陳增劍

(廣西交通投資集團(tuán)玉林高速公路運營有限公司,廣西 玉林 537004)

0 引言

山嶺隧道在運營過程中,有時會遇到鄰近施工隧道施工影響,尤其是當(dāng)鄰近施工隧道采用爆破等方式施工時,影響更為強(qiáng)烈,嚴(yán)重時會導(dǎo)致運營隧道發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。近年來,國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究。白建方、張馨等[1-2]以某隧道工程為研究對象,采用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了列車動載對隧道基坑開挖施工影響,研究表明,列車荷載作用下擬開挖隧道無明顯振動,在豎直方向上設(shè)置圍護(hù)樁和錨索支護(hù)體可以有效防止隧道失穩(wěn)。王忠昊、陳常宇等[3-4]以某隧道工程為例,研究了地面壓路機(jī)荷載對隧道支護(hù)體系的動力影響,結(jié)果表明,當(dāng)隧道埋深較小時,上部振動荷載對隧道彎矩影響較大,隨著隧道埋深增大,振動荷載影響逐漸減弱。張露晨、劉娜等[5-6]將爆破荷載和地震荷載轉(zhuǎn)化為等效靜力,施加在隧道模型上,研究了動力作用下隧道圍巖的穩(wěn)定性,研究表明,動力作用下的隧道安全系數(shù)明顯小于靜力作用下的安全系數(shù),當(dāng)動力荷載較大時可能誘發(fā)隧道失穩(wěn)。吳波、萬明富等[7-8]采用數(shù)值模擬的方法,結(jié)合強(qiáng)度折減法,得到了隧道在動力作用下的失穩(wěn)判據(jù),可為類似工程判斷隧道在爆破荷載下的穩(wěn)定性提供參考。本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數(shù)值模擬軟件分析了既有營運隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,研究結(jié)果可為類似工程施工保護(hù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

某擬建高速公路隧道采用爆破法施工方式,在擬建隧道旁存在某既有隧道。既有隧道凈寬為13 m,凈高為10.5 m,具體如圖1所示。既有隧道采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+二襯聯(lián)合支護(hù)形式,噴射混凝土采用C20標(biāo)號,噴射厚度為30 cm,錨桿共13根,采用φ25 mm注漿錨桿,間距為800 mm(環(huán)向)×1 200 mm(縱向),鋼拱架選用Ⅰ20,縱向間距為1 200 mm,鋼筋網(wǎng)直徑為φ8 mm,網(wǎng)格尺寸為200 mm×200mm。

圖1 既有隧道斷面圖(cm)

2 數(shù)值建模

2.1 模型的建立

下頁圖2所示為本文采用大型有限差分軟件FLAC 3D建立的數(shù)值分析模型。模型長、寬分別取65 m和40 m,高度為60 m,除模型上邊界外,其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。既有隧道采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+二襯聯(lián)合支護(hù)形式,隧道圍巖和襯砌均采用實體單元建立,整個模型均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。為簡化計算,模擬中將鋼筋網(wǎng)和鋼拱架的彈性模量折算到混凝土中。

(a)模型

2.2 參數(shù)賦值

隧道位于地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈處,巖體表現(xiàn)為破碎,巖性以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主,具體巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。表2為噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)。

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)表

2.3 動載施加

為了模擬鄰近隧道爆破施工對既有隧道的影響,本文在既有隧道內(nèi)部設(shè)置動力波監(jiān)測設(shè)備,圖3所示為監(jiān)測到的x、y和z方向的應(yīng)力波,將圖中3個方向的應(yīng)力波均施加在模型之中。為了模擬結(jié)果更加切合實際,除模型底部邊界外,其他邊界均設(shè)置為粘滯吸收邊界。

(a)x方向

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 靜載作用下隧道開挖變形分析

如圖4所示,給出了在靜力作用下(即自重作用下)隧道支護(hù)前后的豎向位移云圖,圖5給出了支護(hù)前后拱頂沉降對比曲線。由圖4～5可知,在靜載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護(hù)前,拱頂最大沉降值為7.92 mm,拱底最大隆起值為4.89 mm;在支護(hù)后,拱頂最大沉降值為6.13 mm,拱底最大隆起值為4.25 mm。相比于支護(hù)前,支護(hù)后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了22.6%和13.1%。由此可知,采用支護(hù)措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(a)支護(hù)前

圖5 支護(hù)前后拱頂沉降對比曲線圖

為了更加直觀地得到靜載作用下隧道支護(hù)前后的圍巖松動變形情況,如圖6所示,給出了靜載作用下隧道開挖支護(hù)前后的塑性區(qū)云圖。由圖6可知,在支護(hù)前,兩側(cè)拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,在拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;在支護(hù)之后,隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護(hù)之前大大提升。

(a)支護(hù)前

3.2 爆破動載作用下隧道開挖變形分析

圖7所示為在爆破動載作用下隧道支護(hù)前后的豎向位移云圖,圖8為動載作用下支護(hù)前后拱頂沉降對比曲線。由圖7～8可知,在爆破動載作用下,隧道上部發(fā)生沉降,下部發(fā)生隆起,且隧道拱頂沉降最大,拱底隆起最大。在支護(hù)前,拱頂最大沉降值為8.36 mm,拱底最大隆起值為5.40 mm;在支護(hù)后,拱頂最大沉降值為6.41 mm,拱底最大隆起值為4.50 mm。相比于支護(hù)前,在爆破動載作用下支護(hù)后隧道拱頂沉降值和拱底隆起值分別減小了23.3%和16.7%。

(a)支護(hù)前

圖8 動載作用下支護(hù)前后拱頂沉降對比曲線圖

對比圖4和圖7可知,在支護(hù)前,動載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高5.3%和9.4%;在支護(hù)后,動載作用下隧道拱頂沉降值和拱底隆起值要比靜載作用下分別高4.4%和5.6%。由此可知,爆破動載作用會導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,且采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性更好。

為了更加直觀地得到爆破動載作用下隧道支護(hù)前后的圍巖松動變形情況,如圖9所示,給出了動載作用下隧道開挖支護(hù)前后的塑性區(qū)云圖。由圖9可知,在支護(hù)前,隧道拱底附近和兩側(cè)拱墻附近圍巖塑性區(qū)面積較大,且在拱腳附近出現(xiàn)大面積的拉伸剪切破壞;在支護(hù)之后,動載作用下隧道圍巖塑性區(qū)較支護(hù)前明顯降低。此外,對比圖6和圖9可知,隧道在受到爆破動荷載之后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長,且爆破動載對未采取支護(hù)措施時隧道的影響更大。由此可知,爆破動載作用會導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,且采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性能力明顯提升。

(a)支護(hù)前

4 結(jié)語

本文主要以既有隧道受鄰近施工爆破影響為背景,采用數(shù)值模擬軟件分析了既有營運隧道在靜載和爆破荷載作用下的圍巖穩(wěn)定性,得到以下結(jié)論:

(1)靜載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護(hù)后比支護(hù)前分別減小了22.6%和13.1%,即采用支護(hù)措施后,隧道圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

(2)靜載作用下,支護(hù)前隧道兩側(cè)拱墻附近以及拱腳處圍巖塑性區(qū)面積較大,拱頂和拱底塑性區(qū)面積較小;支護(hù)后隧道圍巖塑性區(qū)明顯降低約50%,隧道穩(wěn)定性較未支護(hù)之前大大提升。

(3)爆破動載作用下,隧道拱頂沉降值和拱底隆起值在支護(hù)后比支護(hù)前分別減小了23.3%和16.7%,且爆破動載作用會導(dǎo)致隧道圍巖變形增大,采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性更好。

(4)隧道在受到爆破動荷載后,隧道圍巖塑性區(qū)面積增長,且爆破動載對未采取支護(hù)措施時隧道的影響更大,采用支護(hù)措施后的隧道抗爆破動載穩(wěn)定性能力明顯提升。因此,在隧道施工過程中應(yīng)及時支護(hù)并盡量避免鄰近爆破動荷載作用,以免對隧道穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。