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作者：漲婷

     本文以滬昆高鐵黃鶴堡隧道為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了減震方案，利用FLAC3D對(duì)地表震動(dòng)進(jìn)行模擬，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為工程條件相近的隧道建設(shè)提供參考。

1  工程概況

黃鶴堡隧道屬于滬昆高鐵長(zhǎng)沙至昆明段，位于湖南省邵陽(yáng)市隆回縣境內(nèi)。隧道開(kāi)挖半徑為7. 48m、凈空高為11. 91m，開(kāi)挖斷面約為153 m 2，為特大斷面隧道。隧道出口淺埋段設(shè)計(jì)起始里程DK226 +150，結(jié)束里程為DK226 +030，全長(zhǎng)120m。該隧道位于山丘地帶，地形起伏較大，圍巖大部分為IV級(jí)和V級(jí)強(qiáng)風(fēng)化圍巖，圍巖級(jí)別為V級(jí)時(shí)采用3臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行爆破開(kāi)挖。在里程DK226+170 -150地表線路輪廓內(nèi)有木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋一座，磚砌房屋兩座，位于隧道正上方，垂直距離40~50m左右，如圖1所示。洞內(nèi)爆破開(kāi)挖時(shí)，地表擾動(dòng)較大，會(huì)對(duì)房屋造成一定影響。

2  爆破方案及震動(dòng)分析

2.1  爆破方案

    隧道原爆破方案的單位裝藥量為0.3~0.5kg/m3。根據(jù)施工情況，鉆孔深度1~1. 6m，孔徑45 mm；計(jì)算炮孔間距50~60cm，線裝藥密度為120 g/m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表最大振速，比對(duì)爆破安全規(guī)程，發(fā)現(xiàn)對(duì)地表建筑物的影響會(huì)比較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響建筑物的安全。

    新爆破方案采用預(yù)裂爆破技術(shù)。在設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線上鉆鑿出一排孔距合適的預(yù)裂孔，并采用不耦合裝藥或其他特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，在開(kāi)挖主體爆破之前，同時(shí)起爆預(yù)裂炮孔內(nèi)的裝藥，從而形成一條貫穿預(yù)裂炮孔的裂縫，通過(guò)這條裂縫降低開(kāi)挖主體爆破時(shí)對(duì)巖體的破壞，以達(dá)到減震目的，使掌子面安全通過(guò)危險(xiǎn)地帶。其上臺(tái)階減震爆破炮孔布置如圖2所示。預(yù)裂孔直徑40mm，不耦合系數(shù)為1.82，線裝藥密度150g/m，預(yù)裂孔之間孔距0.45m，預(yù)裂孔與輔助眼間距0. 6m。上臺(tái)階預(yù)裂孔深度為1.2m，掏槽眼鉆眼深度為Im，預(yù)裂孔孔口必須用炮泥堵塞0.5m。上臺(tái)階預(yù)裂孔裝藥量為0. 15kg，掏槽眼裝藥量約為0. 6kg。

2.2震動(dòng)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各次測(cè)震所獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破安全規(guī)程，將新舊爆破方案的最大振速和主頻做于圖2中。圖2中a代表安全振速區(qū)，圖2中b代表允許振速區(qū)，c代表不允許振速區(qū)。為了敘述方便，X向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向，Z向?yàn)樨Q直方向。從圖中可以看出，原有爆破方案的振動(dòng)數(shù)據(jù)有部分落在不允許振速區(qū)，而新的爆破方案實(shí)施后，只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在不允許振速區(qū)，但是超出允許振速上限值不多。因此可以認(rèn)為，采用新的爆破方案是滿足爆破安全規(guī)程的要求。

    上述分析是對(duì)規(guī)程中一般建筑物的安全標(biāo)準(zhǔn)，若地表建筑物是穩(wěn)定性較差的建筑（土窯洞、土坯房、毛石房屋），其允許的安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般民用建筑，因此，當(dāng)?shù)乇斫ㄖ�物穩(wěn)定性較差時(shí)，則還需要修改爆破技術(shù)。

3數(shù)值模型

3.1  FLAC3D計(jì)算模型

    本次模擬區(qū)域選為里程DK226 +160 - 140的隧道。首先利用ANSYS進(jìn)行建模和網(wǎng)格單元?jiǎng)澐�，然后�?dǎo)人到FLAC3D中進(jìn)行模擬計(jì)算。模型尺寸為100m×20m×100m，共有84 240個(gè)單元和97 475個(gè)節(jié)點(diǎn)。上邊界距隧道拱頂42. 5m，左右邊界取隧道最大洞跨的3倍，沿隧道開(kāi)挖方向（Y方向）取20m。

該隧道的圍巖主要為IV和V級(jí)圍巖，數(shù)值計(jì)算中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供，并對(duì)照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范提供的各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，給出了圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

    計(jì)算模型底部和四周設(shè)置為黏性邊界來(lái)吸收入射波，模型頂部設(shè)置為能反射爆破地震波的自由表面邊界。爆破開(kāi)挖面洞壁為荷載邊界，施加脈沖爆破荷載。

    圍巖和混凝土的力學(xué)模型采用FLAC3D中的Mohr - Coulomb彈塑性模型。隧道開(kāi)挖后根據(jù)施工實(shí)際情況，立即進(jìn)行初期支護(hù)，數(shù)值計(jì)算中考慮了噴射混凝土的力學(xué)作用（沒(méi)有考慮工字鋼和二次襯砌的作用），用FLAC3D中的shell單元進(jìn)行模擬。

    為了和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在模型里選取相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)其地表沉降、拱頂沉降以及地表振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要位于DK226 +150和DK226 +159斷面，前者主要進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，后者主要對(duì)地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2爆破震動(dòng)輸入

FLAC3D可以在模型邊界或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)施加動(dòng)荷載來(lái)模擬材料受到外部或內(nèi)部動(dòng)力作用下的反應(yīng)，程序允許的動(dòng)力荷載可以是：加速度時(shí)程、速度時(shí)程、應(yīng)力（壓力）時(shí)程、集中力時(shí)程。由于巖體爆破是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，炸藥在炮孔中爆炸時(shí)瞬間產(chǎn)生高溫、高壓氣體，在狹小的空間里急劇膨脹并產(chǎn)生爆炸沖擊波，作用于周?chē)鷰r體上，而且很快衰減為應(yīng)力波，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短。本次將采用應(yīng)力時(shí)程，將爆破荷載直接施加在洞壁表面。在缺少現(xiàn)場(chǎng)第一手資料的情況下，通常在數(shù)值分析中假定爆破荷載為三角形脈沖波，如圖3所示。荷載峰值由式(1)確定：

    式中：p。為炸藥密度，裝藥量為36. 4kg;D為炸藥的爆轟速度，3 600m/s;K為等熵系數(shù)，與炸藥密度有關(guān)，當(dāng)p。<1. 2g/crri3時(shí)，K =2.1，JD。>1.2g/crr13時(shí)，K =3;r為粉碎區(qū)半徑與裝藥半徑之比，一般為2～3;a為與巖石及炸藥種類(lèi)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于大多數(shù)巖石，a一1.5。通過(guò)計(jì)算，爆破峰值荷載大約為2. 29MPa。設(shè)爆破荷載上升時(shí)間為80us，下降時(shí)間為750us。爆破荷載以壓力形式均勻地作用在隧道洞壁各單元上，作用方向?yàn)槎粗芊ň�方向。

3.3  阻尼系數(shù)和振動(dòng)頻率

在巖體的力學(xué)響應(yīng)分析中引進(jìn)阻尼的目的，就是模擬真實(shí)巖體受動(dòng)荷載作用時(shí)能量衰減過(guò)程，但是在巖體介質(zhì)中，這種運(yùn)動(dòng)和能量衰減具有明顯的滯后性。但實(shí)際巖體受動(dòng)荷載作用時(shí)都存在多個(gè)不同頻率的荷載的影響，一般形式的阻尼函數(shù)不能同時(shí)考慮這些因素，所以要在數(shù)值計(jì)算中精確地模擬巖體振動(dòng)的阻尼效果很困難，計(jì)算時(shí)要通過(guò)反復(fù)的試算并和已知實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比來(lái)確定。FLAC3D內(nèi)部提供了兩種阻尼進(jìn)行選擇，瑞利阻尼和局部阻尼。采用瑞利阻尼需要確定2個(gè)參數(shù)：臨界阻尼比孝。和中心頻率fi。。本模擬分析中，臨界阻尼比通過(guò)試算確定為0. 05，輸入動(dòng)荷載的主頻為28. 4Hz，中心頻率fm,。為4.52。

4結(jié)果分析

4.1  位移分析

圖4為IV級(jí)和V級(jí)圍巖條件下上導(dǎo)洞開(kāi)挖拱頂沉降和地表下沉位移曲線�？梢钥闯�，IV級(jí)圍巖條件下，拱頂最終沉降量為19mm，地表最終沉降量為15mm。V級(jí)圍巖條件下，拱頂最終沉降量為24mm，地表最終沉降量為18mm。在相同支護(hù)條件下，圍巖等級(jí)越高，其自穩(wěn)能力也越強(qiáng)，地表沉降也比較小�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表沉降值為25mm，與模擬IV級(jí)圍巖等級(jí)的地表沉降值接近，表明現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行位移沉降監(jiān)測(cè)的區(qū)間以V級(jí)圍巖為主，而實(shí)際情況遠(yuǎn)比數(shù)值模擬情況復(fù)雜，因此數(shù)值模擬結(jié)果可以為工程施工提供參考，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行判定。

4.2質(zhì)點(diǎn)振速分析

將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表振速結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖5是V級(jí)圍巖條件下DK226 +159斷面地表實(shí)測(cè)和數(shù)值模型地表振速對(duì)比圖�？梢�(jiàn)，地表質(zhì)點(diǎn)受到爆破荷載作用下振動(dòng)的時(shí)間不超過(guò)1s，且總體呈衰減趨勢(shì)。

    實(shí)測(cè)振動(dòng)波與模擬振動(dòng)波的最大振動(dòng)速度相差不大。質(zhì)點(diǎn)X方向上，實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度為1. 49cm/s，而模擬得到的最大振速為1.54cm/s，相對(duì)誤差為3.4%；Z方向上，實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度為1. 65 cm/s．而模擬得到的最大振速為1.71cm/s，相對(duì)誤差為3.6 010。存在誤差的原因，一是因?yàn)楸�破過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，爆破荷載對(duì)隧道的影響遠(yuǎn)比假設(shè)的三角形荷載復(fù)雜；二是實(shí)際的地質(zhì)條件也比模擬情況下的地質(zhì)條件復(fù)雜。

5結(jié)論

    1)因原爆破方案會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生較大的影響，因此將預(yù)裂爆破技術(shù)引入隧道開(kāi)挖過(guò)程中，以達(dá)到減震的效果，保護(hù)地表建筑物。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，新1日兩種爆破方案下，爆破震動(dòng)的主頻大多集中在10~50Hz之間，最大振速也多集中在允許安全振速區(qū)，但是新方案明顯降低了質(zhì)點(diǎn)的最大振速，一定程度上更能保護(hù)地表建筑物的安全。

2)利用FLAC3D對(duì)隧道爆破開(kāi)挖進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)單一圍巖等級(jí)情況下，巖體穩(wěn)定性越好，其地表沉降值越低。通過(guò)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化規(guī)律比較吻合，振動(dòng)時(shí)間少于1s，最大振速也比較接近，說(shuō)明數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)隧道爆破開(kāi)挖有較好的參考價(jià)值。

6摘要：以滬昆高鐵黃鶴堡隧道工程為研究對(duì)象，針對(duì)地表建筑物受大跨度淺埋隧道爆破開(kāi)挖震動(dòng)影響的情況，采用預(yù)裂爆破技術(shù)保護(hù)地表建筑物的安全。結(jié)合爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，并利用FLAC，。進(jìn)行隧道爆破開(kāi)挖數(shù)值模擬，對(duì)隧道地表沉降及建筑物所處位置的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行分析，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：采用預(yù)裂爆破技術(shù)能夠顯著降低隧道地表質(zhì)點(diǎn)最大振速，有效保護(hù)地表建筑物安全；隧道圍巖等級(jí)越高，隧道地表沉降值越小，地表建筑物越安全；數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度變化規(guī)律基本一致，振動(dòng)時(shí)間少于1。，水平方向最大振速約為1.5 cm/S，垂直方向最大振速為1.6~1.7 cm/s，最大振速也比較接近。