新建隧道爆破施工对既有隧道交叉段影响分析

新建隧道爆破施工对既有隧道交叉段影响分析

颜鲁林，唐杰

中国水利水电第十二工程局有限公司  杭州 310004

摘要：在相邻隧道爆破作业中，合理地了解隧道在开挖过程中的反应特征，对确保隧道安全、安全、有效地进行工程具有十分重要的现实意义。本文以某隧为研究对象，建立了近接隧道交又段爆破振动三期数值模型，对现有隧道振速.应力分布规律进行了分析，确定近接隧道施工中应关注的重点部位及范围。分析结果显示，拱顶和拱肩爆破的振动反应比较灵敏，在施工过程中应予以重视，并在必要时采取相应的控制措施，以确保隧道衬砌的安全、稳定。

关键词：上穿隧道；ANSYS/LS-DYNA；爆破施工；振动响应

随着国家基建的发展，新建的铁路、公路等运输线路也越来越多。在建设中，难免会出现相邻隧道、平行小净距隧道等，这些隧道之间的距离很短，容易造成相邻施工问题，尤其是新建隧道爆破施工下，若设计施工不当会对既有隧道结构产生不利影响，进而影响其安全性，使用性。

近年来，国内外的许多学者都对隧道开挖进行了大量的研究，并取得了一定的成果。吴波等采用现场观测与数值仿真相结合的方法，对新建隧道在爆破荷载作用下的自振性能和应力分布进行了分析。基于钱仓山隧道，叶培旭等人利用现场监控和研充隧道爆破振动影，得出了影响既有隧道结构振速的主要因素，即交叉距离和岩体完整性。彭道富等人利用现场观测数据，运用统计回归分析法，分析了不同相邻段爆破对已建隧洞的振速影响，得出了其最大振速与邻近爆破的内在关系。郭东明等）通过数值仿真与模型实验相结合的方法，对相邻隧道在爆破作用下的动力破坏进行了分析，得出了其破坏形式、裂缝发生位置和最小安全距离。贾聂等采用三维有限元方法，对不同掘进深度和间距下的隧洞支护结构进行了分析。本文利用IS-DYNA动态有限元软件，基于梧坞高速铁路隧道和西部甄山公路隧道交叉段，建立了新建高速铁路隧道爆破施工下既有公路隧道数值模型，通过过分析既有隧道振速.应力分布规律，确定近接隧道施工中应关注的重点部位及范围，可为今后类似近接隧道工程施工提供一定指导与参考。1模型的建立

1.1 工程概况

某隧道为6车道分段式特长隧道，其设计时速100 km/h，行车道宽3 x3.75 m，单洞施工界限总宽14.50 m，紧急停车带建筑界限总宽17.50 m，成道开挖断面约为162m2。

1.2 计算模型

通过对工程地质调查及有关设计数据的分析，认为两隧道的交会处是一类围岩，两条隧道的两条线间隔为12.8米，而高速公路隧道的拱顶和高速铁路隧道的仰拱中部净距为8 m。按照工程建设的进展情况，高速公路立交段的二次衬砌已经全部完工，高速铁路隧道的右线、左线采用三步法进行开挖，总体模型和装药孔洞布置如下。在模型的上端，成道李于面和已开挖的沟槽面采用自由边界，其它的边坡都设置为不反射的边缘。

2数值计算结果 分析

2.1横断面振速响应规律分析

依据中心断面各监测点的综合振速时程曲线确定峰值振速。

在新开挖的掌于面位于交叉点中央时，爆破震动会对前面已有隧道（左线）产生的强烈震动，使其处于安全状态。在右线，在右线的相对位置，左线衬砌的振动反应强度大约是其2~6倍。右线隧道衬砌监测点的振速都在1.0 m/s以下，左线隧道衬砌质点振速总体上都很高，最大振速位于左侧拱肩处，达到5.2 cem/s，且拱顶和拱肩爆破振动反应比较灵敏，因此在施工中应予以重视，应加强监测，并在必要时采取相应的措施。

2.2横断面衬砌应 力响应分析

提取中心断面各监测部位的应力时程曲线,对公路隧道左、右线衬砌在横断面上的应力响应特性进行分析,如图3所示。《隧道工程施工要点集》中指出,新建隧道对既有隧道的影响以衬砌应力增加的容许值为判据,其中,拉应力容许值为1.0 MPa,压应力容许值为5.0 MPa。.

公路隧道左、右线衬砌结构在爆破荷载作用下均产生一-定的附加应力,第一、三主应力的大小及分布较-致。整体上,左线衬砌应力响应大于右线,主要是由于其处于应力波传播的正方向上,强度较大的应力波传播至左线时能量衰减较少所致。右线拉、压应力增量最大值分别为0.044MPa、0.043MPa,均位于右拱脚处,最小值位于背爆侧的拱脚、边墙处,主应力最大值出现于衬砌右拱脚处由于半径较小而存在应力集中现象,是工程中需要重点关注的部位。左线拉、压应力增量最大值分别为0.157MPa、0.188MPa,均位于右拱肩处,最小值位于仰拱处。左右线衬砌附加应力最大值均远小于应力容许值，结构处于安全状态。

以上结果表明,爆破荷载作用下,既有隧道衬砌结构附加应力的大小及分布主要受爆心距、应力波反射、结构自身状态等因素的控制。爆心距越大,附加应力越小。应力波的反射会削弱人射波的强度,附加应力会有一定降低。衬砌单元在应力波人射方向上有约束时产生的附加应力较无约束时大。

2.3 轴向振速响应规律分析

为了进一步分析衬砌结构受上方爆破荷载作用下沿既有隧道轴向的振速变化规律，提取既有隧道不同断面处不同监测位置的综合振速最大值。

①左右线隧道的各个监测点质点振速在轴.方向上都是先增加后降低的，在相交段处出现最大振速值，并与中心截面成对称关系，表明随着距离爆炸源的距离的增加，结构的振动效应会逐渐减弱；②左右线隧道各断面监测点振速呈现出迎爆面大于背爆侧的特点，这种现象的产生原因是迎爆侧的距离小于背爆侧，以及左右线已开挖的洞室由于临空面的影响，使应力波不能沿着最短的路线传播，从而产生了很强的衰减作用。

3结论

本文以某高铁隧道近距离上跨双线大断面公路隧道为工程背景,采用ANSYS/LS- -DYNA对新建隧道掌子面位置、既有隧道衬砌结构对爆破振动的影响进行系统分析,主要得到结论:(1)既有隧道右线拉、压应力增量最大值分别为0.044 MPa、0.043 MPa,左线拉、压应力增量最大值分别为0.157 MPa、0.188 MPa,其最大值均远小于应力容许值,结构处于安全状态。(2)爆破荷载作用下,既有隧道衬砌结构附加应力的大小及分布主要受爆心距、应力波反射、结构自身状态等因素的控制(3)在距离中间段前后10米处，不同部位的振动速度存在很大的差别，其速度的大小主要取决于爆破距离和监测点的位置；质点振速在10米以外的各部位逐渐趋于相同，爆心距对速度的影响最大，而结构的位置对振动速度的影响很小。

参考文献：

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