向君霞

重慶交通大學土木工程學院，中國·重慶 400074

結(jié)合中國成渝高速中梁山隧道擴容改造工程近接既有老成渝中梁山隧道的工程實際情況，利用ANSYS 數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測，對近接隧道爆破減震技術(shù)進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)改變掏槽眼位置，加設減震孔能有效的減少近接隧道的震動影響。掏槽眼遠離減震孔時，減震效果最好。因此，論文提出相應的減震措施，有效的保證近接隧道運行安全和新建隧道的施工安全。

近接隧道；爆破控制；數(shù)值模擬；減震孔

1 引言

隨著中國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，中國新建鐵路、公路隧道的等級、規(guī)模、數(shù)量逐年增長。交通運輸能力的不足成為制約經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素，這造成了新建隧道靠近既有小凈距平行隧道或上下交叉隧道等形式的地下近接工程越來越多[1]。

近接隧道施工圍巖擾動次數(shù)多，隧道的開挖使圍巖應力產(chǎn)生重分布，近接隧道在其修建時已經(jīng)改變其圍巖初始應力場，新建隧道的開挖會再次擾動圍巖的應力場，從而對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，對施工造成巨大的安全隱患[2]。

通過改變震動波的傳播途徑來控制新建隧道對既有隧道的影響，對新建隧道施工的爆破減震控制技術(shù)進行研究，為該隧道及類似近接隧道施工提供參考依據(jù)。

2 工程概況

中梁山隧道擴容改造工程是解決主城與西部城區(qū)交通的重要民生工程，左線長3233m，右線長3065m。其穿越素有西南地區(qū)地質(zhì)博物館的中梁山山脈，包含煤層、采空區(qū)、巖溶、斷層、瓦斯及涌水突泥等諸多特殊不良圍巖地質(zhì)情況，加之緊臨高病害既有隧道，其施工風險大、難度高[3]。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析基于ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件，通過后處理軟件LS-PREPOST 輸出得到數(shù)值模擬的結(jié)果，根據(jù)數(shù)值模擬中對掏槽眼位置、減震孔的加設和減震孔與掏槽眼位置的三種措施進行了分析。

3.1 計算模型

論文的主要研究目的在于分析新建隧道在爆破施工過程中對近接隧道穩(wěn)定性的影響，在計算前作如下假設。

（1）新建隧道不考慮爆破震動的影響。

（2）只考慮新建隧道中所裝炸藥對近接隧道的影響。

（3）模型簡化為采用全斷面開挖。

（4）近接隧道運行時間長達十幾年，故可認為只由二次襯砌承擔全部荷載。

模型邊界條件：考慮現(xiàn)場實際情況，左右邊界上加水平約束，下邊界上加全約束，上邊界為自由邊界。在實際情況下，爆破后應力波向各個方向傳播，不存在應力波反射的情況，所以在模型中施加無反射邊界條件，以保證爆破數(shù)值模擬與實際情況一致[4]。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 巖石材料模型

*MAT_Johnson_Holmquist_Concret 簡稱H-J-C，主要用于高應變、大變形下的巖石和混凝土材料的模擬。H-J-C 模型的對應參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖模型材料參數(shù)

3.2.2 層理材料參數(shù)

為了消除模擬過程的不確定因素，應簡化計算。假定層理和炮泥為彈塑性體，選取與應變率無關的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型。層理、炮泥材料參數(shù)如表2所示。

表2 層理和炮泥材料參數(shù)

3.2.3 炸藥材料模型

在LS-DYNA 中，起爆點和起爆位置采用關鍵字*INITIAL_DETONATION 定義，高性能炸藥材料模型通常采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 來定義，炸藥爆炸后的爆破壓力P由狀態(tài)方程Jones-Wilkens-Lee（簡稱JWL）求得JWL 方程表達了爆炸過程中能量的轉(zhuǎn)化情況，方程的表達式為：

式中，A、B、R2、ω 為與炸藥性質(zhì)有關的常數(shù)；V 為相對體積；E0為初始內(nèi)能密度。

論文中采用的炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3 炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 掏眼位置的變化

根據(jù)薩道夫斯基震動波衰減公式V=K(Q1/3/R)α,隨著爆心距[5]的增大震動波的衰減越迅速。因此，在不改變隧道凈距的情況下，可通過改變掏槽眼的位置以減小爆破振動對近接隧道的影響，如圖1所示。

圖1 掏槽眼布置方式

通過選取與新建隧道掌子面對應的近接隧道的襯砌橫斷面上的10 個節(jié)點進行質(zhì)點振動速度分析，如圖2所示。

圖2 襯砌橫斷面的節(jié)點編號圖

各質(zhì)點在掏槽眼居中布置時，掏槽眼右下測布置時各質(zhì)點的振動速度，如表4所示。

表4 振動速度

4.2 加設減震孔

加設減震孔的目的在于分析新建隧道在施工過程中，加設減震孔對近接隧道的影響，如圖3所示。

圖3 加設減震孔

各質(zhì)點在掏槽眼居中布置時和加設減震孔時各質(zhì)點的振動速度，如表5所示。

表5 質(zhì)點的振動速度

4.3 改變掏槽眼與減震孔的相對位置

利用ANSYS/LS-DYNA 建模，分析當掏槽眼和減震孔的相對位置不同時的減震效果，如圖4所示。

圖4 改變掏槽眼和減震孔的相對位置

得出各質(zhì)點在掏槽眼靠近減震孔時、掏槽眼居中時、掏槽眼遠離減震孔時各質(zhì)點的振動速度，如表6所示。

表6 質(zhì)點的振動速度

根據(jù)表4、5、6 質(zhì)點采用不同控制措施的振動合速度，繪制出相應的質(zhì)點振動速度曲線圖，如圖5所示。

圖5 質(zhì)點振動速度曲線圖

由圖5可知，當掏槽眼居中布置時，質(zhì)點的的振動速度最大，且位于迎爆側(cè)。當采取相應的爆破控制措施時，當只設置掏槽眼時，改變掏槽眼位置對近接隧道振動影響減小的作用不大；當設置減震孔時，當掏槽眼遠離減震孔時對近接隧道振動影響減小的作用最有效。

4.4 近接隧道爆破振動監(jiān)測

對中梁山隧道擴容工程現(xiàn)場做試爆實驗，同時對近接隧道進行爆破振動監(jiān)測[6]，與數(shù)值模擬分析進行比較。測點布置原則：為了準確的研究爆破對近接隧道的振動影響，測點布置在掘進隧道掌子面與相鄰隧道對應樁號的斷面后面，具體的位置是隧道迎爆側(cè)邊墻附近。測點布設如圖6所示。

圖6 測點布設圖

通過在中梁山隧道擴容工程現(xiàn)場做試爆實驗，所得的質(zhì)點震動速度峰值如表7所示。

表7 質(zhì)點震動速度峰值

7 2.2901 5.28 34.5 8 1.5424 5.28 40.51 9 1.1336 5.28 47.29 10 0.6905 5.28 64.57

由上面試爆實驗所得數(shù)據(jù)，質(zhì)點較大震動速度位于離震源較近位置，且與數(shù)值模擬分析中所得質(zhì)點震動速度較接近。因數(shù)值模擬分析對圍巖進行了簡化，實際工程現(xiàn)場復雜，沒有充分考慮復雜的地形地質(zhì)、地下水、節(jié)理斷層等實際情況，故存在一定差異。

5 結(jié)語

論文以老成渝中梁山隧道擴容工程為依托，利用ANSYS LS-DYNA 數(shù)值模擬分別對掏槽眼的位置、加設減震孔、改變掏槽眼與減震孔的相對位置進行對近接隧道受震程度的研究。得出以下結(jié)論。

（1）改變掏槽眼的位置對減小近接隧道受震程度有一定作用，但效果不大。

（2）加設減震孔能有效的減少對近接隧道受震程度的影響。

（3）當改變掏槽眼和減震孔的相對位置時，掏槽眼靠近減震孔時，減震效果最差；掏槽眼遠離減震孔時，效果最好。

因此，在新建隧道施工過程中，可采取加設減震孔，改變掏槽眼和減震孔的相對位置等措施來保證老隧道正常運營的安全。