振速 水平振速 舖由振速 竖向振速0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26坡面内侧斜向距离/m图12 坡面(A-C)斜向振速分析(# = 15 ms)图14不同锚杆长度下边坡坡脚位移Fig. 12 Analysis on oblique vinration velocity of slopeFig. 14 Displaccment of slope toe under differrnt

anchor lengthssprfacc ( A - C) ( # = 15 ms)的加固效果，本文对不同锚杆长度下边坡振速、位移及

边 处于稳

抗剪安全系数（当安全系数# 1.2时边 1岩[16）化 进行 %工 置时，选*取锚杆长度为 2,4,6,8,10,12,14,16,18,20 m 10 种工

进行模拟 杆长度下边 图13〜16所示％，在同锚杆长度下根据砂浆锚杆对边、坡脚及坡肩位移、抗剪安全系数如的加固效果对锚杆长度进行优化％提取不同锚

图15不同锚杆长度下边坡坡肩位移Fig. 15 Displaccment of slope sPoulUer underdifferrnt anchor lengths图13不同锚杆长度下边坡振速Fig. 13 Vinration velocities of slope under differrntanchor lengths由图13〜16可知,锚杆长度变化对边坡坡脚与坡 肩的振速和位移以及 位移

抗剪安全系数影响较大,当锚图16不同锚杆长度下抗剪安全系数杆长度小于14 m时,随着锚杆长度的增加,边坡振速及

, 抗 安全系数 提高,说明隧道Fig. 16 Shear safety factors under differsnS anchoreengehs边坡安全性显著提高,但当锚杆长度大于14 m后,继续

锚杆长度对边坡安全

效果不明显； 锚振速及位移的影响,锚杆长度宜取14 m%采用优化后的砂浆锚杆长度对洞口边坡进行加固,

长度时边坡水平位移减小幅度比竖向位移大很多，可见 增加锚杆长度对边坡水平位移的控制效果比竖向位移

现场施工过程中对洞口边坡进行监测，提取洞口边坡坡仰

更为显著,因此实际设计及施工时应重点考虑锚杆支护 （A-C）

时程

（A ）、坡肩（C对边坡水平位移的控制效果,基于锚杆长度变化对边坡点） 结果如图17所示，并与对应的

・90・中国安全生产科学技术第16卷模拟计算结果(图18)进行对比，如表3所示％2.01.81.6yi坡脚A点总振速 1.4—坡肩C点总振速1.21.00.80.60.40.2-A 2 ____I__I______I____I____I____I____I____I____I____I0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

时间/ms图17 A,C点总振速监测值Fig. 17 Monitoring values of total vilration velocity atponntA andponntC2.01.8---坡脚A点总振速 1.6----坡肩C点总振速1.41.21.00.80.60.40.2-0.20

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

时间/ms图18 A,C点总振速模拟计算值Fig. 18 Simulated calculation valuet of total vilrationvelocnty atponntA andponntC表3 A,C点振速峰值Table 3 Peak valuet of vilration velocity at pointA andponntC监测点AC计算值/( cm - s -1 )1.781.49监测值/( cm - s -1 )1.671.39相对误差/%6. 16.8由图17〜18及表3结果可知,数值模拟波形与现

场监测的爆破振动波形基本一致， 结果 大于对 应

，其中者最大相对误 为6.8% %根据《爆破安全规程》(GU 6722—2016), 数值模拟 :误差在工程允许

，验证

数值模拟 模拟的正确性。4结论1)隧道洞口段爆破开挖施工时边坡坡脚处围岩振

速最大,受爆破影响最为显著,爆破对边坡水平振速影

响较竖向振速及轴向振速更为显著,爆破时应控制坡脚

及坡肩的水平振速，加强对其水 进行监测。2) 隧道洞口段爆破开挖施工时边坡坡面最大振速出现在洞口边 仰坡坡面交线位置,边 ［面与仰坡坡面交线上顶点为坡肩 的特征点,洞口边坡坡面与仰坡坡面交线下端点为

的特征点％3) 基于不同锚杆长度下边坡振速、位移及围岩抗剪

安全系数变化规律,锚杆长度宜取14 m；增加锚杆长度 对边坡水平位移的 效果较竖向位移更为显著，实际

设计及施工时应 考虑锚 护对边坡水平位移的效果％4 \"通过将现场监测振速值与数值模拟计算值对比,

结果大

结 果, 相 对 误 在 工 程 许 ,说明

结果较安全且合理，可以满足工程需要％参考文献:1 *黄诗渊，王俊杰，康凯，等•傍山隧洞爆破开挖的坡面振动特性分

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全力支持湖北疫情防控工作应急管理部认真贯彻落实习近平总书记重要讲话精神，按照中央应对新冠肺炎疫情工作领导小组部署，全力支 持湖北疫情防控工作％ 2020年2月17日，根据湖北省请求，应急管理部会同国家粮食和物资储备局，向湖北省紧急 组织调拨第三批中央救灾物资5万床棉被、1万张折叠床，用于群众转移安置和隔离观察,以及为方舱医院提供支

持，帮助湖北做好疫情防控工作％截至目前,应急管理部会同国家粮食和物资储备局累计向湖北省调拨了 19.8万 件棉衣、棉被、折叠床等救灾物资，用于支持疫情防控工作％