塌落觸地振動對地鐵管片結(jié)構(gòu)的影響研究*

黃小武,謝先啟,鐘冬望,賈永勝,姚穎康

(1.武漢爆破有限公司,武漢 430023; 2.武漢科技大學(xué),武漢 430065)

塌落觸地振動對地鐵管片結(jié)構(gòu)的影響研究*

黃小武1,謝先啟1,鐘冬望2,賈永勝1,姚穎康1

(1.武漢爆破有限公司,武漢 430023; 2.武漢科技大學(xué),武漢 430065)

為研究建(構(gòu))筑物爆破拆除塌落觸地振動對地鐵管片結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合武漢市精武片區(qū)爆破拆除工程，采用ANSYS有限元軟件對周邊地鐵管片結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析和動力響應(yīng)研究。模態(tài)分析的計算結(jié)果表明：地鐵管片結(jié)構(gòu)的前十階主振頻率在0.1～0.26 Hz之間，屬于低頻。說明管片結(jié)構(gòu)對低頻的觸地振動比較敏感，低頻成分高的觸地振動更容易對其造成破壞。塌落觸地振動作用下地鐵管片結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)計算結(jié)果表明，行車道墻角處的質(zhì)點振動速度峰值與實測值比較吻合，地鐵結(jié)構(gòu)頂板和側(cè)幫位置處的最大主應(yīng)力值比較接近，最大值為3.24 MPa，低于鋼筋混凝土材料的拉伸極限。

爆破拆除； 觸地振動； 地鐵管片結(jié)構(gòu)； 動力響應(yīng)

近年來，我國城市控制爆破工程多集中在鬧市區(qū)，周圍建(構(gòu))筑物分布密集，地下管線錯綜復(fù)雜[1]。例如：2012年2月，南京市水西門高架橋爆破拆除工程；2013年5月，武漢市沌陽高架橋爆破拆除工程；2014年8月，武漢市紅旗家俱國際博覽中心爆破拆除工程；以及2014年11月，武漢市交通學(xué)校(北區(qū))8棟群樓爆破拆除工程等。城市控制爆破技術(shù)為城市建設(shè)作出了巨大的貢獻，同時，也帶來了一些難以避免的有害效應(yīng)。其中，爆破振動波及的范圍廣、危害大，負面影響最為突出。以前，有關(guān)爆破振動的研究多著眼于保障地面上的建(構(gòu))筑物的安全，而忽視了對地下結(jié)構(gòu)和地下管線的保護[2,3]。最近幾年，我國城市地鐵等地下結(jié)構(gòu)的發(fā)展建設(shè)迅速，天然氣管道、輸油管道、電線、電纜等地下管線的分布非常廣泛。在城市實施爆破拆除作業(yè)時，塌落體觸地誘發(fā)的觸地振動可能對這些對下結(jié)構(gòu)和地下管線造成破壞，如此嚴峻的問題逐漸引起爆破研究人員的廣泛關(guān)注。王文輝、趙根對城市大型高架橋爆破拆除工程進行了研究，發(fā)現(xiàn)橋體垮塌觸地振動的影響范圍有限，振動頻率高于自然地震的頻率，不易對周邊建(構(gòu))筑物造成破壞，采取合適的降振、防護措施，可以保證周邊建筑物和地下管線的安全[4]。王春玲、梁為民等以一座150 m煙囪爆破拆除工程為例，分析了高聳建筑物爆破拆除塌落觸地振動的危害，通過優(yōu)化爆破參數(shù)和采取安全防護措施，保證了周邊建筑物和地下管線的安全[5]。韓傳偉采用理論分析和數(shù)值模擬手段，研究了房屋和高架橋爆破拆除倒塌的觸地振動對周邊建筑物和地下管線的影響[6]。劉沐宇、盧志芳采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對接觸爆炸荷載作用下長江隧道的動力響應(yīng)問題進行了分析，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌最易受損的部位在頂板、底板和左、右側(cè)幫處[7]。李秀地、鄭穎人等建立了爆炸荷載作用下地下結(jié)構(gòu)的局部層裂模型，計算得到不同圍巖作用下地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時程[8]。國勝兵、王明洋等采用有限元軟件FLAC，對爆炸荷載作用下地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)問題進行了分析，并建立了地下結(jié)構(gòu)的土體圍巖分析模型[9]。

目前，爆破拆除工程中，普遍采用周家漢研究員提出的經(jīng)驗公式來估算建(構(gòu))筑物爆破拆除倒塌觸地時周邊地面的振動速度[10]。采用同樣的計算公式來估算地下結(jié)構(gòu)的振動速度，勢必存在較大誤差。通過查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻，可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)地鐵管片結(jié)構(gòu)在觸地振動作用下的動力響應(yīng)研究還比較匱乏。亟需通過理論分析、模型試驗和原型觀測等方法研究爆破拆除塌落觸地振動對地鐵管片結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合武漢市精武片區(qū)爆破拆除工程，采用ANSYS有限元程序計算了地鐵管片結(jié)構(gòu)的模態(tài)，并分析了觸地振動作用下地鐵管片結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況。

1 地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

為分析地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在建(構(gòu))筑物爆破拆除塌落觸地振動作用下的振動特性，及其可能存在的破壞形式，進而評價整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用ANSYS有限元軟件對盾構(gòu)隧道及周圍圍巖模型進行模態(tài)分析，研究其在不同頻率下的振動響應(yīng)情況。根據(jù)勘察和設(shè)計資料[11]，建立ANSYS有限元計算模型。地鐵盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為30 cm，隧道頂板距離地面為11 m。有限元計算模型自上而下，根據(jù)土層的物理力學(xué)性質(zhì)不同而分為4層，依次為雜填土、粘土夾礫石、風(fēng)化泥巖和泥巖，如圖1所示。根據(jù)圣維南原理，地鐵盾構(gòu)隧道周圍圍巖的計算模型取為隧道內(nèi)徑的4～5倍，整個模型的水平方向長度為80 m，豎向高度(深度)為39.7 m，地鐵盾構(gòu)隧道的有限元計算模型如圖2所示。

通過ANSYS有限元軟件計算，得到地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài)如表1所示。

表 1 地鐵管片結(jié)構(gòu)前十階振型對應(yīng)的頻率值(單位:Hz)

分析地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的前十階振型的主振頻率在0.1～0.26 Hz范圍內(nèi)，屬于低頻，說明該地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)對低頻的外界激勵比較敏感。結(jié)合本文的研究目的，在進行建(構(gòu))筑物爆破拆除工程中，低頻成分高的觸地振動更容易對周邊地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)造成破壞。

2 觸地振動作用下地鐵結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析

武漢市精武片區(qū)群樓爆破拆除工程中，一棟待爆破拆除的工業(yè)大樓，整體呈長方體，長45 m、寬12 m、高49.6 m，總質(zhì)量約為4200 t。距離其一側(cè)6.0 m處是武漢市地鐵二號線，地鐵盾構(gòu)隧道頂板距離地面為11 m，如圖3所示。采用定向倒塌爆破拆除方案時，塌落體觸地引起的振動，可能對周邊地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)造成危害。因此，在實施爆破拆除之前，需要分析建筑物爆破拆除倒塌的觸地振動對地鐵盾構(gòu)隧道的影響。

爆破切口為三角形切口，切口高度為15 m，建筑物倒塌后，重心下降高度約為30 m，重心距離盾構(gòu)隧道的水平距離約為30 m。在實際建模過程中，考慮到建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建立模型難度大，且會形成龐大的單元數(shù)。所以，為簡化計算模型，提高計算效率，可以采用圓柱體夯錘自由落體沖擊地面引起的擾動，近似建(構(gòu))筑物爆破拆除倒塌觸地振動[12]。由于大樓倒塌過程是依次倒塌觸地，換算成塌落體自由落體觸地振動，塌落體的質(zhì)量取建筑物總質(zhì)量的1/3，重心高度按20 m進行估算，有限元計算模型如圖4所示。

根據(jù)土層和巖層的分層情況，在LS-DYNA有限元動力分析軟件中[13]，雜填土材料采用*MAT_SOIL_AND_FOAM本構(gòu)模型，粘土夾礫石、風(fēng)化泥巖和泥巖材料均采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONTRETE本構(gòu)模型，而夯錘、隧道防水層和鋼筋混凝土管片材料均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC雙線性隨動硬化材料模型。最終計算得到盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的頂點和行車道墻角(靠近塌落點)的振動速度波形如圖5和圖6所示，得到盾構(gòu)隧道頂板和側(cè)幫處的最大主應(yīng)力波形如圖7和圖8所示。

計算結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)中A點處的振動速度最大值為9.25 cm/s，B點處的振動速度最大值為6.76 cm/s；地鐵盾構(gòu)隧道頂板處最大主應(yīng)力為2.42 MPa，隧道側(cè)幫處最大主應(yīng)力峰值為3.24 MPa?？梢姡淼拦芷Y(jié)構(gòu)中各質(zhì)點的振動速度在《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2012)容許的范圍內(nèi)，隧道管片結(jié)構(gòu)截面上的最大主應(yīng)力低于鋼筋混凝土材料的拉伸極限。

重心高度為20 m的夯錘在盾構(gòu)隧道的正上方的一側(cè)自由落體撞擊地面的過程中，觀察不同時刻盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的Von-Mises有效應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)：夯錘在盾構(gòu)隧道的正上方一側(cè)自由落體撞擊地面時，誘發(fā)的應(yīng)力波以圓形沿著土層和巖層傳播；在1.92 s時，應(yīng)力波最先到達盾構(gòu)隧道管片的側(cè)幫處(撞擊點與管片結(jié)構(gòu)直線距離最短的位置)，然后沿著側(cè)幫向盾構(gòu)隧道的徑向和周向傳播。夯錘在盾構(gòu)隧道的正上方的一側(cè)自由落體撞擊地面的過程中，應(yīng)力主要集中在隧道的左、右側(cè)幫處。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與分析

為緩輕工業(yè)大樓爆破拆除塌落觸地振動，進一步保證地鐵盾構(gòu)隧道安全，提高安全系數(shù)。在建筑物塌落范圍的地面上鋪設(shè)一層鋼板，鋼板上再鋪30 cm厚度的細沙，用以吸收塌落體觸地撞擊地面的能量；在建筑物塌落區(qū)域與盾構(gòu)隧道之間，開挖減振溝，減小工業(yè)大樓爆破拆除塌落引起的觸地振動損壞地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)。

在爆破拆除現(xiàn)場，于地鐵行車道墻角處(靠近爆破區(qū)域一側(cè))布置由加拿大Instantel公司研發(fā)的Mini Mate Plus 爆破記錄儀監(jiān)測地鐵管片結(jié)構(gòu)的振動速度。該記錄儀的爆破振動量程為0.13～254 mm/s，精度可達0.1 mm/s，系統(tǒng)頻率響應(yīng)范圍為2～300 Hz。監(jiān)測得到地鐵行車道墻角處的振動速度峰值如表2所示。

表 2 行車道墻角的振動速度峰值實測數(shù)據(jù)

注：“水平縱向”為指向爆破區(qū)域的方向

分析地鐵盾構(gòu)隧道的行車道墻角處的觸地振動峰值實測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道在垂直方向上的振動峰值為1.97 cm/s，與數(shù)值模擬的計算值基本一致(實際施工時，采取了降振措施)。觸地振動在三個方向的主頻為3.3～6.6 Hz之間，對地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到前十階主振頻率在0.1～0.26 Hz之間?？梢?，工業(yè)大樓爆破拆除塌落引起的觸地振動的頻率高于地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而避免發(fā)生“共振”現(xiàn)象而導(dǎo)致隧道管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移或變形。

4 結(jié)論

(1)對地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，研究了管片結(jié)構(gòu)固有的振動特性。結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的前十階主振頻率在0.1～0.26 Hz之間，屬于低頻。說明該地鐵隧道結(jié)構(gòu)對低頻的觸地振動比較敏感，低頻成分高的觸地振動更容易對其造成破壞。

(2)結(jié)合武漢市精武片區(qū)群樓爆破拆除工程，運用數(shù)值計算方法，分析了建筑物倒塌觸地振動對周邊地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的影響，得到地鐵管片結(jié)構(gòu)各質(zhì)點的振動速度峰值為9.25 cm/s，在《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定的范圍內(nèi)；地鐵管片結(jié)構(gòu)所承受的最大主應(yīng)力為3.24 MPa，低于鋼筋混凝土材料的拉伸極限；建筑物倒塌引起的觸地振動不會損壞附近地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)。

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Study on Influence of Impact Vibration on Subway Segments Structure

HUANG Xiao-wu1,XIE Xian-qi1,ZHONG Dong-wang2,JIA Yong-sheng1,YAO Ying-kang1

(1.Wuhan Blasting Engineering Co Ltd,Wuhan 430023,China;2.Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

The influence of subway segments structure under impact vibration induced by collapse of building in demolition blasting is studied based on demolition blasting of buildings in JingWu district in Wuhan city.Modal analysis and dynamic response of subway segments structure are researched by using finite element software ANSYS.The modal analysis of the subway shield tunnel segments shows that the first ten natural frequencies between 0.1～0.26 Hz belong to low frequency,so the structure of subway tunnel is more sensitive to the low frequency vibration,and the impact vibration with low frequency can make damage to shield tunnel more easily.The dynamic response of subway segments structure under impact vibration shows that the peak value of vibration velocity on driveway corner is consistent with the measurement one.The maximum principle stress on the roof is close to the value on side parts.The peak value is 3.24 MPa which is less than the limit value of reinforced concrete.

explosive demolition; impact vibration; subway segments structure; dynamic response

10.3963/j.issn.1001-487X.2016.04.026

2016-07-16

黃小武(1989-)，男，碩士研究生，從事工程力學(xué)相關(guān)的科研工作，(E-mail)hoho_shark@126.com。

謝先啟(1960-)，男，湖北洪湖市人，教授級高級工程師、博士生導(dǎo)師，主要從事工程爆破理論研究與工程實踐工作，(E-mail)xxqblast@163.com。

國家自然科學(xué)基金(51174147)

TD235.4

A

1001-487X(2016)04-0135-05