張齊勇，陳 念

(1.酉陽縣交通局公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 409800； 2.重慶市銅梁區(qū)交通運行監(jiān)測和應(yīng)急調(diào)度中心，重慶 402560)

1 概述

最近幾年，由于國家的經(jīng)濟逐漸發(fā)展，修建的交通隧道越來越多，越來越長，向著“長、大、深”的趨勢發(fā)展。根據(jù)我國公路隧道的相關(guān)規(guī)定：全長3 000 m以上的隧道稱為特長隧道。截止到2021年，公路特長隧道數(shù)量增長至1 292座，公路特長隧道長度達到572.85萬m。在數(shù)值模擬應(yīng)用上，畢繼紅、鐘建輝[1]通過有限元軟件ANSYS建立了不同等級的圍巖和不同爆源的隧道模型，分析了以不同開挖進尺進行爆破施工時，隧道襯砌的動力響應(yīng)規(guī)律；趙東平、王明年[2]通過有限元軟件FLAC3D建立了交叉隧道間距不同的幾個模型，對交叉隧道的交界面的振速進行分析總結(jié)；在理論研究方面，易長平、盧文波、張建華[3]對波函數(shù)進行了研究分析，根據(jù)波函數(shù)的展開公式推導(dǎo)出隧道受爆破作用時，圍巖應(yīng)力與位移的表達式，求解出不同等級圍巖和不同爆破應(yīng)力波頻率時，圍巖應(yīng)力與振速的分布規(guī)律。僅依靠理論研究，對爆破施工的研究存在很大的缺陷，本文主要應(yīng)用數(shù)值模擬研究特長隧道豎井交叉段爆破施工安全開挖進尺。

2 爆破荷載輸入

對于有限元軟件加入爆破荷載，綜合國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究，有兩種方法：其一是應(yīng)用ANSYS中LS-DYNA模塊來模擬炸藥爆破過程，能很好的反映爆炸一定范圍內(nèi)的動力響應(yīng)；其二是通過理論方式和計算出來的爆破荷載峰值，然后在軟件里用面壓力的形式加入爆破荷載。在國內(nèi)最常用的一種計算爆破荷載應(yīng)力峰值的經(jīng)驗公式為[4]：

其中，Pmax為爆破荷載應(yīng)力峰值,kPa；Z為比例距離；R為炮眼至荷載作用面的距離，m；Q為最大單段裝藥量。

理論計算法[5]：

當炸藥采用耦合裝藥并且以柱狀的方式裝藥時，炸藥的爆炸是采用分階段的，炸藥爆炸后會產(chǎn)生一個爆破峰值作用在巖體上，計算公式如下：

其中，ρ,ρ0分別為炸藥和巖石對應(yīng)的密度，kg/m3；V,cp分別為爆破產(chǎn)生的振速和應(yīng)力波的波速，m/s；Pd,Pmax分別為爆腔壓力和孔壁上最開始的最大壓力，MPa。

之后對爆破荷載的波形形式進行選擇。目前，軟件模擬的波形有三種，分別是指數(shù)型波形、近似拋物線波形以及三角形波形。本文所采用的是三角形波形，它能反映出在較短時間內(nèi)達到爆破荷載峰值然后再卸載的過程。

3 爆破方案及監(jiān)測點選取

本文依托工程為山區(qū)某特長公路隧道，結(jié)合地理條件、圍巖特性、地質(zhì)構(gòu)造等原因，在豎井與聯(lián)絡(luò)通道附近處，豎井采用全斷面開挖方式，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道采用臺階法爆破施工。

本文研究的對象是特長隧道聯(lián)絡(luò)通道與主隧道交叉段附近，對主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段采用上下臺階法爆破，為了減小圍巖的穩(wěn)定性，控制交叉段圍巖的變形，采用的爆破方案為上下臺階爆破方案。炸藥選用的是2號巖石，上斷面開挖面積是44 m2，下斷面開挖的面積為56 m2。

在主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段開挖完成之后，對主隧道進行爆破施工，施工進尺選擇0.5 m，1 m，1.5 m，2 m進行爆破模擬，為了更好的研究主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段圍巖在爆破荷載作用下的振速和應(yīng)力分布情況以及位移的變化，本文主要觀察主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段以及未開挖的主隧道段的斷面的拱腰、拱底、拱頂。方案設(shè)計如圖1所示。模型材料物理力學(xué)參數(shù)取值見表1，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)取值表

當主隧道進行爆破開挖掘進時，為了更好的對已經(jīng)開挖的聯(lián)絡(luò)通道與主隧道交叉段的圍巖進行振動速度與應(yīng)力分析，本文將離爆源最近的斷面設(shè)立為監(jiān)測點a，聯(lián)絡(luò)通道和主隧道交界斷面設(shè)為監(jiān)測點b，豎井與聯(lián)絡(luò)通道交界面設(shè)為監(jiān)測點c，分別提取每個監(jiān)測斷面拱頂、拱腰、邊墻部位的振速與最大拉應(yīng)力。模型隧道的監(jiān)測斷面布置見圖3。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)前文的數(shù)值模擬分析，在主隧道進行爆破時，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段圍巖會受到應(yīng)力波的影響，圍巖發(fā)生擾動，在不同爆破開挖進尺條件下，模擬監(jiān)測斷面的拱底、拱腰、拱頂，所以本文數(shù)據(jù)為在主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉點斷面進行爆破時的速度與最大應(yīng)力。

提取主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段不同開挖進尺條件下每次爆破后，交叉斷面的邊墻、拱腰、拱頂最大振速，將數(shù)據(jù)列入表格中，同時使用表格中的具體數(shù)據(jù)繪制出交叉段斷面的最大振速隨著爆破進尺的改變的變化趨勢圖(見圖4)，研究主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段振速的分布規(guī)律(見圖5)。

從圖5可以得出：

1)特長隧道的最大振速出現(xiàn)在監(jiān)測點a的拱腰處，在相同開挖進尺條件下，監(jiān)測點a斷面的最大振速分布情況為：拱腰>拱頂>邊墻。所以在之后的施工中，需要控制主隧道與聯(lián)絡(luò)通道的交叉段振速，并且重點關(guān)注主隧道的拱腰處。

2)監(jiān)測點b為主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交界面，監(jiān)測點b的最大振速分布規(guī)律為：拱腰>邊墻>拱頂，在進行下一次爆破前，需要重點支護主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段邊墻和拱腰部。

3)監(jiān)測點c為聯(lián)絡(luò)通道與豎井交界面，監(jiān)測點c的最大振速分布規(guī)律為：拱腰>拱頂>邊墻，在進行爆破施工時，要注意控制對豎井與聯(lián)絡(luò)通道交叉段的拱腰部位的振速。

4)隨著爆破次數(shù)的增加，爆源離交叉段斷面越來越遠，交叉段斷面各部位的振速越來越低，這也符合離爆心距越遠，振速越小的衰減規(guī)律。前期爆破時，交叉段斷面的最大振速超過了安全振速范圍，所以在前期進行爆破時，需要及時進行初期支護，減小圍巖受爆破的擾動。

5)爆破開挖進尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m時，第一次爆破的振速越來越大，最大振速增加了25%，106%，145%，可以看出當開挖進尺由1 m增加到1.5 m時，第一次爆破后，交叉段拱腰處的圍巖最大振速突增，結(jié)合實際施工，在進行爆破開挖時，應(yīng)該縮短開挖進尺，圍巖振速才能盡快達到安全振速范圍[6]。

6)當開挖進尺為0.5 m時，在進行第三次爆破之后，振速小于安全振速5 cm/s[8]，之后的爆破，交叉段圍巖不會受到影響，此時的安全爆破距離是1.5 m，當開挖進尺為1 m時，安全爆破距離是3 m，當開挖進尺為1.5 m時，安全爆破距離為4.5 m，當開挖進尺為2 m時，安全爆破距離為6 m，所以，當開挖進尺增大的時候，安全爆破距離也在增加，交叉段受到擾動的時間越長。

5 結(jié)語

1)主隧道進行爆破開挖時，隨著爆破次數(shù)的增加，爆源離主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段圍巖和聯(lián)絡(luò)通道與豎井交叉段圍巖越來越遠，主隧道與豎井交叉段圍巖以及聯(lián)絡(luò)通道與豎井交叉段圍巖的拱頂、拱腰、邊墻部位的振速峰值與拉應(yīng)力峰值逐漸衰減，這也符合離爆心距越遠，振速越小的衰減規(guī)律。

2)在主隧道進行爆破開挖時，主隧道離爆源最近的斷面的拱腰受到的爆破振動最大，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交界面最大振速與拉應(yīng)力分布規(guī)律為：拱腰>邊墻>拱頂，聯(lián)絡(luò)通道與豎井交界面的最大振速與最大拉應(yīng)力分布情況為：拱腰>拱頂>邊墻，所以在進行主隧道爆破施工前，需要對已經(jīng)開挖的聯(lián)絡(luò)通道和豎井進行初期支護，重點支護聯(lián)絡(luò)通道與主隧道交叉段的拱腰和邊墻部位，以及豎井與聯(lián)絡(luò)通道交叉段的拱頂和拱腰部位。

3)開挖進尺由0.5 m增加至1 m，1.5 m，2 m時，第一次爆破時的最大振速和最大拉應(yīng)力逐漸增加，最大振速增加了25%，106%，145%，最大拉應(yīng)力增加了56%，174%，186%，開挖進尺由1 m到1.5 m時，增加的速度最快，允許振速的安全范圍也從1.5 m增加至3 m，4.5 m，9 m,最不利的安全系數(shù)隨著開挖進尺的增加逐漸減小，分別減小14%，22%，26%，為了保證施工安全，在進行爆破施工時，應(yīng)當控制和縮短開挖進尺。