爆破振动作用下小净距隧道围岩的力学行为分析
摘要:本文运用数值分析计算软件,对小净距隧道中既有隧道受邻近隧道爆破震动的动力响应特性进行了分析,得出了爆破地震波作用下,隧道周边围岩应力、位移和振动速度的分布规律,为小净距隧道的设计与安全施工提供了科学依据。
关键词:小净距;隧道;爆破震动;数值模拟
爆破震动作用下邻近洞室的响应是一个复杂的动力学问题。数学解析法虽然能给出准确可靠的分析结果,但数学处理上的困难制约了它的适用范围。目前,理论分析仍只能解决介质、结构线弹性,入射波为稳态波,边界条件较简单的情况。要分析更复杂的实际问题,则需借助实验或数值计算方法。计算机数值模拟技术的发展为这一问题的研究提供了很好的工具,很多学者已经作过这方面的研究。
本文结合某高速公路小净距隧道开挖施工,应用数值模拟软件模拟开挖过程中隧道爆破施工对临近既有隧道的影响,得到隧道围岩应力场、位移场及爆破振动速度场的分布规律。
1爆破振动作用下影响邻近隧道稳定性的因素
(1) 根据动力弹性理论,爆破时,岩体中产生的应力与质点的振动速度成正比。在爆破地震波引起相同振速的情况下,低频波比高频波对洞室围岩的影响要大。目前,许多国家在制定或修订爆破震动安全判据时,普遍考虑了振速和频率两个指标的共同影响。
(2) 地质条件因素。地质条件主要指相临隧道之间的地质材料与地质构造,也是地震波的传播介质。研究表明,在相同爆破地震波的作用下,岩石越硬,则围岩中引起的峰值振动速度越小。从波动力学的角度讲,爆破震动对邻近洞室的影响是地震波在传播过程中与地质介质相互作用的结果。应力波参数是两者波阻抗的函数,不同的岩石对爆破地震波的阻尼效应不同,特别是当洞室围岩存在某些特殊地质构造(如断层软弱夹层,溶洞等)时,应力波的传播更受影响。
(3) 隧道自身条件因素。隧道的横断面形状、被覆材料,衬砌结构、爆源的相对位置、洞径与爆破应力波长的相对尺寸等直接影响洞壁周边的应力分布,而洞径是影响围岩应力和振速的重要因素。在其它条件相同的情况下,随着隧道直径的增大,迎爆一侧主要由于应力波的反射拉伸作用,其动力集中因子增大,而背爆一侧没有明显的变化。长江水利水电研究院建议的允许爆破震动速度和破坏标准见表1。表1中的数据为重复爆破的速度值,单次爆破时,可适当加大,但不超过50%。
2 工程概况
某高速公路隧道进口端前方铁路隧道下穿,出口端基本与铁路平行。隧道K2+880~K3+250,YK2+880~YK3+260为小净距,线间距4~12.7m,其余为分离式,隧道洞轴线走向约196°,净空10.25×5.0m,其中左线隧道全长2092m,纵坡坡度为-2.8%,隧道底高程为1473.36~1686.11m;右线隧道底高程为1473.36~1684.93m,全长2124m,纵坡坡度为-2.8%。隧道最大埋深231.45m。
3爆破对邻近隧道影响的数值模拟分析
3.1数值计算模型
计算模型由两个截面形状为马蹄形的隧道及其周围围岩组成。分析地下开挖时,模型边界应距离开挖洞室中心大约10倍直径的长度。隧道断面上半部分为半径3 m的半圆,下半部分为3 m×10m的矩形。两硐中心相距20 m,计算模型x方向范围为-70～70 m, Y方向范围为0～30m, Z方向范围为30～-60。用FLAC3D进行动力计算,网格剖分尺寸受输入波动的最短波长控制。设网格最大尺寸为Δl, 输入波动的最短波长为λ,则Δl必须小于(1/10～1/8) 。另外,动力计算要求网格划分的尺寸要相对均匀,网格最大尺寸和最小尺寸的比例一般不超过5。因此,划分模型为44160个单元,共50094个节点。
3.2岩体物理力学参数及力学模型
不考虑岩体物理力学参数变化对计算的影响,计算模型中的岩体为单一岩石材料。参数取值为体积模量K = 7.73 GPa,剪切模量G = 5.32 GPa,抗拉强度σt=0.2459MPa,粘聚力C=0.725MPa,体积密度ρ=2720kg.m-3,内摩擦角φ=70.77°。模型采用理想的弹塑性模型,屈服准则采用Mohr-Coulomb强度准则。
3.3初始条件与边界条件
(1) 初始地应力场。初始地应力场仅按自重应力场考虑。根据弹性力学原理,竖向应力σv =γH,水平应力σh = kσv ,式中γ为岩体容重;H为埋置深度;k为侧压力系数,k =μ/(1-μ);μ为泊松比。
(2) 静力计算边界条件。采用位移边界条件,即模型的左右(X方向)边界,前后(Y方向)边界和底边界均施加位移约束条件,上边界取自由边界。
(3) 动力计算边界条件。FLAC3D求解动力问题的边界条件设置有远置人工边界条件和粘滞边界条件。远置人工边界就是在动力计算中沿用静力计算中使用的边界条件,但这样的边界对波起着完全反射的作用,计算中要求将模型的范围取的足够大,从而给计算造成很大的负荷。粘滞边界条件通过在边界的法线方向和切线方向设置独立的粘壶得以实现,以便吸收来自模型内部的入射波。采用粘滞边界条件,即在模型的左右边界,前后边界和下边界均施加粘滞边界条件,上边界作为自由边界。
3.4爆破震动荷载的输入及阻尼的选取
FLAC3D计算中动荷载的输入方式有加速度时程、速度时程、应力时程和位移时程等4种。输入的速度时程为正弦压缩波ν=λsin(2π/T)t,最大幅值λ取0.2m/s,振动频率取100Hz,地震波的持续时间为0.3 s。爆破产生的地震波以动压力形式均布作用于隧道洞壁上,方向垂直于壁面。
FLAC3D中,采用了瑞雷阻尼和局部阻尼两种形式的阻尼,计算中多采用瑞雷阻尼。设置瑞雷阻尼时,需要确定阻尼比和中间频率两个参数,其中阻尼比按照经验取值(一般取0.05) ;中间频率则取自振频率或输入波的主频,这里取输入波的主频率。
3.5模拟计算结果分析
计算分为静力和动力计算。动力计算以静力计算为基础,考虑到实际施工过程,应该静力开挖一次就施加一次动荷载,但计算量太大。因此,计算过程进行了简化,先完成静力开挖,再一次性施加动荷载。静力分析时,整个开挖分5步骤完成,沿Y轴方向开挖,每一步开挖6m,并都计算至平衡状态,最后将速度时程施加于开挖隧道的侧壁,进行动力计算,得到动力计算结果。
3.5.1应力分析
静力开挖和动力开挖均会在隧道顶底板和两侧壁产生拉应力集中。静力开挖后,最大拉应力区在底板,其拉应力最大值为0.028 MPa。施加动荷载后,迎爆侧侧壁和底板拉应力集中程度增加,尤其是迎爆侧受影响最明显,最大拉应力达到0.04MPa,说明动荷载施加后,既有隧道围岩应力发生了重新分布。动力开挖后,最小主应力发生重新分布,在隧道两底角的应力集中程度增加,在迎爆一侧的圆弧区域内产生压应力集中,最大压应力从2.19MPa增加到2.3MPa。
图3是静力开挖后的最大主应力分布图,可以看出:邻近隧道开挖后,既有隧道的两侧壁、底板和顶板均产生一定程度的拉应力集中,底板的拉应力集中程度最大,最大拉应力达到0.0346MPa,硐室两侧壁的拉应力集中值较小,几乎为0。图4是动荷载施加0.2s以后,隧道周围的最大主应力分布,可以看出:既有隧道的两侧壁、底板和顶板的拉应力集中程度均不同程度的增大,尤其是邻近开挖隧道一侧,拉应力集中程度增大最明显,最大拉应力达到了0.0425MPa,比静力开挖后底板的最大拉应力增大了23.5%。
图6是动荷载施加0.2s以后,隧道周围的压应力分布情况,可以看出,应力同样出现了重分布,静力开挖时最大压应力出现在远离开挖隧道一侧的底角,而施加动荷载后,则最大压主应力除了出现在远离开挖隧道一侧的底角附近外,还出现在了邻近开挖隧道一侧的圆弧位置,最大值也由2.47MPa增大到2.6MPa,同样是邻近开挖隧道一侧的应力变化最明显。
比较图7和图8,可以看出两者均在隧道周围产生明显剪应力集中,并呈反对称的形式分布,但是动力开挖的剪应力集中程度要明显大于静力开挖,尤其是右侧底角和右半圆弧部分两个位置,无论从剪应力集中的区域还是最大剪应力值来看均有明显的增大,静力开挖后最大剪应力值为0.709MPa,动力开挖后,右侧底角的剪应力值为0.82MPa,右侧圆弧部分的剪应力为1.18MPa,分别增大15.6%和66.4%,增大程度明显。
在动力计算过程中分别对爆破震动荷载作用时间为0.01s、0.03s、0.05s、0.08s、0.1s、0.2s时的应力分布情况进行记录。记录结果显示最大拉应力分布规律是:在邻近开挖隧道一侧直墙的中上部均会产生明显的拉应力集中现象,并且是隧道周围最大拉应力值出现的位置,其应力程度要明显大于远离开挖隧道一侧;随着作用时间的增长,最大拉应力值有增大的趋势,在0.03s时刻最大拉应力值为0.0388MPa,在0.1s时刻为0.0392MPa,在0.2s时刻为0.425MPa。
最小主应力分布规律是:在隧道的两个底角附近和隧道的右半圆面范围内会产生明显的压应力集中,最大压应力随时间的变化不大,在0.03s时为2.6MPa,在0.1s时为2.68MPa,在0.2s时为2.7MPa。
3.5.3振速分析
此次模拟对既有隧道周围围岩X向振动速度进行了计算,得出了既有隧道周围质点振动速度随时步的变化情况。输入的是正弦地震荷载,各计算点的振动速度随时间的变化也基本成一种简谐波的形式。实际工程中是以围岩质点的峰值振动速度作为判别洞室稳定性的根据。计算得出的各点峰值振动速度见表2。
计算结果表明,迎爆侧一面的振动速度峰值均比背爆侧一面的振动速度峰值大很多。同一截面中的最大振速峰值出现在迎爆侧直墙中上部分区域,该区域的振动速度峰值均达到10cm/s以上。根据表1的判别标准,围岩会发生较小的破坏,该区域是隧道截面中最危险的区域。迎爆侧起拱线以上部分和底角为次峰值振动区,也是次危险区。背爆侧峰值振动速度普遍较小,最大值只有3.8cm/s,不超过5cm/s,不会发生破坏,因此,背爆侧比较安全。
4结论
(1) 动力开挖使既有隧道周围围岩发生应力重分布。动荷载作用后,隧道破坏的可能性增加。
(2) 隧道截面危险部位依次是迎爆侧直墙中部到起拱线部分,迎爆侧起拱线以上部分和迎爆侧底角,背爆侧。既有隧道最大振动点、最大拉应力区以及最大位移位置均出现在迎爆侧直墙的中上部。迎爆侧的拉应力区是由于爆破地震波的反射作用造成的,而背爆侧则主要受爆破地震波的绕射作用,因此,受影响较小。
参考文献:
[1] 刘春玲,祁生文,童立强,等. 利用FALC3D分析某边坡地震稳定性[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23 (16):2730～2733.
[2] 易长平,卢文波. 开挖爆破对临近隧道的震动影响研究[J].工程爆破,2004,10(1):1～5.
[3] 杨年华,刘慧. 近距离爆破引起的隧道周边振动场[J].工程爆破,2000,6(2):6～10.
[4] 毕继红,钟建辉. 邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究[J].工程爆破,2004,10(4): 69～73.