趙玉榮

摘要：為了更好分析機械開挖的過程中對臨近隧道的影響，選取距離隧道中線不同距離的橫斷面進行開挖分析，對比得到采石場開挖的極限范圍。研究結果表明：在逐漸靠近隧道中線的右側開挖過程中，隧道二襯拱頂上的拉應力值增大十分明顯。開挖到距隧道中線30 m范圍后，二襯上最大拉應力為1.42 MPa，同時，在開挖的過程中隧道拱腳、拱腰處的壓應力逐漸增大，壓應力的最大值為9.87 MPa，與C25混凝土的抗壓強度設計值11.9 MPa差值為2.03 MPa。綜合分析，K7+ 200里程處采石場機械開挖的極限范圍距離隧道中線右側42 m處，停止開挖才能保證隧道襯砌的整體承載力。

關鍵詞：鐵路隧道；爆破振動；數值計算；襯砌；極限范圍

中圖分類號：U25文獻標志碼：A

0引言

近些年國內外關于鄰近隧道既有建筑物的爆破研究也取得了不錯的進展。于建新等[1]以大跨徑公路隧道近接已有小型隧道為施工背景，采用ANSYS/LS-DY？ NA動態(tài)分析近距離隧道爆破施工的力學影響，得到圍巖等級的不同對靠近既有隧道的新建隧道一側影響要明顯大于對既有隧道的影響；羅志翔等[2]以照母山隧道為依托，結合現場動態(tài)爆破監(jiān)測以及數值分析，著重對立體交叉隧道的安全性和穩(wěn)定性進行研究，最終得到Ⅳ級圍巖的合理爆破施工間距；徐葉勤等[3]利用武漢巖土所自主研發(fā)軟件，分析爆破荷載在不同主應力方向、不同軟弱夾層與隧道間距離、不同夾層傾角下對隧道穩(wěn)定性的影響；吳波[4]對采用鉆爆法施工的復雜地質情況下的隧道，利用LSPP數值模擬軟件對爆破參數進行優(yōu)化分析，得到了該段隧道最合適的爆破施工方案；吳亮等[5]以結構力學和彈性力學基本理論為基礎，得到層狀圍巖在其迎爆側的爆炸力學模型，并由此計算得到最危險點的位置。

為了保證采石場周圍隧道的穩(wěn)定性，采石場在停止爆破開挖后，可采取機械開挖的方式。選取里程 K1+200處的隧道橫斷面更好地分析采石場在后期機械開挖的過程中對臨近隧道的影響。根據隧道的現場實際檢測發(fā)現隧道二襯在上述分析的里程處，襯砌上分布著不同程度的裂縫，同時依據前面的爆破模擬分析，對隧道迎爆面?zhèn)纫r砌的強度進行折減。

本論述利用有限元軟件，研究分析采石場在停止爆破開挖的前提下，采用機械開采的極限范圍，用AN？ SYS模擬所能開挖距離隧道中線的極限距離，為后續(xù)相關工程提供理論依據和參考。

1工程概況

某隧道設計全長3471 m。隧道整體圍巖等級分級較為明確，其中III級圍巖比例最大，大約占據整體隧道70%，其余30%均為IV級、V級圍巖，隧道整體巖層狀況一般，軟弱圍巖較多，某些地方大變形現象較嚴重。

在隧道大約D7+200標記處，有一座已經存在并且還在持續(xù)開采的采石場，采石場整體簡化為一規(guī)則矩形，矩形長度約為70 m，寬度約為35 m，整體采礦區(qū)域面積大約2 500 m2。隧道所選取爆破點與矩形區(qū)域采石場直線距離大約為60 m，斜線距離大約為170 m。采石場與隧道實際位置圖與兩者之間的標記距離如圖1所示。

2K7+200里程處采石場機械開挖極限范圍分析

2.1模型的建立及參數選擇

根據隧道設計平面圖計算斷面尺寸，選取高程點，建立模型。圍巖選用多節(jié)點PLANE82單元進行模擬，對初襯根據其自身特性采用單節(jié)點PLANE82單元繼續(xù)模擬，而對于二襯為突出其與初襯的不同選擇PLANE42單元代替。模型如圖2所示，將隧道設置在模型中間，模型的左邊界距離隧道中心61.5 m，模型的右邊界距離隧道72 m，其中爆破點的位置設定在隧道中心線右邊60 m，其距離模型右邊界12 m[6]。

（1）圍巖。隧道穿越巖層為石英砂巖，設計為IV級圍巖。圍巖選用彈塑性材料模擬，具體參數見表1所列。

（2）初襯。隧道襯砌采用錨桿、掛網噴混凝土支護方式，用彈塑性材料模擬隧道初期支護。具體數據見表1所列。

（3）二襯。隧道襯砌在采石場爆破影響下，迎爆面?zhèn)榷r的承載力明顯下降，因此采取對迎爆面?zhèn)纫r砌物理力學參數進行折減，背爆面?zhèn)纫r砌采用設計強度。具體數據見表1。

對模型水平X方向在-121.5～12范圍內所有節(jié)點進行約束；選取Y=-10界面上的所有節(jié)點，約束其Y方向的位移。對整體模型施加重力加速度并首先平衡所有約束對其進行初始應力的求解，后續(xù)通過不斷消除隧道中線右邊一定范圍內單元的方法，求得開挖的極限范圍。

2.2初始應力結果

對迎爆面?zhèn)纫r砌的強度進行折減，在建立有限元模型時，迎爆面?zhèn)纫r砌中的二襯采用折減后的材料參數，背爆面?zhèn)鹊牟牧蠀挡蛔?，仍采用原先設計值。初始應力下襯砌的最大與最小主應力的分布如圖3、4所示。

在未進行開挖的時候，二襯在初始應力作用下，二襯的應力主要為壓應力，如圖3、4所示。對比圖3、圖4還可以發(fā)現，襯砌最大拉應力位置在拱頂偏右側位置，其數值約為0.036 MPa，遠小于《鐵路隧道設計規(guī)范》中C25混凝土的標準抗拉強度設計值；而襯砌最大壓應力發(fā)生在左側拱腳處，其數值為8.49 MPa，較規(guī)范中C25混凝土標準抗壓強度設計值的11.9 MPa小了3.41 MPa，并且襯砌左側所受的壓力值要明顯大于襯砌右側所受壓力。

2.3開挖到距隧道中線42 m范圍處二襯上的應力變化

當采石場停止爆破，采用機械開挖，研究可以開挖的極限范圍。采用ANSYS中的生死單元法，通過殺死單元來模擬采石場采用機械開挖對隧道襯砌上應力的影響。

開挖到距隧道中線42 m范圍處后，二襯上的拉應力值變化浮動特別大，在拱頂處的最大拉應力值為1.06 MPa，與C25混凝土抗拉強度設計值1.27 MPa的差值為0.21 MPa，如圖5所示。

開挖到距隧道中線42 m范圍處后，相較于初始應力求解后，隧道二襯左側拱腳處的壓應力最大值也處于增大趨勢，從8.49 MPa增大到8.6 MPa，與C25混凝土的標準抗壓強度設計值相差3.3 MPa，同時隧道二襯左側和右側拱腰處的壓應力值均有所增大，左側拱腰處的壓應力仍較右側拱腰的壓應力大，如圖6所示。

2.4開挖到距隧道中線30 m范圍處二襯上的應力變化

在開挖到距隧道中線42 m范圍處的基礎上，繼續(xù)應用ANSYS中生死單元法，通過進一步殺死單元的方法模擬開挖。

開挖到距隧道中線30 m范圍后，二襯上的拉應力值又明顯增大，最大拉應力仍然發(fā)生在拱頂，而最大拉應力值從最初的0.036 MPa增長到無法忽略的1.42 MPa，此時襯砌拱頂位置處拉應力已經超出了C25混凝土抗拉強度設計值1.27 MPa的值0.15 MPa，襯砌拱頂變得不安全，可能會出現開裂現象，如圖7所示。同時由圖8可知，開挖到距隧道中線30m范圍后，隧道二襯左側拱腳處的壓應力最大值還是處于增大趨勢，當開挖到距離隧道中線30 m時，最大壓應力達到9.87MPa，較C25混凝土標準抗壓強度設計值小2.03MPa，雖然壓應力也在持續(xù)增大，不過仍處于安全狀態(tài)。

同時隧道二襯左側和右側拱腰處的壓應力值均有所增大，左側拱腰處的壓應力仍較右側拱腰的壓應力大。

3結論與建議

分析上述兩次開挖結果，可以發(fā)現在逐漸靠近隧道中線的右側開挖過程中，隧道二襯拱頂上的拉應力值增大十分明顯，開挖到距隧道中線30 m范圍后，雖然襯砌所受壓應力還處于安全范圍內，但是由于混凝土自身抗壓性能好而抗拉性能差，襯砌所受拉應力已超出C25混凝土標準抗拉強度設計值，可見在上述的開挖范圍中，隧道二襯上的拉應力已明顯超出了其設計值，即隧道二襯拱頂上的承載力已超出了設計值。同時，可以發(fā)現，在開挖的過程中無論開挖到距離隧道中線多少距離，隧道拱腳、拱腰處的壓應力都是隨著開挖距離隧道中線越近，數值越大逐漸增大，襯砌所受最大壓應力分布在隧道襯砌拱腳位置處，數值為9.87 MPa。

綜合分析，在K7+200里程處采石場機械開挖的極限范圍距離隧道中線右側42 m處，停止開挖才能保證隧道襯砌的整體承載力。另外，文中采用的靜力學與動力學結合的數值建模從而計算隧道二襯的最大最小主應力的方法，可為相關類似工程的研究提供一定的理論支持和參考。

參考文獻：

[1]于建新，劉煥春，魏海霞，等.近鄰隧道爆破施工相互動力影響研究[J].現代隧道技術，2019，56（6）：85-92.

[2]羅志翔，張敏超，鐘祖良.空間交叉隧道爆破施工對鄰近隧道結構影響研究[J].地下空間與工程學報，2018，14（S1）：205-213.

[3]徐葉勤，李梅，姚俊偉，等.爆破荷載對含軟弱夾層隧道圍巖穩(wěn)定性和變形破壞特征的影響[J].爆破，2020，37（2）：35-41.

[4]吳波.層狀砂巖層城市大斷面公路隧道爆破施工優(yōu)化研究[J].現代隧道技術，2020，57（3）：115-121.

[5]吳亮，李鳳，盧文波，等.爆破擾動下鄰近層狀圍巖隧道的穩(wěn)定性與振速閾值[J].爆炸與沖擊，2017，37（2）：208-214.

[6]王蕊，宋宏偉，樊人競.建筑結構對隧道爆破的應力響應與穩(wěn)定性研究[J].建筑技術，2017，48（11）：1170-1174.