第３０卷第６期 ２０１３年ｌ２月 贵州大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖ０１．３Ｏ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１３ 文章编号１０００—５２６９（２０１３）０６—０１２２—０３ 爆破荷载下小净距隧道钢拱架加固合理间距研究 孙害华 （中建五局第三建设有限公司西北分公司，陕西西安７１００６５） 摘要：采用ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ动力有限元程序，建立某小净距隧道的三维模型。通过刚度等效的 方法，分析了既有隧道不同钢拱架布置间距情况下既有隧道的动力响应。研究结果表明，随既有 隧道钢拱架加固间距的减小，迎爆侧测点振速和位移峰值亦随之增加。建议小净距隧道爆破施 工时，既有隧道钢拱架加固间距为Ｏ．５—１．０ ｍ。 关键词：小净距隧道；爆破荷载；钢拱架间距 中图分类号：Ｕ４５５．４１ 文献标识码：Ａ 小净距隧道爆破施工过程中，为保证原来线路 正常安全运营，通常需要对既有隧道进行加固。钢 １有限元分析 １．１有限元模型及参数选取 有限元模型的尺寸取为７５ Ｉｎ×４２ Ｉｎ×３５ ＩＴＩ， 拱架由于其安装方便、快捷的特点，在实际工程中 被广泛采用。因此，如何合理科学的选择既有线钢 拱架间距布置方案，是爆破震动荷载作用下既有隧 整体有限元模型如图１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。围岩采用 ｓｏｌｉｄ１８１实体单元，衬砌采用ｓｈｅｌｌ１６３壳单元。 道正常营运及其结构安全的重要保障措施之一。 文献［１］通过模型试验，研究了预应力锚索对 洞室的抗爆加固效应，并结合数值计算，提出了工 程抗爆加固建议。文献［２］利用数值模拟方法，研 究了集中装药爆炸荷载作用下，锚杆的动载响应及 加固机理。文献［３］采用动力有限元分析软件ＬＳ —ＤＹＮＡ，研究了爆炸荷载作用下固洞室的衬砌抗 爆加固效果，并分析了衬砌参数对抗爆加固效果的 影响规律。文献［４］通过数值模拟，研究了新建隧 道开挖过程中既有中梁山隧道二衬结构力学性能， 并对既有隧道典型断面加固钢架强度进行了检算。 文献［５］采用数值模拟和现场测试相结合的方法， 研究了新建隧道施工过程中既有隧道结构和加固 钢拱架的变形特征。综上，现有研究多集中在既有 图１有限元模型 数值模拟中将隧道爆破炸药使用量按药量等 效原则简化为一个药包，布置在隧道爆破面形心偏 上位置。 隧道衬砌和锚杆加固措施方面，而部分关于钢拱架 加固方案的研究亦多为静力分析。 采用ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ动力有限元程序，建立某 有限元模型中所用材料参数如表１所示。数 值分析时，炸药采用ＪｗＬ状态方程： 小净距隧道的三维模型。通过刚度等效的方法，研 究既有隧道不同钢拱架布置间距情况下既有隧道 Ｐ＝Ａ（ 一 ）ｅ ＋Ｂ（ 一 ）ｅ ｙ＋ （１） 的动力响应，以期得到合理经济的既有隧道钢拱架 加固方案。 收稿日期：２０１３—０９—２０ 基金项目：教育部博士点基金（２０１２３５１４１２０００５） 作者简介：孙安华（１９７９一），男，湖北人，工程师，主要从事土木工程施工方面的研究，Ｅｍａｉｌ：１１５０６６８５＠ｑｑ．ｅｏｍ． 通讯作者：孙安华，Ｅｍａｉｌ：１１５０６６８５＠ｑｑ．ｔｏｍ． 第６期 孙安华：爆破荷载下小净距隧道钢拱架加固合理间距研究 表１材料参数表 ・１２３・ 材料 密度（ｋＮ／ｍ。）弹性模量／ＧＰａ泊松比 测点● １．２既有线加固钢拱架的等效 将既有隧道加固钢拱架的弹性模量折算给混 凝土衬砌 引，表达式为： 等 （２） 式中：Ｅ 为折算后的既有隧道衬砌弹性模量， Ｅ 和Ｅ 分别为衬砌混凝土和钢拱架的初始弹性模 量，Ａ 和Ａ 分别为钢拱架和衬砌混凝土的截面积。 文中计算涉及既有隧道衬砌混凝土厚度为２５ ｃｍ，式（２）中，Ｅ 取值２３ ＧＰａ。加固钢拱架采用 Ｉ１６型钢，钢拱架截面积Ａ 取值２６．１３１ ｃｍ ，弹性 模量２０５ ＧＰａ，混凝土的截面面积根据钢拱架的间 距确定。 不同钢拱架间距情况下折算后的衬砌混凝土 弹性模量如表２所示。为了研究既有线衬砌弹性 模量对新建隧道爆破荷载的动力响应，本文考虑了 一种特殊情况，即无钢拱架加固衬砌弹性模量为 １５．０ ＧＰａ 表２衬砌弹性模量 ｒ－●●●引 ●』１．３既有线测点选取 原来研究表明，小净距隧道爆破施工时，既有 隧道迎爆侧边墙振速较大，是爆破震动控制的重要 部位。有限元模型中，新建隧道爆破药包位于隧道 中心偏上部位；因此，文中既有隧道爆破震动响应 分析时，将测点布置于既有隧道迎爆侧边墙与隧道 圆拱相接处，具体位置如图２所示。 由于新建隧道和既有隧道基本上处于同一水 平面上，文中仅研究垂直于既有隧道轴线和迎爆侧 边墙方向的测点振动速度和位移。 ２数值结果分析 ２．１振速分析 表３给出了新建隧道爆破施工时，既有隧道不 同钢拱架加固间距下相应测点的振速峰值。 线 迎爆侧 图２测点布置图 由表３可知，随着既有隧道钢拱架加固间距的 减小，衬砌等效弹性模量逐渐增加，测点振速峰值 呈逐渐增大趋势，但变化幅度不大。 表３测点振速 钢拱架间距Ｓ／ｍ弹性模量／ＧＰａ 振速峰值／ｃｍ／ｓ ２．２位移分析 表４给出了新建隧道爆破施工时，既有隧道不 同钢拱架加固间距下相应测点的位移峰值。 由表４可知，当既有隧道无钢拱架加固衬砌弹 性模量为１５．０ ＧＰａ时，测点位移峰值最大，约为 ０．０７６６ ｍｍ。既有隧道无钢拱架加固衬砌弹性模量 为２３．０ ＧＰａ时，测点位移峰值减小至０．０６６３ ｎｌｌｎ。 既有隧道钢拱架加固后，随着加固间距的减小，测点 峰值位移呈逐渐增大趋势，但变化幅度较小。 表４测点位移 钢拱架间距Ｓ／ｍ弹性模量／ＧＰａ 位移峰值／ｍｍ ・１２４・ 贵州大学学报（自然科学版） 第３Ｏ卷 综上可知，小净距情况下新建隧道爆破施工 时，随既有隧道钢拱架加固间距的减小，既有隧道 衬砌等效弹性模量逐渐增大，迎爆侧测点振速和位 既有线隧道衬砌采用Ｉ１６型钢拱架进行加固，钢拱 架间距为１榀／ｍ，钢拱架现场加固完成后如图３ 所示。 移峰值亦随之增加。因此，新建隧道爆破荷载作用 下既有隧道钢拱架加固间距不能过小，一方面会造 成既有隧道测点爆破震动响应的增加，另一方面， 过小的钢拱架加固间距会显著提高施工成本。 既有隧道衬砌弹性模量较小时（如文中假定 ３ 结论 采用ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ动力有限元软件，建立了 小净距下新建隧道和既有隧道的三维模型。研究 了爆破荷载作用下既有隧道衬砌不同钢拱架加固 间距时相应测点的动力响应，得到了一些有益结 论。 的１５．０ ＧＰａ），测点振速峰值较小，但峰值位移最 大。从另一方面说明新建隧道爆破荷载作用下，既 有隧道钢拱架加固间距并非越密越好，应该存在一 个合理的加固间距区间。 结合数值模拟所得结论，建议小净距隧道爆破 施工时，既有隧道钢拱架加固间距为０．５—１．０ ｍ。 ２．３数值分析结果的工程应用 （１）随既有隧道钢拱架加固间距的减小，既有 隧道衬砌等效弹性模量逐渐增大，迎爆侧测点振速 和位移峰值亦随之增加。 （２）建议小净距隧道爆破施工时，既有隧道钢 拱架加固间距为０．５～１．０ ｍ。 实际工程中，既有线隧道衬砌加固方案为：既 有隧道衬砌背后采用钻孔压注Ｍ３０水泥砂浆进行 加固，钻孔直径为５０ ｍｍ，径向间距为２．５ ｍ，纵向 参考文献： ［１］杨苏杭，梁斌，顾金才，等．锚固洞室抗爆模型试验锚索预应力 变化特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（增２）： ３７４９—３７５６． 间距为５．０ ｍ，梅花型布置，孔深应打穿二次衬砌， 注浆压力不大于０．５ ＭＰａ。 ［２］王光勇，徐平，李桂林．爆炸荷载作用下锚杆动载响应和加固机 理数值分析［Ｊ］．工程爆破，２００８，１４（４）：５—８． ［３］王光勇，李桂林，张素华．在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果 数值分析［Ｊ］．爆破器材，２００９，３８（６）：５—８． ［４］肖凯刚．成渝客运专线新中粱山隧道上跨既有线处理方案［Ｊ］． 铁道标准设计，２０１３（０２）：９３—９６． ［５］刘志强，王斌，邢晓飞．成渝客专新中梁山隧道上穿施工对既有 襄渝铁路中梁山隧道的影响分析［Ｊ］．隧道建设，２０１３，３３ （５）：３７３—３７７． ［６］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—４５０． （责任编辑：王先桃） 图３既有隧道钢拱架 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ａｒｃ ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｓｍａｌｌ Ｓｐａｃｉｎｇ ｕｎｄｅｒ Ｂｌａｓｔ Ｌｏａｄｉｎｇ ＳＵ Ａｎ—ｈｕａ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｆｉｔｆｈ Ｂｕｒｅａｕ，Ｘｉａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＬＳ—ＤＹＮＡ３ Ｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎ— ｎｅｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌ— ｕｅｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈｓ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅ１．Ｉｔ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ，ｔｈｅ ｒｅａ— ｓｏｎａｂｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ０．５～１．０ ｍ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ；ｂｌａｓｔ ｌｏａｄ；ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈｓ
