公路隧道爆破工程对既有电力铁塔影响分析

曲 勰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

随着我国城际道路建设的快速发展，在公路隧道建设过程中与邻近既有建(构)筑物，如民房、电力铁塔、水渠、管线、桥梁等存在不利影响。如果在设计、施工中未充分考虑对既有构筑物的保护措施，采取针对性的优化措施，不仅有产生直接经济损失的风险，而且可能危害民生造成较大的社会负面影响。所以对既有工程的保护逐步成为现阶段公路隧道建设关键技术环节，有限元法是解决这一问题的有效方法。

采用动力有限元法模拟爆破振动可采用等效指数衰减型爆破荷载施加在爆孔孔壁，可根据爆破方案中单响药量、炸药密度、爆速、爆压等爆破参数确定荷载参数，该方法相较于直接采用炸药模型进行多物理场耦合计算更加简单有效，根据实践经验精度能够满足工程要求。

1 工程概况

1.1 项目概况

浙江某国道公里路工程，设计速度80 km/h，路基宽33.0 m，分离式隧道段采用曲墙式横断面，断面为三心圆，净高为5.0 m，总基本宽度为14 m。线路道线路正上方有1 000 kV电力铁塔一座，铁塔基础与隧道顶最小净距为60 m，隧道线位与电力铁塔相对关系可见现场图(见图1)。

1.2 工程地质

处于隧道洞身，围岩以微风化岩体为主，岩性为英安玢岩，节理裂隙发育一般，岩体较完整，局部较破碎，质坚硬。该段地下水主要为基岩裂隙水，赋存于裂隙内，水量贫乏，由大气降水补给，水文地质条件较简单。考虑该段隧道围岩节理裂隙发育一般，岩体呈块石或碎石状镶嵌结构，总体较完整，围岩基本稳定，但开挖不当时易产生掉块，Rc=70 MPa，Kv= 0.75，[BQ]=362，综合评定为Ⅲ级围岩。

2 有限元数值分析

2.1 计算模型及参数

模型尺寸根据隧道及输电铁塔的断面尺寸确定，有限元网格见图2。边界超出计算构筑物或隧道的距离不小于30 m。对于爆破动力计算采用，1972年Lysmer和Wass提议的粘性边界(viscous Boundary)。为了定义粘性边界需要计算相应的土体X，Y，Z方向的阻尼比。计算阻尼的公式如下：

其中，λ为体积弹性系数,kN/m2；G为剪切弹性系数，kN/m2；E为弹性模量；v为泊松比；A为截面积,m2。

三维有限元数值计算采用Mohr-Coulomb弹塑性模型模拟岩土体等压力敏感材料的力学行为，计算参数见表1。

表1 岩土体模型计算参数

2.2 爆破荷载

根据工程经验公式确定爆破荷载参数，对于一般的爆破弹性分析爆破压力都是作用在孔壁的垂直方向上，此时用的荷载用美国National Highway Institute推荐公式。该隧道爆破最大单段药量为17 kg。每1 kg的爆破荷载如下:

其中，Pdet为爆破压力；PB为孔壁面上的压力；Ve为爆破速度；dc为火药直径；dh为孔眼直径；Sge为比重。

实际上作用在孔壁的动压力随时间的变化状态。本次计算使用Statfiled提及的有关时程的动压力。

其中，B=16 338为荷载常量，每1 kg装药量的动压力。

2.3 分析计算结果

图3与图4为隧道洞室单段炸药爆破后电力铁塔结构及桩基础最大振速云图，从图3，图4中可以看出，在爆破后电力铁塔塔身最大振速为4.03 cm/s，塔基最大振速1.15 cm/s，满足GB 6722—2014爆破安全规程要求。

3 结语

通过采用有限元分析方法分析，得出了在单段爆破药量为17 kg时，隧道爆破对上部1 000 kV电力铁塔的影响造成塔身与塔基最大振速的动力响应能够满足规范要求。通过动力有限元法在实际工程中的实践应用，证明了该方法可以作为隧道爆破方案校核及优化的有效分析手段。