爆破开挖路堑对罗依溪隧道安全影响的数值分析

董 翔

(都匀高速公路管理处，贵州都匀 558000)

1 工程概况

新建永吉高速公路在焦柳铁路K1040+752.36处以路堑形式上跨焦柳铁路罗依溪隧道，因公路路堑开挖导致隧道顶覆土减薄，对应的铁路里程范围为K1040+723～K1040+811，影响范围内原隧道顶覆土厚度为93 m～119 m，高速公路建成后，公铁交叉点处铁路隧道顶至公路路面的最小覆土厚度为55.3 m，即公路路堑的最大挖深约52 m。

鉴于既有焦柳铁路隧道建于20世纪70年代，为当时的三线建设工程，其工程施工质量受当时环境的影响较大。由于隧道上覆开挖土层挖方量大，采取一般的开挖方式存在诸多困难和不足，因此考虑采用爆破开挖路堑。路基面下方存在铁路隧道，有必要对爆破引起的隧道振动进行分析计算。研究内容包括:隧道振动规律、边坡开挖加固控制措施等。本文采用有限元软件对隧道洞顶爆破开挖围岩振动影响进行数值分析。

本文通过大型有限元模拟软件ABAQUS，模拟路堑爆破开挖，以计算爆破对隧道及边坡的影响，为隧道及边坡的施工及监测提供依据。

2 建立模型

本模型采用ABAQUS提供的显式积分算法，计算爆破荷载作用对边坡及隧道围岩产生的影响。

2.1 边界条件

由于ABAQUS计算采用的模型为有限元模型，为了尽量满足实际工程地质条件，除控制模型尺寸外，对边界进行如下条件限制:限制模型底面竖直方向位移，同时在X方向限制模型X轴向边界位移，Y方向限制模型Y轴向边界位移。

2.2 模型尺寸及材料参数

按照永吉高速公路设计施工图以及既有铁路竣工图等相关资料，利用ABAQUS软件建立三维有限元模型(见图1)。

图1 ABAQUS计算模型

在网格划分时，由于不考虑水的作用，采用的是C4D4(四节点四面体)单元［8］。根据所提供的资料以及相应技术规范，在有限元分析中，围岩以及支护结构的物理力学参数见表1。

表1 材料参数

2.3 爆破荷载计算及加载方法

ABAQUS对爆破荷载的施加一般有三种方法:1)用状态方程模拟炮轰产物以获得作用在孔壁上的压力［9-11］;2)半经验化公式计算得到作用在孔壁上的压力;3)基于圣维南原理将爆轰压力等效加载在孔壁连线上［12］。前两种方法对于较小的ABAQUS模型较为适用，但遇到较大模型时，由于炸药孔径小而模型大，会给模型网格划分造成困难，往往导致计算不收敛或者网格划分过多导致计算时间过长。而对于较远距离来说，三种方法得到的结果相近。由于本报告中所采用模型较大，且爆破点距离隧道顶部较远(超过50 m)，本文采用第三种等效加载方式。

本文采用的炸药布置方案为:炮眼2 m×2 m间隔布置，孔径为40 mm，药卷直径为32 mm，单药卷长200 mm，单孔采用8个药卷长1.6 m重5.5 kg，单孔深3 m，一次爆破采用3×10布置炮眼共30孔，单次爆破总耗药量为165 kg。

对于等效荷载的大小，一般通过半经验化公式计算单孔壁上压力再通过圣维南原理计算得到孔壁连线上均布压力。本文通过该计算方法得到的单列炮眼对侧向孔壁压力峰值为10.16 MPa，径向孔壁荷载最大值为50.8 MPa。

根据潘晓马等［13］分析，Ⅲ级围岩爆破作用在隧道壁上的围岩峰值压力为10 MPa，与计算结果接近，为确保安全，本报告取为计算值 10.16 MPa。

单排炮眼荷载布置如图2所示。

图2 单排炮眼荷载布置图

简化爆破荷载曲线为三角形荷载曲线，如图3所示。其中，爆破荷载在10 ms时刻达到峰值，在之后90 ms逐渐衰减至0。

3 爆破引起的边坡位移分析

距离边坡最高点不同距离位移曲线如图4所示。由图4可知，随着边坡深度的增加，边坡位移减小。说明爆破对边坡的影响沿深度方向呈递减趋势。

路堑开挖导致路堑上方出现长大边坡，因此有必要考察爆破作用下边坡的位移。由于本模型考虑了重力的影响，而ABAQUS/Explicit模块无法进行地应力的平衡，为避免土体自重作用下引起的位移带来的误差，需要单独计算重力作用下的位移。仅考虑重力与同时考虑重力和爆破荷载作用下的位移云图如图5，图6所示。

图3 三角形爆破荷载加载图

图4 边坡位移随深度变化曲线

图5 重力作用下位移云图

图6 重力与爆破荷载共同作用下位移云图

在同一坐标系中绘制两种情况下的位移—时间曲线，见图7。

从图7可看出，仅在重力作用下和重力爆破荷载同时作用下的曲线基本重合。因此爆破作用对边坡的整体稳定性基本无影响。但由于ABAQUS的局限性，无法完全模拟施工遇到的各种情况，如爆破震动引起的边坡开裂、松散等，施工过程中有必要对边坡位移及振速进行监控量测。

4 结论与建议

本文针对新建高速公路采用爆破开挖路堑跨既有铁路隧道交叉部位建立了三维数值分析模型，考察爆破引起的边坡位移、衬砌振动速度以及衬砌加速度随施工进程的变化规律。

图7 爆破作用引起的边坡位移曲线

本文采用的炸药布置方案为:炮眼2 m×2 m间隔布置，孔径为40 mm，药卷直径为32 mm，单药卷长200 mm，单孔采用8个药卷长1.6 m重5.5 kg，单孔深3 m，一次爆破采用3排×10孔布置炮眼共30孔，单次爆破总耗药量为165 kg。

得出以下主要结论:

1)爆破对边坡的影响沿深度方向呈递减趋势。随着边坡深度的增加，边坡位移减小。

2)在隧道顶部55.2 m以上采用爆破开挖路堑对隧道及边坡位移及整体稳定性影响不大。

3)根据不同的施工面，炮眼可采取3排×10孔或5排×6孔交叉间隔布置。单次爆破排间采用微差爆破方式以提供更大自由面同时减小单次爆破引起的振动，微差时间控制在100 ms左右。

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