劉 帥

(中鐵十八局集團(tuán) 第四工程有限公司,天津 300350)

在建設(shè)鐵路隧道過(guò)程中,開挖鄰近邊坡的穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。隧道洞口爆破會(huì)影響高邊坡安全性,這主要是由于隧道段洞口處埋深較淺,在進(jìn)行爆破時(shí),高邊坡容易發(fā)生因振動(dòng)而出現(xiàn)滑坡、坍塌等危險(xiǎn)情況[1]。業(yè)內(nèi)學(xué)者針對(duì)洞口爆破時(shí)的影響研究較多,研究方向主要有3種[2-5]:1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值分析的方式對(duì)圍巖邊坡進(jìn)行相應(yīng)的安全性分析;2) 通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型對(duì)巖質(zhì)邊坡的位移、振速等進(jìn)行模擬;3) 通過(guò)數(shù)值分析以及數(shù)值監(jiān)測(cè)對(duì)安全系數(shù)、振速進(jìn)行分析。而針對(duì)隧道段洞口處邊坡安全性影響的研究目前較少,筆者以杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路毛羊嶺2#隧道工程為實(shí)例,對(duì)隧道段洞口處邊坡安全性影響進(jìn)行量化研究,同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的錨固方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路毛羊嶺2#隧道位于浙江省紹興市新昌縣雙彩鄉(xiāng)境內(nèi),起訖里程DK118+441—DK120+797,全長(zhǎng)2356 m,隧道最大埋深約171 m。最小埋深57 m,主要包括洞口工程、開挖支護(hù)、系統(tǒng)防排水、二次襯砌、綜合洞室、專用洞室等工程項(xiàng)目。毛羊嶺2#隧道為單洞雙線隧道,設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為350 km/h,隧道建筑限界參照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)中規(guī)定的“高速鐵路建筑限界內(nèi)輪廓及基本尺寸”設(shè)計(jì)[6-7],軌面以上凈空橫斷面面積不小于100 m2,隧道內(nèi)線間距為5.0 m,設(shè)計(jì)的隧道襯砌如圖1所示,隧道洞口邊坡設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)隧道襯砌示意圖(單位:m)

圖2 隧道洞口兩側(cè)邊坡(單位:m)

圖2中,兩側(cè)邊坡為順層灰?guī)r邊坡,主要為黏土以及節(jié)理發(fā)育的殘積巖層。左右兩側(cè)設(shè)計(jì)的邊坡為33°～38°的縱向傾角,坡度為45°。通過(guò)上下臺(tái)階的方式進(jìn)行隧道施工。

2 爆破影響分析

2.1 模型構(gòu)建及邊界條件

模型構(gòu)建采用的工具為Abaqus軟件,結(jié)合實(shí)際地形進(jìn)行三維模型的構(gòu)建,構(gòu)建后的模型如圖3所示。圖3中,X,Y,Z三個(gè)方向的長(zhǎng)度值分別為200,150,120 m。圍巖通過(guò)莫爾庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬,支護(hù)采用的模型為均質(zhì)彈性。依據(jù)剛度等效,將鋼拱架的彈性模量等效為對(duì)應(yīng)混凝土彈模量,等效后模型包含的單元總個(gè)數(shù)為15.68萬(wàn)個(gè)[8]。

建立模型之后,對(duì)爆破造成的影響進(jìn)行特征值以及線性時(shí)程分析。當(dāng)通過(guò)線性時(shí)程對(duì)模型進(jìn)行分析時(shí),需要進(jìn)行黏性邊界的定義,在具體實(shí)現(xiàn)上,可通過(guò)圍巖三維方向的阻尼進(jìn)行阻尼彈簧生成。施加爆破荷載的部分以及頂部設(shè)定自由邊界,其余邊界設(shè)定為黏性邊界。設(shè)定的邊界如圖4所示。

圖4 黏性邊界設(shè)定示意圖

當(dāng)通過(guò)特征值進(jìn)行邊界設(shè)定時(shí),需要對(duì)邊界進(jìn)行彈性邊界的設(shè)定,通過(guò)曲面彈簧的生成實(shí)現(xiàn)。彈簧系數(shù)的求取依據(jù)對(duì)應(yīng)圍巖的地基反力[9]。設(shè)定的邊界如圖5所示。

圖5 彈性邊界設(shè)定示意圖

模型構(gòu)建中需要的支護(hù)以及圍巖的物理參數(shù)如表1所示。

表1 支護(hù)以及圍巖物理參數(shù)表

2.2 爆破荷載等效

隧道爆破洞口對(duì)應(yīng)的爆破參數(shù)如表2所示。

表2 洞口爆破所需炸藥參數(shù)

通過(guò)表2中的參數(shù)計(jì)算爆破時(shí)的荷載峰值,得到的荷載峰值為11.82 MPa。同時(shí),將計(jì)算荷載等效為對(duì)應(yīng)的三角形荷載,等效后的荷載曲線如圖6所示。

圖6 等效荷載曲線

加載爆破時(shí)間需要15 ms,爆破卸載時(shí)間需要100 ms。

2.3 模型結(jié)果分析

邊坡測(cè)量后的測(cè)線如圖7所示。圖7中,A點(diǎn)至B點(diǎn)為邊坡對(duì)應(yīng)的坡腳線,A點(diǎn)至C點(diǎn)為邊坡對(duì)應(yīng)的洞口處的仰坡交線,C點(diǎn)至D點(diǎn)為邊坡披肩線。

圖7 測(cè)線圖

在進(jìn)行爆破開挖時(shí),坡腳線對(duì)應(yīng)的振速曲線如圖8所示。圖8中,隨著邊坡坡腳處的軸線深度值升高,邊坡坡腳的振速越趨于穩(wěn)定,其中振速相對(duì)較大的為水平振速,與豎向振速以及軸向振速相比,水平振速對(duì)總振速的影響更大。在實(shí)際施工中,應(yīng)當(dāng)將水平振速作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

圖8 坡腳線振速曲線

坡腳A點(diǎn)處的總振速時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 A點(diǎn)總振速曲線

圖9中,總振速在15 ms時(shí)達(dá)到最大值;在15～120 ms時(shí),振速波動(dòng)幅度較大;在150 ms之后,整體振速趨于平穩(wěn)。

坡肩線對(duì)應(yīng)的振速曲線如圖10所示。

圖10 坡肩線振速曲線

圖10中,在開挖時(shí)對(duì)于坡肩線來(lái)說(shuō),水平振速同樣具有較大的影響,隨著坡肩軸向深度的加深,在縱向深度為22 m時(shí),振速逐漸趨于穩(wěn)定。其中,軸向振速變化幅值相對(duì)最小。

坡肩C點(diǎn)處的總振速時(shí)程曲線如圖11所示。

圖11 C點(diǎn)總振速曲線

圖11中,總振速在15 ms時(shí)達(dá)到最大值,在15～135 ms時(shí)振速波動(dòng)幅度較大,在150 ms之后振速逐漸趨于穩(wěn)定。

坡肩C點(diǎn)為坡肩線與仰坡交線的交叉點(diǎn),在實(shí)際開挖過(guò)程中相對(duì)比較危險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注,錨固時(shí)也應(yīng)密切注意。仰坡交線的振速曲線如圖12所示。

圖12 仰坡交線振速曲線

圖12中,仰坡交線振速曲線表示坡腳到坡肩斜向距離上的振速波動(dòng)。邊坡內(nèi)側(cè)斜向距離越大,也即越遠(yuǎn)離洞口開挖處時(shí),邊坡振速越小。其中,最大總振速點(diǎn)出現(xiàn)在坡腳A點(diǎn),相較軸向振速以及豎向振速,水平振速相對(duì)更大,需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3 錨桿加固分析

錨桿加固時(shí),采用的砂漿錨桿直徑為32 mm,通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以求取最合適的錨桿加固效果。針對(duì)邊坡不同錨桿長(zhǎng)度下的振速如圖13所示。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于14 m時(shí),坡肩、坡腳的最大振速逐漸降低;當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于14 m,坡肩、坡腳的最大振速趨于穩(wěn)定。

圖13 不同錨桿長(zhǎng)度的振速

同時(shí),對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行坡腳位移的分析(圖14)。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于14 m時(shí),坡腳水平、豎向的位移逐漸降低;當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于14 m時(shí),坡腳水平、豎向位移趨于穩(wěn)定,長(zhǎng)度繼續(xù)增加對(duì)坡腳位移影響并不明顯。

圖14 不同錨桿長(zhǎng)度的坡腳位移

坡肩位移分析如圖15所示。坡肩長(zhǎng)度小于14 m時(shí),對(duì)坡肩位移影響較大,隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐漸減小;坡肩位移大于14 mm時(shí),坡肩位移逐漸穩(wěn)定,錨桿長(zhǎng)度繼續(xù)增加對(duì)坡肩位移影響就越小。

圖15 不同錨桿長(zhǎng)度下的坡肩位移

在不同錨桿長(zhǎng)度下,對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)抗剪能力的安全系數(shù)進(jìn)行分析(圖16)。

圖16 不同錨桿長(zhǎng)度下的安全系數(shù)

圖16中,隨著錨桿長(zhǎng)度的逐漸增加,對(duì)應(yīng)邊坡結(jié)構(gòu)抗剪能力的安全系數(shù)也逐漸增加。其中,當(dāng)安全系數(shù)不小于1.2時(shí),邊坡圍巖能夠保證穩(wěn)定。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于14 m時(shí),安全系數(shù)增加不明顯。因此,當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為14 m時(shí),能夠最大程度地保證坡肩、坡腳的安全,同時(shí)能減小坡肩、坡腳振速以及位移的影響[10]。據(jù)此優(yōu)化錨桿長(zhǎng)度,對(duì)邊坡進(jìn)行錨固。同時(shí)將錨固后的測(cè)量值與模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,主要選取特征點(diǎn)為坡肩C點(diǎn)以及坡腳A點(diǎn)。對(duì)比結(jié)果如圖17所示。

圖17 特征點(diǎn)總振速對(duì)比

圖17中,坡肩C點(diǎn)以及坡腳A點(diǎn)總振速實(shí)際檢測(cè)值以及模擬計(jì)算值基本吻合,其振速峰值如表3所示[11]。

表3 特征點(diǎn)峰值對(duì)比

表3中,坡肩C點(diǎn)約定真值為1.49,坡腳A點(diǎn)約定真值為1.78。計(jì)算所得的相對(duì)誤差最大為6.7%,符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定,在工程允許范圍之內(nèi)[12]。

4 結(jié) 論

通過(guò)建立三維模型并進(jìn)行量化分析,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的錨固方案。在對(duì)隧道段洞口處進(jìn)行爆破過(guò)程中,振速最大的位置在邊坡坡腳處,即該處的爆破影響最為明顯。同時(shí),在各振速分量對(duì)比中,水平振速相較軸向以及豎向振速具有更為明顯的影響作用。通過(guò)將不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)邊坡圍巖抗剪結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)、位移及振速的影響進(jìn)行對(duì)比可知,選擇長(zhǎng)度為14 m的錨桿最為合適。經(jīng)過(guò)與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的對(duì)比驗(yàn)證可知,本工程設(shè)計(jì)方案在具體實(shí)施中相對(duì)誤差較小,合理可行,能夠保證工程安全。