地鐵隧道爆破開挖引起地表位移沉降的數(shù)值模擬

何忠明，蔡軍，王利軍，羅欣，衛(wèi)曉波

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地鐵隧道爆破開挖引起地表位移沉降的數(shù)值模擬

何忠明1,2，蔡軍2，王利軍3，羅欣3，衛(wèi)曉波3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410114；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114；3. 廣州市地下鐵道總公司建設(shè)總部，廣東廣州，510380)

以珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程隧道為依托工程，針對(duì)地表受到隧道開挖及爆破的影響引起的沉降問(wèn)題，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立隧道開挖的數(shù)值模型，模擬隧道在爆破荷載作用下引起的地表沉降并分析其沉降規(guī)律。研究結(jié)果表明：在隧道單線洞壁施加爆破荷載后，隧道掌子面和一定范圍內(nèi)的開挖區(qū)地表位移沉降對(duì)隧道爆破開挖的響應(yīng)較大，其地表沉降最大值為21.48 mm；在單線隧道爆破開挖引起地表沉降穩(wěn)定后，進(jìn)行第2條線隧道爆破開挖時(shí)，隨著隧道已開挖區(qū)至隧道掌子面的距離增大，隧道地表最大位移沉降位置由兩線隧道中心向兩線隧道地表轉(zhuǎn)變，沉降幅度與到隧道掌子面的距離有關(guān)；距隧道開挖掌子面越近，沉降量越大，最大沉降為32.99 mm。

隧道；爆破開挖；地表沉降；沖擊荷載

建設(shè)地鐵不僅能釋放城市地面空間、優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)、美化城市環(huán)境，而且對(duì)市民的出行交通帶來(lái)便利。然而，在城市隧道建設(shè)過(guò)程中勢(shì)必會(huì)對(duì)隧道地表的土層造成一定的擾動(dòng)，使土基發(fā)生變形。建筑物直接與地表土層相連，所以，施工過(guò)程會(huì)對(duì)土層產(chǎn)生擾動(dòng)引起土基變形，會(huì)使地表建筑物產(chǎn)生不均勻沉降、沉陷、傾斜、開裂等危害[1?3]，對(duì)人們的日常生活帶來(lái)很大影響，故在進(jìn)行爆破開挖施工時(shí)，嚴(yán)格控制地層變形是城市隧道建設(shè)施工過(guò)程首要考慮的問(wèn)題。地鐵建設(shè)是一個(gè)極其復(fù)雜的施工工程，在施工之前需要研討相關(guān)施工方案。然而，隧道周圍的土體是極其復(fù)雜的，以至于在施工過(guò)程中會(huì)引發(fā)各種工程問(wèn)題，并且施工過(guò)程帶來(lái)的地表位移沉降對(duì)周圍的環(huán)境、建筑物的影響難以估計(jì)，所以，在地鐵隧道爆破施工前，應(yīng)通過(guò)數(shù)值模擬等相關(guān)手段[4?5]，計(jì)算分析地鐵隧道爆破施工對(duì)地表位移沉降的影響。有關(guān)學(xué)者對(duì)地鐵隧道爆破震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究[6?7]，但大多數(shù)集中于研究隧道爆破施工過(guò)程中地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度[8?9]以及盾構(gòu)施工開挖法開挖隧道引起的地表位移沉降的規(guī)律[10?12]，而對(duì)地鐵隧道爆破開挖引起的地表位移沉降規(guī)律的數(shù)值研究較少。為此，本文作者通過(guò)珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程的實(shí)際地質(zhì)情況，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)隧道爆破施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道爆破施工時(shí)隧道上方地表位移沉降規(guī)律，以便為工程實(shí)踐提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 工程地質(zhì)概況

在珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程沙園站至燕崗站區(qū)間，采用礦山法施工。該區(qū)間段左線起止里程為ZDK24+728.176~ZDK25+504.591；右線起止里程為YDK24+728.176~YDK25+505.630。路面距隧道拱頂約23 m，隧道的寬高均為6 m，雙向，左右兩線隧道間距為18 ｍ。隧道下穿昌崗路立交橋、鶴洞大橋樁基、廣州供電局河南變電站、居民建筑物等。隧道基巖為泥(砂) 質(zhì)粉砂巖中風(fēng)化層，隧道底板位于泥質(zhì)粉砂巖微風(fēng)化層，從地面至隧道頂端的地層情況分別是第四系全新人工填筑的雜填土、沖洪積層—粉質(zhì)黏土、硬塑狀殘積層—粉質(zhì)黏土、巖石強(qiáng)風(fēng)化層。隧道巖土體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)和已有資料進(jìn)行確定，如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理，數(shù)值計(jì)算模型的長(zhǎng)度取隧道洞跨的8倍，模型的垂直方向從隧道底端至模型底部取洞跨的4倍。結(jié)合圣維南原理以及實(shí)際工程地質(zhì)情況，利用FLAC3D軟件建立長(zhǎng)×寬×高為120 m×50 m×60 m的數(shù)值計(jì)算模型，并劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

整個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程分為靜力分析和動(dòng)力分析2部分。靜力分析時(shí)，前、后、左、右邊界條件設(shè)置為水平約束；模型的底部設(shè)置為固定端約束；模型的上表面為地表，設(shè)為自由邊界，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率小于等于10?5。進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，去除靜力分析模型前、后、左、右、底部5個(gè)邊界的原有靜力邊界條件并且施加黏性邊界和自由場(chǎng)邊界條件，動(dòng)力計(jì)算時(shí)間主要依據(jù)動(dòng)力荷載時(shí)間來(lái)確定。

1.3 模擬隧道開挖過(guò)程

采用FLAC3D軟件模擬隧道爆破開挖施工。在施工過(guò)程中，采用分臺(tái)階開挖掘進(jìn)的方式進(jìn)行隧道開挖，臺(tái)階開挖的長(zhǎng)度為5 m(小于隧道的跨度)，采用FLAC3D軟件監(jiān)測(cè)隧道整個(gè)斷面開挖形成之后的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降位移。模擬隧道爆破開挖監(jiān)測(cè)地表位移沉降總共分2個(gè)工況進(jìn)行：工況1，隧道未進(jìn)行開挖時(shí)，在重力荷載作用下形成初始應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)隧道左線(右線)進(jìn)行爆破開挖；工況2，左線(右線)爆破開挖之后再進(jìn)行隧道右線(左線)開挖，分析計(jì)算隧道地表在不同工況下的沉降規(guī)律。

2 數(shù)值模擬方案確定及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 爆破震動(dòng)荷載的輸入

為了能較準(zhǔn)確地模擬隧道爆破施工時(shí)隧道孔壁的沖擊荷載，采用段寶福[13]提出的爆破荷載作用時(shí)間以及美國(guó)高速公路研究所提出的爆破沖擊荷載的經(jīng)驗(yàn)公式所得荷載[14]分別作為施工過(guò)程的荷載時(shí)間和沖擊荷載。

其中：D()為爆破沖擊荷載；為荷載常量；為荷載作用時(shí)間；B為爆破所采用的炸藥的實(shí)測(cè)爆速為、炸藥密度為0的炸藥爆轟壓力；e為爆轟速度；為爆心距與藥包直徑之比即比距離；為巖石泊松比；為爆孔裝藥質(zhì)量；ge為炸藥密度。各個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)值如下：為3.6 km/s，0為1 g/cm3，為0.23，為28 kg。通過(guò)實(shí)測(cè)參數(shù)繪出的爆破沖擊荷載時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 爆破沖擊荷載時(shí)程圖

2.2 阻尼比等參數(shù)的確定

由于巖土材料內(nèi)部的摩擦以及接觸表面的滑動(dòng)阻尼會(huì)迫使地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的幅值隨時(shí)間的增大而不斷衰減，此外，數(shù)值模擬軟件FLAC3D采用求解動(dòng)力問(wèn)題的方法需要使用阻尼來(lái)解決動(dòng)力問(wèn)題，所以，阻尼的確定對(duì)于解決動(dòng)力問(wèn)題至關(guān)重要。然而，典型結(jié)構(gòu)體系的阻尼特性難以確定，為此，采用自由振動(dòng)條件下具有相同衰減率的等效黏滯阻尼比來(lái)表示實(shí)際阻尼。在采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算動(dòng)力荷載分析時(shí)可采用瑞利阻尼。瑞利阻尼的2個(gè)參數(shù)分別為最小臨界阻尼比和最小中心頻率。

對(duì)自振頻率下的位移時(shí)程曲線選取相鄰的峰值作為1個(gè)振動(dòng)周期，通過(guò)位移時(shí)程曲線可以確定阻尼比和中心頻率，計(jì)算式為[15]：

式中：D0為阻尼比；A和A+1分別為第和第+1周的幅值；為振動(dòng)周期；為振動(dòng)頻率。利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，不設(shè)置阻尼，在重力作用下求解。模型產(chǎn)生振蕩，記錄模型地表面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程圖，并輸出自振頻率計(jì)算得到的位移時(shí)程曲線，如圖3所示。從圖3可以確定最小臨界阻尼比為2.01%，最小中心頻率為11.44 Hz。

圖3 重力荷載下地表位移時(shí)程圖

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在隧道爆破開挖時(shí)，隧道開挖區(qū)上方地表沉降幅度大，遠(yuǎn)離開挖區(qū)的地表沉降較小，所以，在進(jìn)行地表位移沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，采用如圖4所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式布設(shè)，即以隧道左右兩線的中點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)，在對(duì)稱點(diǎn)左右兩端12 m的范圍內(nèi)，每相隔1 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在距對(duì)稱點(diǎn)12～24 m范圍內(nèi)，每隔2 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在距離對(duì)稱點(diǎn)24以外的范圍，每隔5 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)形式

3 分析與討論

3.1 隧道單線爆破開挖地表位移沉降分析

對(duì)隧道的左、右兩線單獨(dú)進(jìn)行爆破開挖，將圖4所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)形式分別布設(shè)在隧道爆破開挖的掌子面、距爆破開挖掌子面的未開挖區(qū)和已開挖區(qū)各 5 m的地表處，對(duì)地表位移沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，所得地表各點(diǎn)的位移沉降如圖5~7所示。左右兩線爆破開挖的沉降關(guān)于軸線對(duì)稱。

從圖5~7可見(jiàn)：隧道單線爆破開挖時(shí)地表位移沉降規(guī)律呈現(xiàn)單峰形式，左右兩側(cè)并不對(duì)稱，地表沉降最大值均發(fā)生在隧道爆破開挖處上方，與隧道爆破開挖處的距離越大，地表的位移沉降越不明顯；當(dāng)距隧道爆破開挖處3倍洞跨時(shí)，地表位移沉降出現(xiàn)拐點(diǎn)。伴隨沉降拐點(diǎn)的出現(xiàn)，隧道開挖基本上不會(huì)引起地表的位移沉降。

1—左線開挖掌子面上方豎向位移；2—右線開挖掌子面上方豎向位移

1—左線開挖距掌子面5 m開挖區(qū)豎向位移；2—右線開挖距掌子面5 m開挖區(qū)豎向位移

1—左線開挖距掌子面5 m未開挖區(qū)豎向位移；2—右線開挖距掌子面5 m未開挖區(qū)豎向位移

沿著隧道掘進(jìn)方向，隧道開挖引起的沉降有所不同：在隧道爆破開挖區(qū)距掌子面5 m處地表位移沉降最大值為21.48 mm，掌子面上方的地表沉降最大值位移為18.48 mm；未開挖區(qū)距掌子面5 m處地表位移沉降最大值為11.26 mm。這說(shuō)明隧道爆破開挖對(duì)隧道已開挖區(qū)上方和掌子面地表沉降的影響較大。

3.2 隧道雙線爆破開挖引起地表位移累計(jì)沉降

對(duì)于本文研究的城際快速軌道依托工程，隧道設(shè)計(jì)為左、右2線，所以，隧道施工引起的地表位移沉降是兩線隧道施工引起的地表變形相互疊加而形成的。雙線隧道施工引起的地表變形要比單線隧道施工引起的地表變形復(fù)雜得多。雙線隧道施工順序是先對(duì)其中1條線隧道施工，完工后待其沉降穩(wěn)定，再對(duì)第2條線的隧道進(jìn)行施工。第2條線的隧道在施工時(shí)會(huì)對(duì)第1條線的隧道地表沉降產(chǎn)生一定影響，所以，在對(duì)隧道施工引起的地表位移沉降進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮隧道雙線爆破開挖施工引起的地表位移累計(jì)沉降。隧道雙線爆破開挖施工引起地表位移累計(jì)沉降如圖8~11所示。從圖8~11可見(jiàn)：從隧道未開挖區(qū)至隧道開挖區(qū)地表位移沉降規(guī)律由“單峰”形式逐漸向“雙峰”形式轉(zhuǎn)變，即地表位移最大沉降由兩隧道中線向隧道洞口上方轉(zhuǎn)移。

分別對(duì)比圖5與圖9以及圖6與圖10可知：左線開挖引起的地表沉降比待其沉降穩(wěn)定后進(jìn)行右線開挖引起的沉降更加明顯；在左線開挖沉降穩(wěn)定后的一段時(shí)間內(nèi)，隧道圍巖逐漸穩(wěn)定；進(jìn)行右線開挖時(shí)，引起的地表沉降較小。這符合工程實(shí)際情況。

圖8 隧道雙線爆破未開挖區(qū)距掌子面5 m處地表累計(jì)沉降

圖9 隧道雙線爆破掌子面地表累計(jì)沉降

圖10 隧道雙線爆破開挖區(qū)距掌子面5 m處豎向位移

圖11 隧道雙線爆破開挖區(qū)距掌子面10 m處豎向位移

雙線隧道在進(jìn)行爆破開挖時(shí)對(duì)地表位移沉降影響較大區(qū)域位于隧道掌子面上方以及距掌子面一定范圍內(nèi)的隧道已開挖區(qū)上方，累計(jì)位移沉降值均在30 mm以上。隨著離掌子面距離的增大，隧道爆破施工影響區(qū)的地表沉降變??；當(dāng)距隧道掌子面在10 m以上時(shí)開挖區(qū)地表沉降在20 mm左右，其沉降遠(yuǎn)小于掌子面上方的地表沉降。

綜上所述，在進(jìn)行隧道爆破施工時(shí)，在隧道掌子面兩端的開挖區(qū)和未開挖區(qū)的地表沉降對(duì)隧道爆破施工的響應(yīng)不一致，開挖區(qū)的地表沉降大于未開挖區(qū)的地表沉降，并且在距離掌子面5 m處左右，沉降位移達(dá)到最大；隨著開挖區(qū)距掌子面的距離增大，其地表的最大位移沉降點(diǎn)由隧道左、右兩線中心向隧道左右兩線上方轉(zhuǎn)變。

3.3 隧道開挖地表水平位移分析

地表水平位移對(duì)建筑物、管線等也具有一定影響，尤其是水平位移對(duì)建(構(gòu))筑物的拉伸變形的影響，易使建筑物地基破壞、管線接頭斷裂等，因此，地表的水平位移監(jiān)測(cè)及控制在施工過(guò)程中不容忽視。在隧道掌子面地表布設(shè)如圖4所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表水平位移，所得地表各點(diǎn)水平位移如圖12所示。

圖12 隧道雙線爆破掌子面地表水平位移

從圖12可知：隧道爆破開挖后，隨著與左右兩線隧道中線距離減小，隧道上方地表水平位移先緩慢增大，在距隧道開挖上方2倍洞跨處水平位移達(dá)到最大值7.5 mm；隨后迅速減小，直至在隧道中線地表處減小為0 mm，并在隧道中線兩端呈現(xiàn)左右兩邊反向?qū)ΨQ，即隧道上方的土體向隧道兩線的中線運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

1) 隧道在進(jìn)行單線隧道爆破開挖時(shí)，沿隧道掘進(jìn)方向，地表位移沉降較大區(qū)域位于隧道掌子面以及距掌子面10 m內(nèi)開挖區(qū)上方；垂直于隧道掘進(jìn)方向，地表位移沉降較大區(qū)域位于隧道開挖區(qū)上方，沉降位移最大值達(dá)到21.48 mm，并且整個(gè)沉降規(guī)律呈現(xiàn)“單峰”形式。

2) 在單線隧道爆破開挖引起地表沉降穩(wěn)定后進(jìn)行第2條線隧道爆破開挖時(shí)，垂直于隧道掘進(jìn)方向，從隧道掌子面到隧道開挖區(qū)上方，地表位移沉降的規(guī)律由“單峰”形式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤半p峰”形式，即最大位移沉降點(diǎn)由兩隧道中線上方向隧道開挖的上方轉(zhuǎn)變，沉降位移最大值達(dá)到32.99 mm。

3) 雙線隧道施工引起地表位移沉降與單線隧道施工引起的地表位移沉降相比，雙線隧道施工引起的地表位移沉降規(guī)律更加復(fù)雜，地表沉降對(duì)其影響更加明顯。

4)在隧道爆破開挖時(shí)，直至爆破開挖完成之后的一段時(shí)間，需要著重監(jiān)測(cè)在距隧道開挖上方2倍洞跨處建(構(gòu))筑物的水平位移。在監(jiān)測(cè)期間，若水平位移超過(guò)爆破規(guī)程的警戒值，則需要對(duì)建筑物采取加固 措施。

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(編輯 陳燦華)

Numerical simulation of ground subsidence due to tunnel blasting excavation

HE Zhongming1, 2, CAI Jun2, WANG Lijun3, LUO Xin3, WEI Xiaobo3

(1. Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114, China;3. Construction Headquarters of Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510380, China)

Based on the project of intercity rapid track section of Guangzhou to Foshan in Pearl river delta, the FLAC3Dsoftware was used to build the model of tunnel excavation. Surface subsidence caused by tunnel blasting excavation was computed, and the regulation of the surface subsidence was analyzed. The results show that the tunnel blasting excavation has impact on the surface subsidence from a certain range of excavation area to excavated face after applying the blast load on the tunnel wall. When the second tunnel is excavated, the maximal displacement displacement position of tunnel surface moves from the center line of the two tunnels to the tunnel; after the surface subsidence of the first excavates tunnel reaches stable, the magnitude of displacement is related to the distance between the excavated zone and the excavated face. The shorter the distance, the larger the displacement of the surface.

tunnel; blasting excavation; ground subsidence; impact load

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.045

TU94+1

A

1672?7207(2015)09?3496?07

2015?01?07；

2015?03?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478054)；廣州市地下鐵道總公司科研項(xiàng)目(HT141595)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(kfj140501) (Project(51478054) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(HT141595) supported by Guangzhou Metro Corporation; Project(kfj140501) supported by Open Fund of Key Laboratory of Special Environment Road Engineering, Changsha University of Science & Technology)

何忠明，博士(后)，副教授，從事道路工程、防災(zāi)減災(zāi)工程的教學(xué)研究工作；E-mail: hezhongming45@126.com