譚因軍，唐 旭，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

1 概述

在近接施工中，鉆爆法施工產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)會(huì)對圍巖及既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響，因此需要設(shè)置合理的減振措施。在軟弱(巖石強(qiáng)度不超過20 MPa)、節(jié)理發(fā)育的圍巖條件下，銑挖法具有很好的適用性和較高的工效[1-2]，而且具有振動(dòng)小、噪音低及精確控制隧道“超欠挖”等特點(diǎn)[3-4]。采用銑挖與爆破聯(lián)合開挖法進(jìn)行隧道開挖，可發(fā)揮銑挖和爆破的優(yōu)勢，提高工效且保證施工安全。

銑挖與爆破聯(lián)合開挖法及爆破減振技術(shù)方面的研究，王海[5]結(jié)合現(xiàn)場和通過數(shù)值模擬論證銑挖爆破工法減震百分比在44 %～46 %左右；王新明[7]通過對貴州省畢威高速公路水塘隧道的開挖方法進(jìn)行研究，得到銑挖與鉆爆聯(lián)合施工的合理施工順序；任澤華[7]、姚勇[8]和舒磊[9]等結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，提出單孔爆破水壓減振、注漿加固等減振措施。本文依托浦梅鐵路岐山隧道近接既有高鐵線路的工程建設(shè)，對銑挖切槽爆破開挖核心土的開挖方法進(jìn)行研究，利用銑挖切槽作為減振措施，達(dá)到減弱爆破振動(dòng)目的。

2 模型建立與分析

2.1 工程概況

岐山隧道全長1 065 m，全位于既有贛瑞龍和贛龍線之間，距離既有線最小間距38 m(Dy2K395+160)，位于隧道出口段，設(shè)計(jì)均為V級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)采用上下臺(tái)階法控制爆破開挖近接既有高鐵線路施工。岐山隧道近接既有高鐵線路平面位置關(guān)系如圖1所示。

2.2 銑挖切槽減振措施

岐山隧道最小間距近接施工段，原設(shè)計(jì)采用上下臺(tái)階法控制爆破開挖。為了減小爆破振動(dòng)對圍巖及既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，如圖2所示，設(shè)置1 m寬的銑挖切槽以實(shí)現(xiàn)爆破減振作用。

2.3 計(jì)算模型

為了明確銑挖切槽爆破開挖核心土法與上下臺(tái)階法控制爆破的開挖效果，如表1設(shè)置6種工況進(jìn)行計(jì)算分析。兩種開挖方法的計(jì)算模型圖3～圖4所示。

圖1 隧道出口段近接既有高鐵平面(單位：m)

圖2 銑挖切槽爆破開挖示意

2.4 材料參數(shù)

巖石和二次襯砌、炮泥采用理想彈塑性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算所需材料的具體參數(shù)見表2、表3和表4。

表1 各工況下銑挖爆破結(jié)合工法設(shè)置

圖3 上下臺(tái)階法爆破開挖示意

圖4 銑挖切槽爆破開挖示意

巖石強(qiáng)度密度ρ/(g·cm-3)彈性模量E/GPa泊松比γ/Mbar屈服強(qiáng)度/GPa切線模量ET /GPa硬化系數(shù)/Mbar襯砌2.40310.200.0312.6———炮泥2.301.00.350.0050.50.410MPa2.152.60.320.011.00.515MPa2.208.50.300.0153.270.520MPa2.2515.70.280.026.130.5

表3 炸藥參數(shù)

表4 空氣參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

如圖5所示，在地表處距離震源每隔10 m處布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以便提取各監(jiān)測點(diǎn)的綜合振速最大值以及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)所屬單元最大、最小主應(yīng)力。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置示意

2.1 綜合振速分析

提取各監(jiān)測點(diǎn)的綜合振速，如表5所示。

由表5可知：相同巖石強(qiáng)度條件下，地表各點(diǎn)綜合振速在銑挖爆破聯(lián)合開挖條件下均比上下臺(tái)階爆破開挖有大幅度的減小，最大減小幅度達(dá)到60 %。因?yàn)樵O(shè)置的銑挖切槽避免了爆破振動(dòng)對周圍巖土體的直接沖擊，極大地減小了爆破對圍巖的擾動(dòng)和臨近建筑物的影響。

由圖6和圖7可知，不同開挖方法條件下，地表水平方向的綜合振速最大值由近向遠(yuǎn)逐漸減小，在距震源20 m范圍內(nèi)衰減速度快，大于20 m后衰減緩慢。對比同種開挖方法，綜合振速最大值隨巖石強(qiáng)度增大而減小。采用上下臺(tái)階爆破開挖的綜合振速最大值為4.12 cm/s，而銑挖爆破聯(lián)合開挖的綜合振速最大值為1.78 cm/s，相比減少了56.8 %。

圖6 上下臺(tái)階爆破開挖地表綜合振速分布

圖7 銑挖爆破結(jié)合開挖地表綜合振速分布

表5 各工況下地表監(jiān)測點(diǎn)振速

2.2 最大主應(yīng)力分析

提取各工況地表各監(jiān)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力，如表6所示。

表6 各工況下地表監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力值

由表6可知：巖石強(qiáng)度相同時(shí)，地表各點(diǎn)最大主應(yīng)力在銑挖爆破聯(lián)合開挖條件下均比上下臺(tái)階爆破開挖有大幅度減小，最大減小幅度達(dá)到56.7 %。

對比同種開挖方法，地表各點(diǎn)最大主應(yīng)力隨巖石強(qiáng)度增大而減小。采用上下臺(tái)階爆破開挖最大主應(yīng)力最大值為155.45 kPa，而采用銑挖爆破聯(lián)合開挖最大主應(yīng)力最大值為80.91 kPa，相比減少了52 %。

2.3 最小主應(yīng)力分析

提取各工況地表各監(jiān)測點(diǎn)的最小主應(yīng)力，如表7所示。

由表7可知：巖石強(qiáng)度相同時(shí)，地表各點(diǎn)最小主應(yīng)力在銑挖爆破聯(lián)合開挖條件下均比上下臺(tái)階爆破開挖有大幅度的減小，最大達(dá)到58.6 %。

表7 各工況下地表監(jiān)測點(diǎn)最小主應(yīng)力值

對比同一種開挖方式下，不同巖石強(qiáng)度條件下地表各點(diǎn)最小主應(yīng)力隨巖石強(qiáng)度增大而減小。采用上下臺(tái)階爆破開挖最小主應(yīng)力最大值為177.42 kPa，而采用銑挖爆破聯(lián)合開挖的最小主應(yīng)力最大值為88.45 kPa，相比減少了50 %。

在不同開挖方法條件下，地表沿水平方向最大、最小主應(yīng)力最大值分布由近向遠(yuǎn)逐漸遞減，并且在震源附近衰減的速度較快，遠(yuǎn)離震源位置衰減緩慢。

4 結(jié)論

采用LS-DYNA軟件，對不同圍巖條件下采用銑挖爆破綜合開挖方法進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過設(shè)置的銑挖切槽避免了爆破振動(dòng)對周圍巖土體的直接沖擊，極大地減小了爆破對圍巖的擾動(dòng)和臨近建筑物的影響。

(2)地表各點(diǎn)綜合振速、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力在銑挖切槽爆破開挖核心土開挖條件下均比上下臺(tái)階爆破開挖有大幅度的減小，最大減幅達(dá)到60 %、56.7 %、58.6 %。

(3)銑挖爆破聯(lián)合開挖的綜合振速、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的最大值比上下臺(tái)階爆破開挖分別減少了56.8 %、52 %和50 %。