隧洞爆破开挖对沿线铁路安全影响的数值分析

公　路　与　汽　运　总第１６８期　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　２２７　隧洞爆破开挖对沿线铁路安全影响的数值分析　肖华溪　（湖南省高速公路管理局，湖南长沙４１０００１）　摘要：以古阳河水库灌区树栖柯村片区隧洞洞口爆破开挖为研究对象，对爆破过程中爆破荷栽　对铁路桥梁结构安全影响进行数值模拟，并对一定范围内隧洞洞口不同位置进行模拟，通过对爆破　过程不同爆破点位对应的监测点位移时程曲线分析，得到监测点处最大位移接近０．０１８　ｍ，小范围内　调整爆破点位引起的监测点位移变化十分有限，且在不同爆破点位处监测点最大振速接近０．４　ｍ／ｓ，　远大于规范要求，说明现有爆破方案在施作过程中会对沿线铁路桥梁产生损伤，建议减小药量、改善　装药形式等，并对周围构筑物进行实时观察、监控量测，以保证施工过程中周围构筑物的安全。　关键词：隧道；爆破；铁路桥；数值分析　中图分类号：Ｕ４５５．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１～２６６８（２０１５）０３—０２２７—０３　１　工程概况　究对象（此处隧洞走向与铁路线路大致呈４５。夹　角），通过有限元软件数值分析，研究隧洞爆破开挖　古阳河水库枢纽工程位于湖南省古丈县古阳镇　对铁路桥主体结构的影响，并在小范围内就隧洞洞　长潭村，地理坐标为东经１０９。５４　１５”～１０９。５６　１８”，　口位置作出优化。　北纬２８。３４　３６　～２８。３６　２５　，坝址距县城１　ｋｍ。是　由大坝、灌溉输水设施所组成的以灌溉、防洪为主，　２模型建立　结合供水的综合利用水利枢纽工程。其主要任务是　根据实地考察资料，结合古阳河水库灌区工程　灌溉古阳镇、罗依溪镇１　８８６．６６８万ｍ　农田；在汛　设计报告等相关资料，利用ＡＢＡＱｕｓ软件建立三　期通过科学合理的调度，有效削减洪峰，消除城市防　维有限元模型（见图１）。　洪安全威胁；为古丈县城供水２．５万ｔ／ｄ，有效解决　上下游乡镇３．６７万人口及牲畜的饮水问题。水库　建成后对发展当地经济、提高人民生活水平都具有　重要意义，对国民经济发展具有重要作用。　古阳河灌区渠首从古阳河水库左岸通过卧管及　隧洞取水，渠线经过老寨、南山村、树栖柯村、龙潭　ｌ，　坪、枞树坪，止于青冈溪，渠道长度为１Ｏ．６３　ｋｍ。渠　ｚ　Ｘ　首设计水位２７９．５０　ｍ，设计流量１．２５　ｍ。／ｓ。渠首　沿线布置渡槽６处，共２２６．５０７　ｍ；隧洞７处，共　图１计算模型　５　２４２．４　ｍ；倒虹吸３处，长５７０．７　ｍ。　该文模拟一隧洞出口爆破施作对周边铁路桥的　古阳河灌溉隧洞基本与焦柳（焦作一柳州）铁路　影响，该隧洞走向与铁路线路夹角约为４５。。为了　平行，其中南山隧洞距离铁路最近，位于铁路左侧，　搜寻最佳隧洞出口位置，以初始洞口位置为基础，沿　与铁路高差３０　ｍ左右，水平距离８６￣４０７　ｍ。南山　着隧洞走向以ｙ轴每１０沿米（即沿坡面高程每上　隧洞进口为最近点，水平距离８６　ｍ，高差３０　ｍ，直　升１０　ｍ处）为一种工况，分别建立３个数值模型对　线距离９２　ｍ；最远为竹溪湾处，水平距离４０７　ｍ，高　其爆破振动进行监测。为了提高计算效率，加速模　差３０　ｍ左右。　拟收敛速度，同时为了在监测过程中控制变量，３种　鉴于既有焦柳铁路桥建于２Ｏ世纪７Ｏ年代，为　工况都选取在隧洞施作５　ｍ点位处施加爆破荷载　当时的三线建设工程，其施工质量受当时环境的影　并监测在爆破荷载作用下周边构筑物质点峰值振动　响较大，选取树栖柯村片区隧洞洞口爆破开挖为研　速度、加速度等，绘制相应指标的时程曲线。　２０１５年第３期　肖华溪：隧洞爆破开挖对沿线铁路安全影响的数值分析　２２９　时刻的振动速度曲线接近重合，在０．１　Ｓ后振动速　度曲线逐渐趋于分散。工况１对应的最大振动速度　为０．３３１　６４７　ｍ／ｓ，工况２对应的最大振动速度为　０．３２９　１４９　ｍ／ｓ，工况３对应的最大振动速度为　０．３１６　２４７　ｍ／ｓ，远超过规范所要求的１Ｏ～１２　ｃｍ／ｓ，　说明目前的爆破方案不可行，且单纯通过在较小范　围内改变爆破点位的方法不可行。建议通过减小药　量、加强实地监控量测，在适宜情况下将隧洞出口位　置适当后移，以保证在隧洞施作过程中铁路的运营　安全。　３．２．２振动加速度分析　加速度能反映施加在构筑物上力的大小，所以　有必要对不同工况下监测点处的振动加速度进行分　析。选取铁路桥中截面靠近爆破源处节点为监测　点，绘制其加速度时程曲线（见图５）。　吕　直　需　辎　０．００　０．Ｏ５　Ｏ．１０　Ｏ．１５　Ｏ．２０　时间，ｓ　图５监测点振动加速度时程曲线　从图５可以看出：相对于速度时程曲线，监测点　处加速度时程曲线差异较大，且其衰减程度随爆破　点位与监测点之间距离的增大而增大。工况１下最　大加速度为４．３１６　０８　ｍ／ｓ。，工况２下最大加速度为　４．２１５　７　ｍ／ｓ　，工况３下最大加速度为一４．４３８　５５　ｍ／ｓ　，最大加速度差别不是很大，但４　ｍ／ｓ　的振动　加速度能对构筑物产生不可逆的损伤。说明现有爆　破荷载作用会对铁路桥梁产生不良影响，会威胁铁　路的运营安全。　４　结论　（１）监测点处最大位移接近０．０１８　ｍ，且在模　型中小范围内调整爆破点位引起的监测点位移变化　十分有限。　（２）爆破荷载点位在所建模型范围内的改变对　监测点处振动速度的影响亦很有限，建议通过减小　药量和加强实地监控量测，在适宜情况下将隧洞出　口位置适当后移，以保证隧洞施作过程中铁路的运　营安全。５　４　，２　０　（３）监测点处加速度时程曲线差异比速度时程　曲线大，且其衰减程度随爆破点位与监测点间距离　的增大而增大。　参考文献：　Ｅｌｉ张建华，李世禄，王玉杰，等．爆炸扩腔数值模拟及分析　［Ｊ］．武汉科技大学学报：自然科学版，２００１，２４（２）．　Ｅ２１徐帅，安龙，李元辉，等．无底柱分段崩落法多端壁倾角　下崩矿步距优化［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，　２０１２，３３（１）．　Ｅ３１任高峰，王威，冯海昀，等．融冠１号矿中深孔爆破参数　优化研究［Ｊ］．爆破，２０１１（９）．　［４１冶建新．浅孔留矿法底部结构的改进［Ｊ］．甘肃有色冶　金，１９９６（３）．　Ｅｓ３高金臣．爆破荷载在岩体中引起应力波的传播理论与　实验研究［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，１９８７．　Ｅ６１杨小林，王树仁．岩石爆破损伤及数值模拟ＥＪ］．煤炭学　报，２０００，２５（１）．　Ｅ７３许明贤，叶施虎．软弱围岩区浅埋偏压隧道洞口段变形　分析与数值模拟ＥＪ］．佳木斯大学学报：自然科学版，　２０１２，３０（６）．　Ｅｓ］张玉成，杨光华，姜燕，等．沉管隧道基槽爆破施工对既　有堤岸稳定性影响的数值仿真分析［Ｊ］．岩土力学，　２０１０，３１（增刊１）．　Ｅ９Ｊ李强．消力池爆破开挖对红石大坝影响的数值模拟　ＥＤ３．大连：大连理工大学，２００７．　ＥｌＯｌ周春锋．城市浅埋隧道开挖减震控制爆破技术ＥＪ］．工　程爆破，２００１，７（１）．　［１１］徐芝纶．弹性力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８２．　［１２３潘晓马，赵金锐．天坪岭隧道偏压地段开挖过程模拟　分析ＥＪ］．公路隧道，２００５（３）．　［１３］ＧＢ　６７２２—２００３，爆破安全规程Ｅｓ］．　Ｅ１４１李璐．路基开挖及运营阶段对下部既有隧道的影响分　析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（增刊２）．　Ｅ１５］冯仲仁，文曦．新建隧道爆破震动对既有隧道影响的　数值分析ＥＪ］．爆破，２００８（４）．　Ｅ１６］　欧阳天烽，帅哗．上部松动爆破对已建成邻近隧道影　响分析ＥＪ３．现代隧道技术，２００９（６）．　Ｅ１７３　张程红．邻近隧道爆破施工引起的既有隧道衬砌振动　速度阈值分析［Ｄ］．兰州：兰州交通大学，２００９．　［１８］张忠伟，朱传云，姜清辉，等．引水隧洞爆破开挖对邻　近建筑物的振动影响分析ＥＪ］．爆破，２００４（１）．　Ｅ１９］徐书雷．路堑硐室松动爆破及其对边坡稳定性的影响　ＥＤ３．西安：西安科技大学，２００３．　收稿日期：２０１５—０３—１５