既有隧道加固后对小净距隧道爆破震动响应数值模拟研究

李萍萍 苟胜荣

(杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100)

既有隧道加固后对小净距隧道爆破震动响应数值模拟研究

李萍萍 苟胜荣

(杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100)

本文主要研究了在新建隧道爆破时，既有隧道的加固措施，以实际工程为依托，进行了有限元的相关计算，通过等效计算分析了不同间距的钢拱架作用。

既有隧道；爆破震动；加固；数值模拟

1.工程概况

在实际工程中，在DK80+354～DK80+391段，既有隧道衬砌背后采用钻孔压注M30水泥砂浆进行了加固，钻孔直径是50mm，径向间距是2.5m，纵向间距是5.0m，梅花型布置，孔深应打穿二次衬砌，注浆压力不大于0.5MPa。为确保安全，工程中将对既有线此段隧道采用I16型钢拱架进行加固，钢拱架间距1榀/m（如图1）。

图1 既有隧道小净距段钢拱架加固图

2.模型的建立

2.1 加固措施的简化

本文对钢拱架加固措施进行等效的数值模拟，把既有隧道钢拱架的弹性模量折算给与它相邻的混凝土衬砌，具体为：

折算后砼弹模=原砼弹模+钢拱架面积x钢材弹模/砼的截面积。

在这个公式中原混凝土弹性模量为2.3x1010pa，钢拱架采用I16型钢，钢拱架截面积查《钢结构设计原理》附表F.4得26.131cm2，型钢弹性模量20.5 x1010pa，混凝土的截面面积根据钢拱架的间距确定，混凝土的厚度为25cm。

既有隧道加固钢拱架间距为0.3m时，折算后的弹性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x30=3.0142 x1010pa

既有隧道加固钢拱架间距为0.5m时，折算后的弹性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x50=2.7285 x1010pa

既有隧道加固钢拱架间距为1.0m时，折算后的弹性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x100=2.5 x1010pa

既有隧道加固钢拱架间距为2.0m时，折算后的弹性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x200=2.4071 x1010pa

既有隧道加固钢拱架间距为5.0m时，折算后的弹性模量：

ES=2.3 x1010pa+26.131 x 20.5 x1010pa /25x500=2.343 x1010pa

2.2 模型

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元程序，采用空间三维来模拟新建隧道爆破时既有隧道不同间距钢拱架的加固方案。在钢拱架加固等效数值模拟过程中，有限元模型的尺寸取为75m×42m×35m，整体有限元模型如图2所示。模型六个边界均施加无反射边界，模型底部施加三向约束。有限元模型中，围岩采用solid181实体单元，衬砌采用 shell163壳单元。计算模型中，围岩、炸药、堵塞段和空气段采取共用节点法划分网格。模型坐标X与新建隧道边墙垂直，Z对应新建隧道轴向，Y垂直面X轴与Z轴形成的平面。

图2 钢拱架等效加固，有限元模型

3.钢拱架等效加固模拟振速分析

本文选取里程为DK356的爆破断面，采用ANSYS/LS-DYNA有限元程序分析了既有隧道的不同间距下钢拱架等效加固下的振速，确定合理的钢拱架间距，既能保证既有隧道的结构安全和正常运营，同时节约成本。

既有隧道选取了不同钢拱架间距（如表1所示）、未采用钢拱架及混凝土弹性模量为1.5 x1010pa的七种工况，进行了等效加固数值模拟，分析了不同间距的钢拱架等效加固对既有隧道的影响及其合理性。表中S代表钢拱架的间距。

表1 钢拱架间距分类

首先对爆破荷载下既有隧道衬砌的振速进行了分析，如图 5所示，通过相关文献可知，既有隧道的最大振速出现在边墙的位置，节点监测布置如图3所示。

图3 节点监测布置位置图

图4 单元监测布置位置图

（a） 弹性模量1.5 x1010pa

（b） 未加固

（c） S=5m

（d） S=2m

（e） S=1m

（f） S=0.5m

图5 既有隧道边墙速度时程曲线

通过图5的数值分析，数据列于表2。

表2 爆破振动数据

三 5 2.343 x1010 8.61四 2 2.4071 x1010 8.63五 1 2.5 x1010 8.67六 0.5 2.7285 x1010 8.74七 0.3 3.0142 x1010 8.82

由图5分析可知，在所有的既有隧道边墙速度时程曲线图上，5ms内都出现了一段直线，值的大小为0，这是由于爆源与监测点有一定的距离，爆破产生的爆炸波需要一定的时间传到监测点的位置，但是这个时间很短，还不到 5ms，说明爆炸的速度很快，当爆炸波传到监测点，振速逐渐变大，当振速达到最大时，然后就逐渐变小，随着时间的推移，振速的波动变得很小，趋于稳定。

4.结论

从振速分析可得，随着钢拱架加固间距的减小，也就是通过等效计算既有隧道衬砌的弹性模量逐渐增大，振速逐渐变大，但是增大幅度不是很大，说明一味的减小间距，并不是很好的抗爆办法，同时还增加了工程成本。

[1] 李术才, 朱维申, 陈卫忠, 等.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J] .岩石力学与工程学报, 2002, 21(4) ∶ 466-470.

U445

B

1007-6344（2015）03-0192-02

李萍萍，1985年生，女，江苏连云港人，硕士，助教，主要从事建筑结构教学工作。