伍海龍 梁家琴 梁興印 黃 琪 李佳慧 何麗珍 潘德武 蔡 軍,2

1. 賀州學(xué)院建筑與電氣工程學(xué)院 廣西 賀州 542899；2. 賀州筑夢瑤臺數(shù)字文化創(chuàng)意內(nèi)容制作有限責(zé)任公司 廣西 賀州 542899

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，地下空間的開發(fā)利用已成為重要的組成部分。地鐵線路規(guī)劃基本處于城市人口居住和商業(yè)密集區(qū)域，所以不可避免地會出現(xiàn)線路鄰近等問題，在施工時面臨的安全問題不可小覷[1-6]。隧道爆破施工產(chǎn)生的振動會造成鄰近既有隧道襯砌開裂、剝落甚至坍塌等危及行車安全的現(xiàn)象[7-12]。本文將對新建廣佛線隧道中的爆破施工進(jìn)行分析與研究。

1 計(jì)算模型建立

1.1 工程地質(zhì)概況

廣佛線地鐵隧道是中國國內(nèi)首條跨越地級行政區(qū)的地鐵線路，起于廣州燕崗站，止于佛山新城東站，大致呈“廠字”走向。

廣佛線在沙園站—燕崗站路段的新建隧道（里程ZDK24+869.5處），與已建的地鐵8號線中的一段隧道緊鄰且平行，兩隧道之間的間距約為20.13 m，平行的隧道段長度為73.3 m。廣佛線隧道上覆巖土層厚約17 m，隧道所處巖層為微風(fēng)化砂巖層。經(jīng)試驗(yàn)和相關(guān)資料查詢，該隧道相關(guān)巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重度為22 kN/m3，彈性模量為25 000 MPa，泊松比為0.2，厚度為312 mm。

1.2 數(shù)值模型建立

本文依托的隧道工程洞跨約為6 m，在查閱相關(guān)資料后，為隧道建立數(shù)值計(jì)算模型來進(jìn)行數(shù)值模擬動力分析。設(shè)定模型長度為隧道洞跨的8倍，隧道底部與模型底端距離為隧道洞跨的4倍，則此數(shù)值模型的長×高×寬尺寸為120 m×20 m×60 m，建立所得網(wǎng)格計(jì)算模型如圖1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

在圖1所示模型中，左隧道為已建成的地鐵8號線隧道，右隧道為新建未開挖的廣佛線隧道。為分析新建廣佛線隧道在爆破施工時對已建地鐵8號線隧道的影響，分別進(jìn)行靜力分析和動力分析。

在進(jìn)行靜力分析時，為方便計(jì)算，設(shè)置隧道計(jì)算模型前后左右的邊界條件為水平約束，底部為固定端約束，模型上邊界為自由邊界，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率小于10-5。在進(jìn)行動力分析時，根據(jù)動力荷載加載時間來確定計(jì)算的動力時間，約為加載時間的10倍。

2 爆破荷載和監(jiān)測點(diǎn)確定

2.1 模擬隧道爆破開挖過程

模擬過程主要通過以下3個步驟展開分析：第一，用重力應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算；第二，開挖新建隧道，將開挖的隧道設(shè)置空模型，利用摩爾-庫侖準(zhǔn)則描述巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)行靜力計(jì)算分析；第三，在開挖的隧道洞室壁上施加爆破荷載，計(jì)算分析緊鄰隧道拱頂和拱腳處的振動速度以及沉降位移等變化規(guī)律。

2.2 爆破荷載的施加

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，隧道在爆破過程中的爆破荷載可簡化為具有上升階段和下降階段的三角形線性荷載。根據(jù)隧道爆破荷載施加的加載時間公式，可確定本次隧道爆破過程中的荷載總時間。爆破荷載加載的上升階段荷載時間為0.01 s，總的荷載時間為0.06 s，爆破荷載的最大值為26 MPa，荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載加載曲線

2.3 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

從隧道模型的前界面至隧道的后界面，每隔2 m在鄰近已建地鐵隧道的拱頂和拱腳處分別設(shè)置1個監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測新建隧道在爆破施工過程中對其安全使用的影響。

3 分析與討論

3.1 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的振動速度

利用FLAC3D軟件模擬新建隧道在進(jìn)行爆破施工時鄰近已建地鐵隧道的監(jiān)測點(diǎn)振動速度，再與相關(guān)規(guī)范警戒值作比較，分析新建隧道爆破過程對鄰近已建地鐵隧道的影響，從而判斷鄰近已建隧道是否存在安全風(fēng)險。數(shù)值模擬計(jì)算記錄的拱頂和拱腳監(jiān)測點(diǎn)振動速度如圖3、圖4所示。

圖3 部分拱頂監(jiān)測點(diǎn)的振動速度時程曲線

圖4 拱腳、拱頂監(jiān)測點(diǎn)的最大振動速度

由圖3可以看出，監(jiān)測點(diǎn)振動速度在開始爆破后的3.0×104步時達(dá)到最大峰值，然后由于阻尼、巖石介質(zhì)特性等原因在極短時間內(nèi)衰減，從3.5×104步時開始振動速度不再有較大的波動，趨向平緩直線直至衰減到最小。

由圖4可以看出，已建地鐵隧道拱頂與拱腳監(jiān)測點(diǎn)之間的最大振動速度峰值均在15 cm/s以內(nèi)，并且呈現(xiàn)同增同減的變化規(guī)律，這是因?yàn)橐呀ǖ罔F隧道拱頂和拱腳的監(jiān)測點(diǎn)之間距離相差較小。新建隧道爆破施工時，其開挖時的掌子面與已建隧道監(jiān)測點(diǎn)4處于同一截面，新建隧道在爆破時，會在已開挖區(qū)形成空洞放大效應(yīng)，距離掌子面一定范圍內(nèi)已開挖區(qū)質(zhì)點(diǎn)的振動速度要大于未開挖區(qū)的振動速度。所以鄰近已建隧道的監(jiān)測點(diǎn)4旁邊的監(jiān)測點(diǎn)1、2、3、5的振動速度遠(yuǎn)大于其他監(jiān)測點(diǎn)的振動速度，并且在監(jiān)測點(diǎn)3處達(dá)到峰值。由于在爆破施工中存在衰減效應(yīng)，即監(jiān)測點(diǎn)振動速度會隨爆源距離的增大而出現(xiàn)遞減的現(xiàn)象，所以監(jiān)測點(diǎn)3—1，監(jiān)測點(diǎn)5—11的振動速度均為逐漸遞減趨勢。

本次隧道爆破施加的爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建地鐵隧道拱腳、拱頂監(jiān)測點(diǎn)最大振動速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的交通隧道安全振動速度15 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)值，說明本次新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響較小，可以認(rèn)為本次隧道爆破方案可行、爆破參數(shù)合理。

3.2 既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移

判斷隧道是否存在安全風(fēng)險的另一個判據(jù)為隧道拱頂、拱腳沉降是否超過相關(guān)規(guī)范的警戒值。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析時，記錄的既有地鐵隧道拱頂、拱腳的沉降位移變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 拱頂、拱腳監(jiān)測點(diǎn)沉降位移變化規(guī)律

由圖5可知，在新建隧道爆破施工時，鄰近已建隧道拱底和拱頂監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移變化規(guī)律不一樣，拱頂監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移從監(jiān)測點(diǎn)1開始呈現(xiàn)下降的趨勢，沉降位移隨著監(jiān)測點(diǎn)與爆破開挖區(qū)距離的增大而不斷減小。而拱底在監(jiān)測點(diǎn)1—6之間，沉降位移隨著監(jiān)測點(diǎn)與爆破開挖區(qū)距離的增大而不斷增大，而后從拱底監(jiān)測點(diǎn)7開始呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢。拱頂監(jiān)測點(diǎn)沉降位移最大值為6.0 mm，拱底監(jiān)測點(diǎn)沉降位移最大值為3.5 mm，拱頂和拱底的沉降量均在允許范圍之內(nèi)（警戒值30 mm）。

在監(jiān)測點(diǎn)8之前，已建隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移都要比拱底監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移大，差值在監(jiān)測點(diǎn)1時達(dá)到最大，為4 mm。在監(jiān)測點(diǎn)8后，已建隧道拱頂和拱底監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移差值逐漸變小。由此可以看出，在同一截面中，鄰近已建隧道拱頂監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移受到新建隧道爆破施工時的影響要比拱底監(jiān)測點(diǎn)的沉降位移大，并且在監(jiān)測點(diǎn)距離新建隧道爆破開挖區(qū)最近時達(dá)到最大值。隨著已建隧道監(jiān)測點(diǎn)與新建隧道爆破開挖區(qū)的距離不斷增大，拱頂監(jiān)測點(diǎn)與拱底監(jiān)測點(diǎn)之間的沉降位移差值逐漸變小。

綜上所述，新建隧道在爆破開挖過程中，施加的爆破荷載在26 MPa范圍內(nèi)時，對鄰近既有地鐵隧道的安全影響較小。同時，要加強(qiáng)對隧道拱頂位置的監(jiān)測。

4 結(jié)語

本文通過FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，模擬新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響，得出結(jié)論如下：

1）本次試驗(yàn)算得的新建隧道爆破荷載（26 MPa）引起的鄰近已建隧道拱底、拱頂監(jiān)測點(diǎn)最大振動速度分別為6.89 cm/s和7.14 cm/s，均小于15 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)值。鄰近已建隧道的拱底、拱頂最大沉降位移分別為6.0 mm和3.5 mm，說明爆破方案合理，新建隧道爆破施工對鄰近已建隧道的影響較小。

2）新建隧道爆破施工開挖區(qū)形成的掌子面會使得鄰近已建隧道的振動速度變大，離新建隧道爆破開挖區(qū)掌子面越遠(yuǎn)，振動速度越小。

3）在同一斷面下，新建隧道爆破施工對已建隧道拱頂沉降位移的影響要比其拱底大。隨著監(jiān)測點(diǎn)與爆破開挖區(qū)距離的增大，已建隧道拱頂沉降位移減小，拱底沉降位移增大。

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