山体开挖对既有隧道的动力影响评估

2011-06-19吴贤聿杭州铁路设计院有限责任公司

上海铁道增刊 2011年2期

吴贤聿杭州铁路设计院有限责任公司

1 问题的提出

平阳县荆溪路是一条南北向的区域内部交通主线，其主要交通功能为集散鳌江火车站内部交通，收集支路与区块交通后向对外主要道路进行交通转换，达到快速疏散交通的作用，故荆溪路对集散火车站地区的交通有着不可估量的作用。荆溪路道路等级为城市次干路，南起104国道，北至站前北路，全长2 885 m，计算行车速度40km/h，道路红线宽度30 m，其间含桥梁两座。荆溪路K0+700～K0+840曲线区段从山体旁边穿过，设计方案是对山体进行开挖，形成路堑。路基开挖宽度为30 m，开挖的最大高度12.7m。温福铁路从该段西侧以隧道方式通过，水平最近距离约40m(见图 1)。

图1 拟建道路与既有隧道位置关系图

根据设计方案，由于山体距离铁路隧道较近，且开挖高度和长度较大，方案实施时可能存在以下风险：

(1)大开挖使山体围岩应力发生一定的变化，产生一定的围岩变形，引起临近的温福铁路隧道结构应力变化，产生位移。若应力和变形过大，使隧道衬砌结构损伤或破坏，影响结构使用。

(2)山体爆破开挖的爆破震动荷载较大，产生较大的振动加速度和位移，引起临近的温福铁路隧道产生较大的振动，若振动过大，将影响列车安全运营。同时，过大的振动力也会导致结构的破坏。鉴于以上原因，本文针对临近温福铁路隧道段的开挖方案对荆溪山铁路隧道的结构影响和安全运营进行分析、评估，并提出合理化建议。

2 问题的分析

通过边坡开挖前后的静力分析，虽然开挖会引起隧道一定的变形和应力重分布，但从计算的结果来看，最终的数值均比较小，影响较小。因岩性较好，山体开挖过程中需采取爆破措施，本文的重点是分析爆破震动对隧道的影响，并提出优化建议。

2.1 爆破振动的动力有限元分析

本文采用ABQUS对爆破的振动响应进行动力分析。分析过程中，按照《爆破使用手册》，将爆破荷载代替为相当的地震荷载进行分析。

平面模型的动力分析按照《爆破使用手册》，将700 kg炸药的爆破荷载代替为相当的地震荷载，其中选定的加速度时程曲线如图2所示。

图2 加速度时程曲线

动力分析时，材料的本构关系分别是：隧道混凝土作为弹性材料计算，岩体仍按弹塑性材料计算，岩体塑性屈服准则选用摩尔-库仑屈服准则如前所述。

具体计算采用ABQUS隐式积分动力分析。爆破前后的隧道变形如图3和图4所示。

图3 爆破前的隧道

图4 爆破后(0.4 s)的隧道变形图

从图3和图4可以看出，实施爆破以后，随着应力波在围岩中的传播，对隧道起到了一定的挤压作用，隧道有向内变形挤压的趋势。

⑴爆破荷载引起的水平位移分析

计算结果表明，实施爆破后的0.4 s，位移最大值发生在放药爆破的位置，随着距离的增加，水平向位移不断减小，在隧道附近的位移量值约0.2 mm～2.9 mm。由于缺乏隧道动力作用下变形的规范规程，本文参考依据《铁路隧道设计规范》TB10003-2005关于静力的限值：最大的位移量值满足Ⅱ级围岩双线隧道的预留变形量10～30 mm的要求，同时也满足第10.3.5条关于最大挠度的规定。显然爆破对隧道的位移还是存在一定影响，但最大位移值2.9 mm对隧道结构安全风险属于可接受，但需严格控制。

⑵爆破荷载引起的最大主应力分析

计算结果表明，爆破后0.4 s，最大主应力的拉应力的最大值为1.22 MPa，位于边坡开挖的斜坡处。最大主应力的压应力的最大值为1.24 MPa，出现于隧道的右下角。最小主应力的拉应力的最大值为0.65 MPa，位于斜坡坡脚处。最小主应力的压应力的最大值为7.83 MPa，位于靠近斜坡处。

依据前面所述的莫尔-库伦屈服准则，隧道的结构受力状态仍然在弹性范围内，且主应力值小，对隧道的安全可以接受。

爆破后0.4s后，隧道右拱腰点的水平位移最大值达到2.75 mm，朝向隧道内侧变形。其量值对隧道安全是可以接受的。隧道拱顶点的水平位移最大量值达到2.73mm，朝向隧道内侧变形。其量值对隧道安全是可以接受的。左拱腰点水平位移达到最大值1.91 mm，朝隧道外变形。其量值对隧道安全是可以接受的。

隧道的振动加速度对列车的振动存在一定的影响，过大的振动加速度不但引起旅客列车的舒适度减小，严重时导致列车脱轨。我国相关铁路规范规定当列车通过时，相关结构物在荷载平面内的横向振动加速度不应超过1.0 m/s2。

计算结果表明，爆破后0.25s，右拱腰点水平加速度达到负的最大值0.7 m/s2。振动加速度对列车的安全影响基本可以接受，但不排除存在安全隐患。