下庄铜矿爆破施工对临近丙汉河隧道的安全影响*

崔光耀，田宇航，王明胜

(1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000)

随着隧道建设广泛推进，地下交通基础设施使用率大幅上涨，临近隧道的爆破施工层出不穷，如何减小爆破对交通设施的影响，是当前业界关注的热点.例如，有学者[1-3]基于数值分析软件并结合隧道爆破工程实例，探讨了爆破的振动衰减规律和控制标准；有学者[4]以泰安大型抽水蓄能电站输水隧洞为工程背景，讨论了地表震动强度与爆破装药量之间的相互关系，完善了爆破施工方案；有学者[5-6]结合计算软件和现场分析，研究了临近隧道的爆破施工技术；还有学者[7-9]通过监测现场数据并结合数值模拟软件，分析了爆破施工对临近隧道的围岩影响，提出了改进措施.爆破施工具有高适用性和危险性，为了保障工程安全有效进行，笔者拟以云南省楚雄州牟定县丙汉河隧道为研究对象，通过FLAC3D计算软件，分析铜矿爆破施工时临近成昆线丙汉河隧道衬砌和铁轨的位移、应力和安全系数等参数，以期为类似的爆破施工工程提供参考.

1 计算情况

1.1 工程概况

下庄铜矿位于楚雄州牟定县东北约50°方向，行政区划属牟定县安乐乡民大村境内，矿区面积约2.32 km2.现因矿业权新立、延续、变更等事项，按照楚雄州交通运输局《征求牟定斌胜矿业公司矿业权延续联勘联审及相关规划审查、矿山生态环境综合评估意见建议的函》的要求，需结合下庄铜矿的矿区坐标位置评估铜矿是否符合铁路沿线保护相关规定.

铜矿矿区夹于外村断层(矿区西面)和羊臼河断层(矿区东面)之间，2条断层均呈南北向展布.矿区内有断层，走向西南—东北，倾向 E，倾角 20°～50°，属于逆断层.断裂带有糜棱岩、断层角砾岩，并有超基性岩脉侵入.

下庄铜矿位于成昆线元谋西至阿南庄区间 K872+412～K873+810 线路左侧，距离铁路最近的矿权拐点(2 000 坐标，下同)J1(X=2 828 483.62，Y=34 482 937.60)距离成昆线 K873+810约260 m，距离隧道最近的矿权拐点J4(X=2 827 478.61，Y=34 483 085.60)距离成昆线 K872+412 约 158 m.矿区与隧道的位置关系如图1所示.

图1 矿区与隧道位置关系

1.2 隧道结构设计

丙汉河隧道紧靠龙川江畔，进口为丙汉河峡谷与丙汉中桥相接，地形陡峻，出口地形为陡崖，龙川江横截而过.隧道地质情况良好，岩层稳定无异常变化，埋深约100 m.隧道跨度为6.38 m，高度为8.4 m，衬砌采用C25混凝土，厚度为0.95 m.

1.3 计算模型

以云南省楚雄州牟定县丙汉河隧道为研究对象，根据埋深条件和位置关系，通过FLAC3D计算软件建立计算模型(图2).模型的四周与下边界全约束，模型上边界无约束.图2(a)中的爆破位置为图1中的J4矿权拐点.

图2 计算模型

1.4 计算参数选取与测点布置

根据工程设计文件及地勘报告选取计算参数(表1).

表1 结构计算参数

监测布置如图3所示.将测线及监测点布置在隧道中部，通过测线1和2监测水平收敛，并分析衬砌7个测点的位移、应力等数据.

图3 监测布置

2 结果与讨论

2.1 位移分析

计算爆破后隧道衬砌的位移，衬砌位移云图如图4所示.

图4 衬砌位移云图

计算爆破后铁轨的位移，铁轨位移云图如图5所示.

图5 铁轨位移云图

统计衬砌各监测点及铁轨的位移并计算水平收敛，结果见表2.

表2 衬砌及铁轨的位移

由图4，5和表2可知：铜矿爆破施工后，隧道衬砌最大水平位移为4.07 mm(出现在拱顶处)，最大竖直位移为4.23 mm(出现在左边墙处)，最大水平收敛为0.08 mm，衬砌各位移均小于控制标准5 mm[10]；爆破发生在隧道左侧，左侧铁轨位移普遍大于右侧，铁轨最大水平位移为3.46 mm，最大沉降为3.48 mm，铁轨各位移均小于控制标准4 mm[10].

2.2 应力分析

计算爆破前、后隧道衬砌的主应力，爆破后衬砌的最大、最小主应力云图如图6所示.

图6 爆破后衬砌主应力云图

计算爆破前后铁轨的主应力，爆破后铁轨的最大、最小主应力云图如图7所示.

图7 爆破后铁轨主应力云图

计算爆破前后隧道的剪应力，爆破后衬砌和铁轨的剪应力云图如图8所示.

图8 爆破后剪应力云图

统计衬砌各监测点及铁轨的主应力和剪应力并计算应力增加量，结果见表3.

表3 衬砌及铁轨的应力

由图6～8和表3可知：铜矿爆破施工后，衬砌最大主应力为3.97 MPa(出现在左边墙处)，较爆破前增加1.52 MPa，增幅62.04%，最小主应力为4.49 MPa(出现在拱顶处)，较爆破前增加1.86 MPa，增幅70.72%，最大剪应力为2.149 MPa(出现在左墙角处)，较爆破前增加0.86 MPa，增幅67.19%；铁轨最大主应力为0.57 MPa，较爆破前增加0.18 MPa，增幅46.15%，最小主应力为3.75 MPa，较爆破前增加1.44 MPa，增幅62.33%，剪应力为1.94 MPa，较爆破前增加0.78 MPa，增幅67.24%，均出现在左侧铁轨.由此可知，衬砌和铁轨的最大主应力、最小主应力、剪应力的增加量均较小.

2.3 安全系数分析

提取二衬结构各监测点内外单元应变值，根据如下材料力学公式计算二次衬砌各测点位置处的轴力(N)及弯矩(M):

其中：E为弹性模量；ε内和ε外分别为结构内、外侧应变；b为截面宽度；h为截面厚度.根据如下公式计算7个测点爆破前后的安全系数K[10]：

其中：φ为构件的纵向弯曲系数；α为轴向力的偏心影响系数；Ra为混凝土的抗压极限强度；Rl为混凝土的抗拉极限强度；e0为截面偏心距.

衬砌爆破前后的安全系数及其差值见表4.

表4 安全系数与差值统计

由表4可知，铜矿爆破施工前衬砌最小安全系数为10.96(出现在拱顶处)，爆破施工后最小安全系数为4.49(出现在拱顶处)，且拱顶处安全系数减幅最大.爆破施工后衬砌的最小安全系数符合规范要求(混凝土达到极限抗拉强度的安全系数为2.4[10]).

3 结论

(1)通过位移分析可知，铜矿爆破施工后，隧道衬砌最大水平位移为4.07 mm(出现在拱顶处)，最大竖直位移为4.23 mm(出现在左边墙处)，最大水平收敛为0.08 mm，衬砌各位移均小于控制标准；铁轨最大水平位移为3.46 mm，最大沉降为3.48 mm，铁轨各位移均小于控制标准.

(2)通过应力分析可知，铜矿爆破施工后，衬砌最大主应力为3.97 MPa，较爆破前增加1.52 MPa，增幅62.04%，最小主应力为4.49 MPa，较爆破前增加1.86 MPa，增幅70.72%，最大剪应力为2.149 MPa，较爆破前增加0.86 MPa，增幅67.19%；铁轨最大主应力为0.57 MPa，较爆破前增加0.18 MPa，增幅46.15%，最小主应力为3.75 MPa，较爆破前增加1.44 MPa，增幅62.33%，最大剪应力为1.94 MPa，较爆破前增加0.78 MPa，增幅67.24%.衬砌和铁轨的3种应力的增加量均较小.

(3)通过安全系数分析可知，铜矿爆破施工后，最小安全系数为4.49(出现在拱顶处)，拱顶处安全系数减幅最大.爆破施工后衬砌的最小安全系数符合规范要求.

(4)由位移、应力、安全系数分析可知，楚雄州下庄铜矿爆破施工对丙汉河隧道的影响均符合规范要求，不会对临近丙汉河隧道的安全运营造成不利影响.