爆破动载作用下山岭隧道开挖支护稳定性研究

陈增剑

(广西交通投资集团玉林高速公路运营有限公司,广西 玉林 537004)

0 引言

山岭隧道在运营过程中,有时会遇到邻近施工隧道施工影响,尤其是当邻近施工隧道采用爆破等方式施工时,影响更为强烈,严重时会导致运营隧道发生失稳现象。近年来,国内学者对此进行了一些研究。白建方、张馨等[1-2]以某隧道工程为研究对象,采用FLAC 3D软件进行数值模拟,研究了列车动载对隧道基坑开挖施工影响,研究表明,列车荷载作用下拟开挖隧道无明显振动,在竖直方向上设置围护桩和锚索支护体可以有效防止隧道失稳。王忠昊、陈常宇等[3-4]以某隧道工程为例,研究了地面压路机荷载对隧道支护体系的动力影响,结果表明,当隧道埋深较小时,上部振动荷载对隧道弯矩影响较大,随着隧道埋深增大,振动荷载影响逐渐减弱。张露晨、刘娜等[5-6]将爆破荷载和地震荷载转化为等效静力,施加在隧道模型上,研究了动力作用下隧道围岩的稳定性,研究表明,动力作用下的隧道安全系数明显小于静力作用下的安全系数,当动力荷载较大时可能诱发隧道失稳。吴波、万明富等[7-8]采用数值模拟的方法,结合强度折减法,得到了隧道在动力作用下的失稳判据,可为类似工程判断隧道在爆破荷载下的稳定性提供参考。本文主要以既有隧道受邻近施工爆破影响为背景,采用数值模拟软件分析了既有营运隧道在静载和爆破荷载作用下的围岩稳定性,研究结果可为类似工程施工保护提供参考和借鉴。

1 工程概况

某拟建高速公路隧道采用爆破法施工方式,在拟建隧道旁存在某既有隧道。既有隧道净宽为13 m,净高为10.5 m,具体如图1所示。既有隧道采用锚杆+钢筋网+钢拱架+二衬联合支护形式,喷射混凝土采用C20标号,喷射厚度为30 cm,锚杆共13根,采用φ25 mm注浆锚杆,间距为800 mm(环向)×1 200 mm(纵向),钢拱架选用Ⅰ20,纵向间距为1 200 mm,钢筋网直径为φ8 mm,网格尺寸为200 mm×200mm。

图1 既有隧道断面图(cm)

2 数值建模

2.1 模型的建立

下页图2所示为本文采用大型有限差分软件FLAC 3D建立的数值分析模型。模型长、宽分别取65 m和40 m,高度为60 m,除模型上边界外,其他边界均进行位移和边界约束。既有隧道采用锚杆+钢筋网+钢拱架+二衬联合支护形式,隧道围岩和衬砌均采用实体单元建立,整个模型均采用摩尔-库仑本构模型。为简化计算,模拟中将钢筋网和钢拱架的弹性模量折算到混凝土中。

(a)模型

2.2 参数赋值

隧道位于地质构造作用强烈处,岩体表现为破碎,岩性以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主,具体岩土体物理力学参数如表1所示。表2为喷射混凝土和锚杆的力学参数。

表2 喷射混凝土和锚杆的力学参数表

2.3 动载施加

为了模拟邻近隧道爆破施工对既有隧道的影响,本文在既有隧道内部设置动力波监测设备,图3所示为监测到的x、y和z方向的应力波,将图中3个方向的应力波均施加在模型之中。为了模拟结果更加切合实际,除模型底部边界外,其他边界均设置为粘滞吸收边界。

(a)x方向

3 数值结果分析

3.1 静载作用下隧道开挖变形分析

如图4所示,给出了在静力作用下(即自重作用下)隧道支护前后的竖向位移云图,图5给出了支护前后拱顶沉降对比曲线。由图4～5可知,在静载作用下,隧道上部发生沉降,下部发生隆起,隧道拱顶沉降最大,拱底隆起最大。在支护前,拱顶最大沉降值为7.92 mm,拱底最大隆起值为4.89 mm;在支护后,拱顶最大沉降值为6.13 mm,拱底最大隆起值为4.25 mm。相比于支护前,支护后隧道拱顶沉降值和拱底隆起值分别减小了22.6%和13.1%。由此可知,采用支护措施后,隧道围岩整体稳定性明显提高。

(a)支护前

图5 支护前后拱顶沉降对比曲线图

为了更加直观地得到静载作用下隧道支护前后的围岩松动变形情况,如图6所示,给出了静载作用下隧道开挖支护前后的塑性区云图。由图6可知,在支护前,两侧拱墙附近以及拱脚处围岩塑性区面积较大,在拱顶和拱底塑性区面积较小;在支护之后,隧道围岩塑性区明显降低约50%,隧道稳定性较未支护之前大大提升。

(a)支护前

3.2 爆破动载作用下隧道开挖变形分析

图7所示为在爆破动载作用下隧道支护前后的竖向位移云图,图8为动载作用下支护前后拱顶沉降对比曲线。由图7～8可知,在爆破动载作用下,隧道上部发生沉降,下部发生隆起,且隧道拱顶沉降最大,拱底隆起最大。在支护前,拱顶最大沉降值为8.36 mm,拱底最大隆起值为5.40 mm;在支护后,拱顶最大沉降值为6.41 mm,拱底最大隆起值为4.50 mm。相比于支护前,在爆破动载作用下支护后隧道拱顶沉降值和拱底隆起值分别减小了23.3%和16.7%。

(a)支护前

图8 动载作用下支护前后拱顶沉降对比曲线图

对比图4和图7可知,在支护前,动载作用下隧道拱顶沉降值和拱底隆起值要比静载作用下分别高5.3%和9.4%;在支护后,动载作用下隧道拱顶沉降值和拱底隆起值要比静载作用下分别高4.4%和5.6%。由此可知,爆破动载作用会导致隧道围岩变形增大,且采用支护措施后的隧道抗爆破动载稳定性更好。

为了更加直观地得到爆破动载作用下隧道支护前后的围岩松动变形情况,如图9所示,给出了动载作用下隧道开挖支护前后的塑性区云图。由图9可知,在支护前,隧道拱底附近和两侧拱墙附近围岩塑性区面积较大,且在拱脚附近出现大面积的拉伸剪切破坏;在支护之后,动载作用下隧道围岩塑性区较支护前明显降低。此外,对比图6和图9可知,隧道在受到爆破动荷载之后,隧道围岩塑性区面积增长,且爆破动载对未采取支护措施时隧道的影响更大。由此可知,爆破动载作用会导致隧道围岩变形增大,且采用支护措施后的隧道抗爆破动载稳定性能力明显提升。

(a)支护前

4 结语

本文主要以既有隧道受邻近施工爆破影响为背景,采用数值模拟软件分析了既有营运隧道在静载和爆破荷载作用下的围岩稳定性,得到以下结论:

(1)静载作用下,隧道拱顶沉降值和拱底隆起值在支护后比支护前分别减小了22.6%和13.1%,即采用支护措施后,隧道围岩整体稳定性明显提高。

(2)静载作用下,支护前隧道两侧拱墙附近以及拱脚处围岩塑性区面积较大,拱顶和拱底塑性区面积较小;支护后隧道围岩塑性区明显降低约50%,隧道稳定性较未支护之前大大提升。

(3)爆破动载作用下,隧道拱顶沉降值和拱底隆起值在支护后比支护前分别减小了23.3%和16.7%,且爆破动载作用会导致隧道围岩变形增大,采用支护措施后的隧道抗爆破动载稳定性更好。

(4)隧道在受到爆破动荷载后,隧道围岩塑性区面积增长,且爆破动载对未采取支护措施时隧道的影响更大,采用支护措施后的隧道抗爆破动载稳定性能力明显提升。因此,在隧道施工过程中应及时支护并尽量避免邻近爆破动荷载作用,以免对隧道稳定产生不利影响。