曲 勰
(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
隨著我國城際道路建設(shè)的快速發(fā)展,在公路隧道建設(shè)過程中與鄰近既有建(構(gòu))筑物,如民房、電力鐵塔、水渠、管線、橋梁等存在不利影響。如果在設(shè)計(jì)、施工中未充分考慮對(duì)既有構(gòu)筑物的保護(hù)措施,采取針對(duì)性的優(yōu)化措施,不僅有產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn),而且可能危害民生造成較大的社會(huì)負(fù)面影響。所以對(duì)既有工程的保護(hù)逐步成為現(xiàn)階段公路隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),有限元法是解決這一問題的有效方法。
采用動(dòng)力有限元法模擬爆破振動(dòng)可采用等效指數(shù)衰減型爆破荷載施加在爆孔孔壁,可根據(jù)爆破方案中單響藥量、炸藥密度、爆速、爆壓等爆破參數(shù)確定荷載參數(shù),該方法相較于直接采用炸藥模型進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合計(jì)算更加簡單有效,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)精度能夠滿足工程要求。
浙江某國道公里路工程,設(shè)計(jì)速度80 km/h,路基寬33.0 m,分離式隧道段采用曲墻式橫斷面,斷面為三心圓,凈高為5.0 m,總基本寬度為14 m。線路道線路正上方有1 000 kV電力鐵塔一座,鐵塔基礎(chǔ)與隧道頂最小凈距為60 m,隧道線位與電力鐵塔相對(duì)關(guān)系可見現(xiàn)場(chǎng)圖(見圖1)。
處于隧道洞身,圍巖以微風(fēng)化巖體為主,巖性為英安玢巖,節(jié)理裂隙發(fā)育一般,巖體較完整,局部較破碎,質(zhì)堅(jiān)硬。該段地下水主要為基巖裂隙水,賦存于裂隙內(nèi),水量貧乏,由大氣降水補(bǔ)給,水文地質(zhì)條件較簡單??紤]該段隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育一般,巖體呈塊石或碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu),總體較完整,圍巖基本穩(wěn)定,但開挖不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生掉塊,Rc=70 MPa,Kv= 0.75,[BQ]=362,綜合評(píng)定為Ⅲ級(jí)圍巖。
模型尺寸根據(jù)隧道及輸電鐵塔的斷面尺寸確定,有限元網(wǎng)格見圖2。邊界超出計(jì)算構(gòu)筑物或隧道的距離不小于30 m。對(duì)于爆破動(dòng)力計(jì)算采用,1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界(viscous Boundary)。為了定義粘性邊界需要計(jì)算相應(yīng)的土體X,Y,Z方向的阻尼比。計(jì)算阻尼的公式如下:
其中,λ為體積彈性系數(shù),kN/m2;G為剪切彈性系數(shù),kN/m2;E為彈性模量;v為泊松比;A為截面積,m2。
三維有限元數(shù)值計(jì)算采用Mohr-Coulomb彈塑性模型模擬巖土體等壓力敏感材料的力學(xué)行為,計(jì)算參數(shù)見表1。
表1 巖土體模型計(jì)算參數(shù)
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式確定爆破荷載參數(shù),對(duì)于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上,此時(shí)用的荷載用美國National Highway Institute推薦公式。該隧道爆破最大單段藥量為17 kg。每1 kg的爆破荷載如下:
其中,Pdet為爆破壓力;PB為孔壁面上的壓力;Ve為爆破速度;dc為火藥直徑;dh為孔眼直徑;Sge為比重。
實(shí)際上作用在孔壁的動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化狀態(tài)。本次計(jì)算使用Statfiled提及的有關(guān)時(shí)程的動(dòng)壓力。
其中,B=16 338為荷載常量,每1 kg裝藥量的動(dòng)壓力。
圖3與圖4為隧道洞室單段炸藥爆破后電力鐵塔結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)最大振速云圖,從圖3,圖4中可以看出,在爆破后電力鐵塔塔身最大振速為4.03 cm/s,塔基最大振速1.15 cm/s,滿足GB 6722—2014爆破安全規(guī)程要求。
通過采用有限元分析方法分析,得出了在單段爆破藥量為17 kg時(shí),隧道爆破對(duì)上部1 000 kV電力鐵塔的影響造成塔身與塔基最大振速的動(dòng)力響應(yīng)能夠滿足規(guī)范要求。通過動(dòng)力有限元法在實(shí)際工程中的實(shí)踐應(yīng)用,證明了該方法可以作為隧道爆破方案校核及優(yōu)化的有效分析手段。