小净距软岩隧道钻爆施工围岩劣化与变形控制研究

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近些年我国地下工程的建设突飞猛进,小净距隧道因其节省地下空间资源和有利于工程整体线型规划的独特优势而被广泛采用。小净距隧道围岩及支护结构受力情况较为复杂,由于隧道之间净距小,采用钻爆法开挖小净距隧道时,围岩中裂隙不断扩展、延伸,围岩损伤不断加剧,围岩稳定性逐渐变差。同时,支护结构承载的围岩应力也会不断增加,引起支护结构失稳破坏。因此,开展小净距软岩隧道钻爆法施工围岩劣化与变形控制的研究具有很好的现实意义和参考价值。本文通过理论分析、数值模拟及现场监控量测,运用ANSYS/LS-DYNA软件建立三维模型,对不同围岩等级、不同净距、不同开挖进尺等工况下小净距隧道钻爆法施工进行了计算分析;对钻爆法掘进围岩的累积损伤进行仿真计算;对不同装药系数、炮孔间距、装药结构等爆破参数进行了分析优化。最后结合小净距隧道振动监测及岩体声波速度测试,选取有代表性的监测数据进行统计与分析。得到以下主要结论:(1)综合考虑围岩等级、净距、开挖进尺等因素对隧道爆破动力响应的影响,通过数值模拟分析得到其变化规律。结果表明:振速、应力、位移三者在时间和空间上有较好的关联性,与围岩力学性能呈负相关;在净距小于1.5B时(B为隧道宽度),应考虑优化钻爆施工方案设置减震孔,若岩性较差时还宜对迎爆侧围岩(即中夹岩)进行加固;在净距小于1B时,小净距软岩隧道钻爆施工循环开挖进尺控制在净距的1/3以内较为合适。(2)建立了小净距隧道12次钻爆法施工围岩劣化损伤模型,分析了先行洞和后行洞的损伤变量D与钻爆次数和距离之间的关系,得到了围岩损伤演化规律。在1~6次爆破时,随着爆破次数的增加,先行洞损伤变量D增速逐渐变缓。在7~12次爆破时,先行洞围岩损伤明显加剧,离开挖轮廓线越近损伤越严重,在隧道岩壁上损伤变量D达到0.8。后行洞损伤变化规律与先行洞1~6次基本一致;钻爆爆心距越大,爆破影响程度越小,当监测点到掌子面距离超过1.5倍洞宽时,累积损伤变量D趋于稳定。围岩损伤累积是一个不可逆的过程,表现出明显的“阶跃效应”。每循环爆破开挖方式相同时,随着钻爆次数和距离的增加,围岩损伤范围的基本不变,损伤程度加重。(3)分别建立了不同装药系数、炮孔间距、装药结构对保留岩体损伤影响模型,对周边孔爆破设计进行优化。分析表明,采用不耦合装药、缩小周边孔孔距、使用切缝药包定向控制爆破的方法可提高炸药破岩效率,减小爆破对保留岩体的损伤,从而达到控制围岩劣化与变形的效果。(4)以重庆铁路东环线隧道工程为依托,将实测值与模拟值进行对比分析研究。由于建模的过程中选取的材料参数与实际工程地质条件有一定的差异,计算值偏大,出于计算上安全的考虑,说明通过数值模拟较为可靠。
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