爆破作用下拱顶衬砌脱空对隧道结构安全的影响分析
刘敦文，杨光，彭怀德
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：在对某隧道衬砌病害检测的基础上，研究该隧道衬砌在拱顶背后有脱空缺陷的情况下受邻近隧道爆破施工振动的影响。根据工程实况，运用ANSYS/LS-DYNA软件建立三维模型，模拟分析衬砌拱顶脱空高度分别为0，10，50和100 cm 4种工况下，隧道脱空区域和衬砌结构上质点振动速度峰值及主应力的分布特征。模拟分析结果表明：衬砌拱顶脱空的存在能减弱空洞周边质点在X方向上的振动速度峰值，增大Y方向的振动速度峰值；脱空区域质点Y方向上振动速度峰值比X方向的振动速度峰值变化大；衬砌拱顶脱空明显影响衬砌拱顶及迎爆侧拱肩的振动速度峰值和最大主应力的分布变化。当衬砌拱顶脱空高度达到某一特定值(如50 cm)时，对既有隧道衬砌结构的动力响应影响达到最大程度。
关键词：爆破荷载；拱顶脱空；数值模拟；振动速度峰值；最大主应力
中图分类号：U25 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4214-07
Analysis for impact of structural safety of tunnel induced by cavity on vault of lining under blasting
LIU Dunwen,YANG Guang, PENG Huaide
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on the defect detection of a tunnel lining, the impact of the tunnel lining with defects (e.g cavity on the vaults of the lining) induced by nearby tunnel blasting vibration was studied. According to the engineering situation, a 3D model for the numerical simulation was established by the ANSYS/LS-DYNA software. The peak particle vibration velocity (PPV) and the maximum principal stress distribution at the situation of cavity area and the lining structure were analyzed respectively under the conditions that the values of the height of the cavity on the vaults of lining are 0, 10, 50 and 100 cm. The simulation results show that cavity on the vault of the lining can weaken the X direction of PPV and increase the Y direction of PPV of the surrounding particles; the value of the Y direction of PPV changes more than that of X direction of PPV of the particle around the cavity areas of the lining; the impact of the distribution of PPV and the maximum principal stress on the vault of the lining and the shoulder of the lining toward the blasting side induced by the cavity on the vault of lining are very obvious. The influence of the lining dynamic response of the existing tunnel lining comes up to the maximum when the height of the cavity on the vaults of the lining increases up to a certain value (such as 50 cm).
Key words: blasting load; cavity on vault of lining; numerical simulation; peak vibration velocity; maximum principal stress
由于受工程现场地形地貌等因素的影响，铁路增建II线隧道与既有隧道的间距一般较小。既有铁路隧道由于受修建时技术标准和施工技术的限制，许多隧道在运营后不同程度地存在各种病害，在邻近新建隧道的施工过程中，既有隧道的衬砌结构时常遭到破坏[1-5]。目前，我国铁路隧道衬砌拱顶、拱腰、边墙等部位有10%~50%区域存在不同程度的空洞病害[6]。前人研究成果表明：隧道衬砌后面存在空洞情况下，空洞区域的空间形状因素对衬砌影响较小[7]，初支与围岩之间存在脱空的危害比衬砌之间脱空危害大[8]，尤其是初支与围岩之间的衬砌拱顶位置存在空洞缺陷(病害)的危害比衬砌的拱腰、边墙处存在空洞缺陷(病害)的危害大[9-11]。隧道衬砌后面存在空洞不易被发现，且会使衬砌受到不均匀荷载，引发或加剧其他类型的衬砌病害，使得隧道使用寿命缩短，严重的脱空可能诱发隧道结构在施工阶段或运营阶段的开裂、压溃、侵限和坍塌事故[8, 12]。因此，邻近既有隧道的工程爆破设计与施工，均应考虑既有隧道结构缺陷状态。本文作者结合某铁路隧道工程实际，开展爆破作用下隧道拱顶衬砌背后脱空病害对隧道结构安全影响的数值分析研究。
1 工程背景及现场测试
1.1 工程概况
某铁路增建Ⅱ线，新建隧道与既有隧道中心间距39 m。隧道所在山体表层为粉质黏土夹角砾，下伏为变质长石石英砂岩夹板岩。地下水不发育，局部有少量基岩裂隙水。
既有隧道为整体式衬砌，由于年久失修，隧道衬砌病害严重。新建隧道采用钻爆法掘进。
1.2 隧道病害检测
隧道衬砌外观病害，如衬砌滴水、开裂和掉块等现象严重。采用雷达对衬砌厚度及脱空情况检测，发现隧道拱顶存在严重的脱空、不密实现象。脱空最大高度达1.0 m。衬砌背后脱空缺陷如图1所示。
图1 隧道衬砌后脱空雷达检测图
Fig. 1 Radar image of detection for cavity on vault of tunnel lining
对既有隧道的衬砌外观、衬砌缺陷及厚度和衬砌强度进行病害及状况进行评估，根据TB/T 2820.2—1997(《铁路桥隧建筑物劣化评定标准：隧道》)[13]评定该隧道衬砌安全等级为B级(较严重)。
1.3 爆破振动监测
为控制在新建隧道爆破施工过程中对邻近既有隧道产生影响，隧道爆破施工过程中必须对邻近的既有隧道进行爆破振动监测工作。测点布置在掘进隧道掌子面和邻近隧道对应桩号的断面附近。通过对现场监测与爆破地震速度的测试分析，指导调整隧道施工装药参数，来达到控制爆破地震对既有隧道的损伤与破坏作用。
2 有限元模型
2.1 材料及参数选择
(1) 围岩。隧道穿越岩层为石英砂岩夹板岩，设计为IV级围岩。围岩选用弹塑性材料模拟，参数见表1。
表1 围岩物理力学性质参数
Table 1 Physical and mechanic properties of surrounding rock
(2) 衬砌。隧道衬砌结构为C20整体式混凝土结构，选用弹性材料模拟。现场对既有隧道的衬砌进行钻芯取样试验，获得衬砌的相关物理力学参数，见表2。
表2 衬砌物理力学性质参数
Table 2 Physical and mechanic properties of lining
(3) 空气单元。模拟过程中，隧道脱空部分为空气单元，采用空气单元材料模型进行模拟，选用理想状态下空气材料参数。
(4) 炸药。炸药使用DYNA自带的高性能炸药材料，模拟现场爆破采用的2号岩石乳化炸药，其参数见表3。
表3 炸药材料及状态方程参数
Table 3 Material and state equation parameters of explosive
2.2 边界及求解条件
模型按工程实际的尺寸建立，爆源距既有隧道中线距离为39 m，最大段起爆药量为9.8 kg。模型X轴为隧道水平断面轴，Y轴垂直地表，Z轴为隧道纵向。模型六个侧面都设置合理的位移约束和无反射边界。上部按照实际埋深建模，左右和底部边界取3倍隧道断面尺寸。拱顶脱空纵向长度为2 m，整个模型尺寸(长×宽×高)为100 m×5 m×62 m，如图2所示。
图2 有限元模型网格划分
Fig. 2 Finite element model mesh division
结构体对爆破振动响应的最大值取决于最大段药量[14]，而隧道掘进爆破开挖振动速度峰值出现在掏槽眼爆破[15]，故模拟采用掏槽眼耦合集中装药的模式简化模型。模型施加的重力加速度为9.8×10-10 cm/μs。根据现场数据的采集及爆破应力波的传播速度计算，本次模拟的求解时间为3×105 μs。
2.3 衬砌空区模拟
铁路行业标准将衬砌背后未回填或脱空深度及直径大于10 cm，即属于有空洞[13]。在前人的研究基础上，兼顾工程脱空现状及有限元建模网格划分要求，用长、宽、高表征脱空区三维模型的几何特征。衬砌拱顶空区模型如图3所示，空区位于衬砌与围岩之间，空区部分以空气单元填充。
受爆破影响最大的空洞区域与该断面的衬砌都需要重点监测，模型断面关键点位置分布如图4所示。
图3 拱顶空洞模型示意图
Fig. 3 Schematic diagram of cavity on vault of lining
图4 关键点位置分布图
Fig. 4 Distribution of key point
3 模型计算及分析
3.1 模型可靠性验证
为验证所建模型及所选参数的可靠性，将具有代表性的现场监测爆破数值和相应部位的数值模拟结果进行了对比，如图5所示。数值模拟和现场爆破监测的数值和波形基本一致，误差不超过10%，说明所建模型和所选参数是可靠的。
3.2 爆破荷载下脱空区域周边结构振动分析
模拟在拱顶位置没有空洞(即H=0 cm)，空洞高度H为10，50和100 cm的工况。空洞尺寸结构如图6所示。
根据爆破地震波的特点，衬砌质点速度响应主要考虑受爆炸影响最大断面关键点X方向和Y方向上的质点振动速度峰值。三维空区模型分析时亦考虑关键点在隧道轴线上的分布情况，以监测距爆破影响最大断面的等距离断面为分析对象。
图5 监测和数值模拟振动波形
Fig. 5 Monitoring and numerical simulation for vibration waveform
图6 拱顶空洞尺寸结构示意图
Fig. 6 Schematic diagram of size and shape of cavity on vault of lining
图7所示为不同工况下空区关键点峰值振动速度对比。通过对图7分析可知：所有工况中关键点A受爆破振动影响数值相差不大；关键点B和关键点C在X方向振动速度峰值由于空区存在而减小，Y方向的振动速度峰值因空区的存在反而增大；同时，关键点C比关键点B的振动速度峰值变化较大。
图7 不同工况下空区关键点峰值振动速度对比
Fig. 7 Comparison charts of peak vibration velocity of key points surrounding cavity zone under different conditions
在隧道拱顶中轴线上方等距离断面位置设置相应监测点。根据衬砌拱顶脱空模型图，监测点位置，分为脱空区域和非脱空区域2部分。
图8所示为各断面关键点沿隧道纵断面上振动速度峰值对比。从图8可以看出：空洞顶部关键点A的X和Y方向上的振动速度峰值受空洞的大小及沿纵向的距离变化影响较小；因空洞的存在，对拱顶轴线上各关键点的X方向上的振动速度峰值有减弱作用，而对关键点的Y方向的振动速度峰值有增大作用；脱空高度越大，对关键点的X方向的振动速度峰值减弱越小，对Y方向的振动速度峰值增大最大。
3.3 爆破荷载下对脱空衬砌的动力响应分析
根据隧道结构的特点，在对衬砌质点进行动力响应分析时，主要考虑隧道受爆破影响最大断面X和Y方向上的振动速度峰值和最大主应力。通过分析，形成了衬砌背后不同脱空情况下各个关键点部位的振动速度峰值和应力峰值在衬砌周围的包络图，如图9所示。
图8 各断面关键点沿隧道纵断面上振动速度峰值对比
Fig. 8 Comparisons of vibration velocity of key points peak on longitudinal of tunnel
图9 不同工况下衬砌关键点振动速度峰值包络图
Fig. 9 Envelope diagrams of peak vibration velocity of key points under different conditions
从图9分析可看出：衬砌Y方向上的振动速度峰值比X方向上的振动速度峰值变化大；衬砌X方向上的振动速度峰值包络图显示，拱顶有脱空工况下衬砌在X方向的振动速度峰值相对减小；衬砌Y方向上的振动速度峰值包络图显示，拱顶有脱空情况下衬砌拱顶部位的Y方向的振动速度峰值得到激发，振动速度峰值明显得到增大；工况H=50 cm和工况H=100 cm的振动速度峰值分布图相近，说明当拱顶脱空高度达到一定值(如50 cm)后，脱空高度的增大对隧道衬砌质点振速峰值的增值影响减少。
质点振动峰值合速度的最大值发生在迎爆侧边墙距爆源最近的位置，这与爆源的相对位置密切相关。脱空的存在使得拱顶处振动速度峰值增加较大，同时拱顶还受到顶部围岩的重力作用及衬砌最易受病害的影响，所以是受爆破振动影响最危险的地区。
以衬砌结构受邻近爆破荷载影响最大的截面的最大主应力为分析对象，描述衬砌结构的实际受力情况。隧道衬砌爆炸影响关键点单元的最大主应力情况如图10所示。
图10 不同工况下衬砌关键点单元最大主应力包络图
Fig. 10 Envelope diagram of maximum principal stress of key elements of lining under different conditions
从图10可知：由于拱顶有脱空的存在，改变了衬砌最大主应力的分布状态，其中衬砌拱部应力集中变化最为明显，衬砌底部的应力也会相应增大。通过不同高度的脱空模型对比，衬砌拱顶、拱肩的最大主应力相对明显处的应力值发生了从小到大再缓慢减小的变化，当衬砌拱顶脱空区高度达到一定值(如50 cm)时，衬砌最大主应力值最大。
4 结论
(1) 衬砌后拱顶脱空区的存在可减弱该区域衬砌X方向上的振动速度峰值，增大Y方向上的振动速度峰值，且空洞高度越高，振动分速度峰值减弱(或增大)量越大；Y方向上的振动速度峰值比X方向上的振动速度峰值受影响变化大。
(2) 爆破作用下隧道衬砌的振动速度峰值和最大主应力的分布随拱顶脱空高度不同而变化，且当衬砌脱空高度达到某一特定值(如50 cm)时，衬砌的动力响应值变化量达到最大。
(3) 爆破作用下隧道衬砌的结构安全与隧道衬砌背后脱空大小、位置及爆源的相对位置密切相关。本文分析的既有隧道因其拱顶存在脱空缺陷，其衬砌的拱顶和迎爆侧的拱肩部位，受邻近隧道爆破施工的影响最大，建议在施工过程中对这些部位进行重点监控和防护。这对临近既有隧道的新建隧道爆破施工具有借鉴意义。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-06-24；修回日期：2012-09-04
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(06JJ3030)；中央高校基本科研业务费专项资金重大项目(2010QZZD001)
通信作者：杨光(1985-)，男，湖南通道人，博士研究生，从事岩土工程灾害控制研究；电话：13755101431；E-mail：yg0403@126.com
