朱洪濤

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司，湖北 宜昌443000）

1 研究開展情況

1.1 工程概況

隧道工程是交通工程中的重要構(gòu)造物，小凈距隧道以其布局緊湊的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，能夠有效解決特殊地形條件下高等級(jí)路布線需求，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，然而, 小凈距隧道在使用鉆爆法施工時(shí)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)相鄰隧道結(jié)構(gòu)安全影響一般都比較大，特別是在巖溶地區(qū)施工，地質(zhì)的不確定性可能造成更大危害, 有時(shí)甚至導(dǎo)致隧道坍塌。本項(xiàng)目以宜張高速公路第三標(biāo)段所屬的十三尖隧道的開挖工程為依托，隧道為小凈距隧道，采用鉆爆法開挖，所處的地質(zhì)情況復(fù)雜，十三尖隧道開挖不到100m，便出現(xiàn)2 次中大型溶洞，溶洞的存在和爆破對(duì)巖溶發(fā)育處支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是威脅圍巖穩(wěn)定與施工安全的重要因素，合理使用現(xiàn)有技術(shù)手段對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)的爆破震害進(jìn)行監(jiān)控顯得尤為重要。

1.2 研究方法

本課題采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合、定性與定量分析相結(jié)合的方法。在對(duì)前人研究成果進(jìn)行調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)，布置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)元件，建立數(shù)值分析模型，完成不同工況和巖溶發(fā)育條件下小凈距隧道的受力與變形特征，重點(diǎn)研究爆破震動(dòng)荷載對(duì)巖溶和中巖墻的不利影響規(guī)律，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。

2 研究?jī)?nèi)容和成果

2.1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行確定，然后根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)和巖體應(yīng)力測(cè)試兩個(gè)試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)主要是借助SAS-1000 型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行確定，最大壓力高達(dá)1000kN，測(cè)量范圍為0-100mm，其承壓板剛度k≥5000kN/mm；其它物理參數(shù)由物理試驗(yàn)確定。原位試驗(yàn)主要是為了確定圍巖巖石的抗剪強(qiáng)度和原始地應(yīng)力，室內(nèi)試驗(yàn)主要可以確定巖石的軟化系數(shù)、密度、彈性模量、泊松比、剪切模量、體積模量、摩擦角、粘聚力、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。巖石的具體物理力學(xué)參數(shù)匯總于表1。

2.2 儀表安設(shè)及數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)的安設(shè)

壓力盒與多點(diǎn)位移計(jì)安設(shè)于同一監(jiān)測(cè)斷面，壓力盒每個(gè)斷面布設(shè)4 個(gè)，一個(gè)位于拱頂，其余3 個(gè)分別位于中巖墻的拱肩、拱腰和拱腳；多點(diǎn)位移計(jì)每個(gè)斷面布置2 套，分別位于中巖墻的拱腰和拱腳（見圖1）。

壓力盒型號(hào)為TXR-2020，有1.0MPa 和1.6MPa 兩個(gè)量程；多點(diǎn)位移計(jì)選用5002 型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)。按計(jì)劃十三尖隧道進(jìn)口右布置10 個(gè)壓力位移監(jiān)測(cè)斷面。

具體布設(shè)情況見表2。

表2 壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)布設(shè)情況表

2.2.2 數(shù)據(jù)的收集與處理

由于壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)煩多，數(shù)據(jù)之間具有一定的相似性，下面僅以十三尖隧道進(jìn)口右監(jiān)測(cè)斷面YK79+414 為例對(duì)壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)的收集與處理進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述說明。

圖1 壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)布設(shè)示意圖

監(jiān)測(cè)斷面YK79+414 于2014 年8 月25 日布設(shè)并開始讀取數(shù)據(jù)，截止到2014 年9 月23 號(hào)得到了如下圍巖壓力和內(nèi)部位移數(shù)據(jù)：

圖2 十三尖隧道壓力曲線圖

2.3 爆破波數(shù)據(jù)的采集和處理

采集爆破波是為了獲得圍巖，特別是中巖墻在爆破波作用下的動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)圍巖在大量爆破波作用下動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)的收集和處理，建立巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道的爆破振動(dòng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而系統(tǒng)的分析隧道爆破對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，然后將上述結(jié)果與數(shù)值模擬得到的結(jié)果相互對(duì)比，指導(dǎo)隧道的下一步開挖。

采用TC-4850 型爆破測(cè)振儀采集數(shù)據(jù)，由專用軟件分析處理收集到的振動(dòng)波，通過分析支護(hù)體系的動(dòng)力響應(yīng)來評(píng)估爆破波對(duì)隧道在巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的危害。截止到2014 年9 月23 日，已成功采集到爆破波16 組，其中12 組為有效爆破波，數(shù)據(jù)已初步形成系統(tǒng)。下面將以一組采集于十三尖隧道進(jìn)口右的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析說明。

表3 十三尖隧道爆破振動(dòng)波收集

上面這組數(shù)據(jù)采集于十三尖隧道進(jìn)口右，從數(shù)據(jù)中可以分析出在一定用藥量的情況下，離爆破掌子面某一距離的支護(hù)結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的動(dòng)力響應(yīng)，例如三個(gè)方向的振幅，獲得最大振幅的時(shí)刻，爆破波的主頻等重要信息。

2.4 模型的建立

目前已初步確定所需的數(shù)值計(jì)算模型，正在進(jìn)一步的完善和細(xì)化，模擬計(jì)算所需的一些主要參數(shù)也在不斷整理和完善，下面將給出初步建立的模型并進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋說明。

圖3 FLAC 3D 模型

初步擬定的計(jì)算區(qū)域?yàn)闄M向124m，豎向60m，左右兩側(cè)計(jì)算邊界為4 倍左右隧道總跨度，下部邊界為2 倍左右隧道總高度。單隧道跨徑取11.6m，兩隧道凈距取14.6m，對(duì)隧道中巖墻處的網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募用芴幚?，以獲得中巖墻更為精確的應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)果。

完成初步建模之后，便可以根據(jù)前面所得到的的圍巖巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行試算，獲得圍巖在靜力作用下的應(yīng)力應(yīng)變的云圖等數(shù)據(jù)，并可以模擬隧道的開挖獲得圍巖內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變?cè)诓煌A段的變化，同時(shí)可以驗(yàn)證模型的合理性，不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。下面將展示一組十三尖隧道在自重作用下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，用以簡(jiǎn)單說明模型的計(jì)算過程。

圖4 十三尖隧道在自重作用下的豎向應(yīng)力云圖

圖5 十三尖隧道在自重作用下的豎向位移云圖

隨著圍巖巖石物理力學(xué)參數(shù)的不斷優(yōu)化和模型的完善，將可以通過數(shù)值模擬獲得圍巖在不同的開挖階段的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，了解圍巖最不利受力的位置，從而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 研究取得的創(chuàng)新點(diǎn)

由于小凈距隧道結(jié)構(gòu)本身的特殊性，小凈距隧道結(jié)構(gòu)中巖墻厚度受到限制，無論是巖溶發(fā)育規(guī)模、空間分布屬性等對(duì)隧道產(chǎn)生的危害，還是隧道施工爆破對(duì)圍巖、中巖墻以及襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響來說，都要比分離式隧道復(fù)雜和嚴(yán)重得多。這在以前的研究中都是考慮某一因素的影響，而沒有考慮巖溶地質(zhì)條件和隧道結(jié)構(gòu)特殊性的不利同時(shí)作用影響，巖溶發(fā)育條件下爆破對(duì)小凈距隧道震害控制技術(shù)是本課題特色，具有創(chuàng)新之處。

在研究方法上，結(jié)合理論研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)考慮不同工況和不同巖溶地質(zhì)條件的不利組合，利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D 的模擬計(jì)算與依托項(xiàng)目實(shí)際緊密結(jié)合，將結(jié)果相互印證，是本研究項(xiàng)目的的另一特色。