吳賢聿 杭州鐵路設(shè)計院有限責任公司

1 問題的提出

平陽縣荊溪路是一條南北向的區(qū)域內(nèi)部交通主線，其主要交通功能為集散鰲江火車站內(nèi)部交通，收集支路與區(qū)塊交通后向?qū)ν庵饕缆愤M行交通轉(zhuǎn)換，達到快速疏散交通的作用，故荊溪路對集散火車站地區(qū)的交通有著不可估量的作用。荊溪路道路等級為城市次干路，南起104國道，北至站前北路，全長2 885 m，計算行車速度40km/h，道路紅線寬度30 m，其間含橋梁兩座。荊溪路K0+700～K0+840曲線區(qū)段從山體旁邊穿過，設(shè)計方案是對山體進行開挖，形成路塹。路基開挖寬度為30 m，開挖的最大高度12.7m。溫福鐵路從該段西側(cè)以隧道方式通過，水平最近距離約40m(見圖 1)。

圖1 擬建道路與既有隧道位置關(guān)系圖

根據(jù)設(shè)計方案，由于山體距離鐵路隧道較近，且開挖高度和長度較大，方案實施時可能存在以下風險：

(1)大開挖使山體圍巖應力發(fā)生一定的變化，產(chǎn)生一定的圍巖變形，引起臨近的溫福鐵路隧道結(jié)構(gòu)應力變化，產(chǎn)生位移。若應力和變形過大，使隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷或破壞，影響結(jié)構(gòu)使用。

(2)山體爆破開挖的爆破震動荷載較大，產(chǎn)生較大的振動加速度和位移，引起臨近的溫福鐵路隧道產(chǎn)生較大的振動，若振動過大，將影響列車安全運營。同時，過大的振動力也會導致結(jié)構(gòu)的破壞。鑒于以上原因，本文針對臨近溫福鐵路隧道段的開挖方案對荊溪山鐵路隧道的結(jié)構(gòu)影響和安全運營進行分析、評估，并提出合理化建議。

2 問題的分析

通過邊坡開挖前后的靜力分析，雖然開挖會引起隧道一定的變形和應力重分布，但從計算的結(jié)果來看，最終的數(shù)值均比較小，影響較小。因巖性較好，山體開挖過程中需采取爆破措施，本文的重點是分析爆破震動對隧道的影響，并提出優(yōu)化建議。

2.1 爆破振動的動力有限元分析

本文采用ABQUS對爆破的振動響應進行動力分析。分析過程中，按照《爆破使用手冊》，將爆破荷載代替為相當?shù)牡卣鸷奢d進行分析。

平面模型的動力分析按照《爆破使用手冊》，將700 kg炸藥的爆破荷載代替為相當?shù)牡卣鸷奢d，其中選定的加速度時程曲線如圖2所示。

圖2 加速度時程曲線

動力分析時，材料的本構(gòu)關(guān)系分別是：隧道混凝土作為彈性材料計算，巖體仍按彈塑性材料計算，巖體塑性屈服準則選用摩爾-庫侖屈服準則如前所述。

具體計算采用ABQUS隱式積分動力分析。爆破前后的隧道變形如圖3和圖4所示。

圖3 爆破前的隧道

圖4 爆破后(0.4 s)的隧道變形圖

從圖3和圖4可以看出，實施爆破以后，隨著應力波在圍巖中的傳播，對隧道起到了一定的擠壓作用，隧道有向內(nèi)變形擠壓的趨勢。

⑴爆破荷載引起的水平位移分析

計算結(jié)果表明，實施爆破后的0.4 s，位移最大值發(fā)生在放藥爆破的位置，隨著距離的增加，水平向位移不斷減小，在隧道附近的位移量值約0.2 mm～2.9 mm。由于缺乏隧道動力作用下變形的規(guī)范規(guī)程，本文參考依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》TB10003-2005關(guān)于靜力的限值：最大的位移量值滿足Ⅱ級圍巖雙線隧道的預留變形量10～30 mm的要求，同時也滿足第10.3.5條關(guān)于最大撓度的規(guī)定。顯然爆破對隧道的位移還是存在一定影響，但最大位移值2.9 mm對隧道結(jié)構(gòu)安全風險屬于可接受，但需嚴格控制。

⑵爆破荷載引起的最大主應力分析

計算結(jié)果表明，爆破后0.4 s，最大主應力的拉應力的最大值為1.22 MPa，位于邊坡開挖的斜坡處。最大主應力的壓應力的最大值為1.24 MPa，出現(xiàn)于隧道的右下角。最小主應力的拉應力的最大值為0.65 MPa，位于斜坡坡腳處。最小主應力的壓應力的最大值為7.83 MPa，位于靠近斜坡處。

依據(jù)前面所述的莫爾-庫倫屈服準則，隧道的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)仍然在彈性范圍內(nèi)，且主應力值小，對隧道的安全可以接受。

爆破后0.4s后，隧道右拱腰點的水平位移最大值達到2.75 mm，朝向隧道內(nèi)側(cè)變形。其量值對隧道安全是可以接受的。隧道拱頂點的水平位移最大量值達到2.73mm，朝向隧道內(nèi)側(cè)變形。其量值對隧道安全是可以接受的。左拱腰點水平位移達到最大值1.91 mm，朝隧道外變形。其量值對隧道安全是可以接受的。

隧道的振動加速度對列車的振動存在一定的影響，過大的振動加速度不但引起旅客列車的舒適度減小，嚴重時導致列車脫軌。我國相關(guān)鐵路規(guī)范規(guī)定當列車通過時，相關(guān)結(jié)構(gòu)物在荷載平面內(nèi)的橫向振動加速度不應超過1.0 m/s2。

計算結(jié)果表明，爆破后0.25s，右拱腰點水平加速度達到負的最大值0.7 m/s2。振動加速度對列車的安全影響基本可以接受，但不排除存在安全隱患。

2.2 邊坡爆破影響小結(jié)

⑴爆破地震效應引起的隧道位移，盡管不會引起結(jié)構(gòu)開裂或破壞，由于現(xiàn)行規(guī)范沒有對動位移作出明確限制，參照規(guī)范對靜位移的規(guī)定，雖然滿足需要，但接近極限，風險雖可接受，但需高度重視，合理控制；

⑵由于地質(zhì)條件較好，爆破引起的應力變化不大，不會因引起結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

采用露天淺孔爆破方式進行山體巖石開挖，爆破的地震效應引起荊溪山鐵路隧道的較大振動，對列車的安全運營存在隱患，這也是與完整巖石的良好波傳播特點一致。

3.2 建議

(1)若采用邊坡開挖，形成深路塹高邊坡，則嚴禁采用深孔爆破、硐室爆破等大噸位炸藥的爆破方式。

(2)若需要采用淺孔爆破，由于巖石完整性好，振動波傳播性能好，按照前述分析，常規(guī)的炸藥用量也不能滿足列車運營的安全需要，可考慮采用更小量炸藥的爆破方式。

(3)邊坡開挖，建議采用控制爆破技術(shù)（預裂爆破、多段微差爆破），或其他開挖方式，如機械開挖、人工開挖等。