小净距隧道爆破对加固既有隧道震动影响数值模拟研究

李萍萍

（杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100）

王光勇通过建立模型，分析了全长粘结锚杆在平面爆炸应力波作用下的加固洞室抗爆性能。在文献[1]中，对弁山隧道软弱破碎围岩的加固效果进行了数值模拟，模拟数据表明，拱圈和隧道底板应进行综合加固，重点监测拱脚位置。在文献[2]中，利用LS-DYNA3D软件进行数值模拟，研究了衬砌加固洞室在爆炸荷载作用下的抗爆加固效果及衬砌参数对抗爆加固效果的影响规律。文献[3]为了深入了解水平旋喷桩的围岩预加固效果的机理，借助三维弹塑性有限元模型，结合工程案例，对水平旋喷桩在隧道开挖变形时的加固情况进行了分析，模拟的数据表明，采用旋喷桩可使隧道拱顶和最大地面沉降降低约50%，洞周塑性面积也大大缩小。文献[4]采用抗爆模型，研究了集中装药爆炸应力波作用下拱顶端加密锚杆支护隧道的抗爆效果。王光勇利用LS-DYNA3D软件研究了集中装药爆炸应力波作用下锚杆动载响应及加固机理。在文献[5]中，通过测试预应力锚索的抗爆性能，分析了爆炸对预应力锚索自应力的影响，得出了不同预应力锚索使用时预应力锚索自应力的变化规律。

1 工程概况

本文主要研究新建隧道爆破时，既有隧道的加固措施，以实际工程为依托，进行有限元计算，通过等效计算分析不同间距的钢拱架作用。

在工程中，在DK80+354—DK80+391，在既有隧道衬砌背面用钻孔注入M30水泥砂浆进行加固，钻孔直径为50 mm，径向间距为2.5 m，纵向间距为5.0 m，梅花型布置，钻孔深度通过二次衬砌，注浆压力不大于0.5 MPa。为了保证施工安全，对该段既有线采用了I16钢拱加固，钢拱间距为1榀/m。

2 模型的建立

本章主要基于ANSYS/LS-DYNA有限元程序，采用了空间三维数值模型来模拟新建隧道在爆破时既有隧道最大主拉应力和既有隧道边墙X方向位移。

在既有隧道钢拱架加固等效数值模拟过程中，有限元模型尺寸为75 m×42 m×35 m，整体有限元模型如图1所示。有限元模型的6个边界采用无反射边界，模型的底部采用三向约束。在有限元模型中，围岩采用实体单元solid181，衬砌采用壳体单元shell163。在计算模型中，采用共用节点法对围岩、炸药、堵塞段和空气段进行网格划分。模型坐标X与新建隧道边墙垂直，Z对应新建隧道轴向，Y垂直X轴与Z轴形成的平面。

图1 钢拱架等效加固，有限元模型

3 钢拱架等效加固模拟结果分析

3.1 应力分析

本文选取了既有隧道不同钢拱架间距（见表1）进行等效加固数值模拟，分析不同间距的钢拱架等效加固对既有隧道的影响。表中S代表钢拱架的间距。通过ANSYS/LS-DYNA有限元的数值模拟分析可得，在新建隧道爆破开挖过程中，既有隧道衬砌的最大主拉应力发生在拱顶与边墙的联接处，即在此处最容易发生受拉破坏，最大主拉应力时程曲线如图2所示。

表1 钢拱架间距分类

通过图2的数值分析，数据列于表2。

表2 最大主拉应力数据

图2 既有隧道最大主拉应力时程曲线

通过图2的分析可知，最大主拉应力都为正值，在既有隧道最大主拉应力时程曲线图上，首先出现一段直线，值为0，这是因为爆源与监测点有一定的距离，爆破产生的爆炸波需要一定的时间传到监测点的位置，所以最大主拉应力要经过几毫秒才会出现，在所有的既有隧道最大主拉应力时程曲线图中，过5 ms不久将出现最大主拉应力的最大值。

由表2分析可知，既有隧道的衬砌弹性模量为1.5×1010Pa时，既有隧道衬砌最大的主拉应力为0.41 MPa；既有隧道不采用钢拱架加固时，既有隧道最大的主拉应力为0.556 MPa；既有隧道钢拱架间距取5 m时，既有隧道最大的主拉应力为0.563 MPa；既有隧道加固钢拱架间距取2 m时，既有隧道出现最大的主拉应力为0.573 MPa。从分析可得，随钢拱架间距的减小，也就是弹性模量的增大，既有隧道衬砌最大的主拉应力逐渐变大，但是增大的幅度不是很高。

3.2 位移分析

通过数值模拟分析可得，在新建隧道的爆破荷载作用下，既有隧道衬砌上的X方向的最大位移出现在迎爆侧的直墙上。既有隧道边墙X方向的位移时程曲线如图3所示。

通过图3的数值分析，数据列于表3。

图3 既有隧道边墙X方向位移时程曲线

表3 最大位移数据

通过图3的分析可知，在既有隧道边墙X方向位移时程曲线图上，先出现一段直线，值为0，这是因为爆源与监测点有一定的距离，爆破产生的爆炸波需要一定的时间传到监测点的位置，所以位移要经过几毫秒才会出现。

由表3分析可知，当既有隧道衬砌的弹性模量取1.5×1010Pa时，在爆破荷载作用下，既有隧道衬砌上的X方向的最大位移为0.076 6 mm；当既有隧道不采用钢拱架加固时，既有隧道的衬砌上的X方向的最大位移为0.066 3 mm；当既有隧道钢拱架间距取5m时，既有隧道衬砌上的X方向的最大位移为0.067mm；当既有线钢拱架间距为2m时，其衬砌上的X方向的最大位移为0.0678 mm。从分析可得，当既有隧道衬砌的弹性模量较小时，随着弹性模量的增大，X方向的最大位移逐渐变小，当弹性模量达到一定程度时，随着弹性模量的增大，X方向的最大位移逐渐变大，说明既有隧道衬砌的弹性模量在一定的范围内时，抗爆加固效果明显，等超过一定范围时，随着弹性模量的增大，抗爆效果不太明显。当既有隧道衬砌弹性模量小于一定值时，钢拱架加固可以提高隧道的抗爆效果，当既有隧道本身的弹性模量大于某个值时，钢拱架加固不仅会增加工程造价，而且抗爆效果不明显，甚至会增加位移，也就是说一味地增加钢拱架和减小钢拱架的间距抗爆效果并不明显，甚至引起反效果。

通过以上所有的分析可知，当既有隧道衬砌的弹性模量为23 GPa左右时，衬砌的位移量最小，同时振速、主拉应力和主压应力也不是很大，此时的抗爆效果最好，所以对于既有隧道衬砌的弹性模量小于该值的可以通过增加钢拱架或适当减小钢拱架的间距，以提高既有隧道衬砌的弹性模量，达到最佳抗爆效果；当既有隧道衬砌的弹性模量高于该值的时候，就不需要进行钢拱架加固了。

4 结论

通过LS-DYNA3D程序数值分析，得到在新建隧道爆炸荷载的作用下衬砌加固的既有隧道的抗爆加固效果及衬砌参数对抗爆加固效果的影响规律。

通过既有隧道钢拱架加固的分析可知既有隧道的位移的最大值出现在边墙上，主拉应力和出现在拱顶和边墙的联结处；既有隧道主拉应力随着既有隧道衬砌弹性模量的增大而逐渐增大；当弹性模量不大于某个值时，随着弹性模量的增大，及钢拱架间距的减小和增加钢拱架，抗爆加固效果有所提高，但当弹性模量增大到一定值时，再增加衬砌的弹性模量，及减小钢拱架的间距和增加钢拱架，其抗爆加固效果反而不佳。当既有隧道衬砌的弹性模量为23 GPa左右时，衬砌的位移量最小，同时主拉应力也不是很大，此时的抗爆效果最好。