城市立交橋爆破拆除對周圍建筑環(huán)境的影響

常方強， 林從謀， 林躍旗， 溫智捷， 殷榕鵬， 楊賓

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

城市立交橋爆破拆除對周圍建筑環(huán)境的影響

常方強， 林從謀， 林躍旗， 溫智捷， 殷榕鵬， 楊賓

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

利用Plaxis軟件模擬計算福建漳州市東立交橋爆破拆除對下部地基、國防光纜和周邊房屋的影響，并將波速和變形計算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果進行對比分析.研究結(jié)果表明：橋梁爆破拆除引起的下部地基變形量隨著深度的增大而減小，也隨著離橋面水平距離的增大而減小；有的斷面最大波速和地基變形計算結(jié)果與測量結(jié)果較為接近，有的相差較大；爆破拆除引起周邊房屋和國防光纜處的地基變形量較小，最大波速小于安全允許波速，可以認定爆破拆除對兩者的影響在安全允許范圍之內(nèi). 關(guān)鍵詞： 橋梁; 爆破拆除; 沉降; 位移； 地基變形

城市立交橋往往位于密集建筑群中，地下可能埋設(shè)有管線.在爆破拆除后，橋梁上部結(jié)構(gòu)瞬時墜落到地基上，對地基產(chǎn)生較大的沖擊荷載.此沖擊能量以一定的波速向周圍傳播，引起地基振動響應(yīng)、瞬時沉降和側(cè)向位移.當波速較大或變形較大時，對周邊建筑物和地下管線產(chǎn)生危害.橋梁爆破拆除對地基及周邊建筑的影響大都采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測兩種方法進行計算，目前，研究大都集中在利用LSDYNA程序模擬橋梁爆破拆除坍塌失穩(wěn)過程[1-3].文獻[3-5]研究了爆破拆除引起的地面振動響應(yīng).然而，橋梁爆破拆除對地基的瞬時變形和拆除后的堆載變形鮮有涉及，地基的變形會影響到周邊建筑的基礎(chǔ)和下部管線的安全.因此，本文以福建漳州市東立交橋爆破拆除為例，利用Plaxis有限元動力程序模擬計算該橋拆除對下部地基、國防光纜和周邊房屋的影響.

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

漳州市東立交橋位于漳州市區(qū)勝利東路與九龍大道交匯處，服役18 a后，出現(xiàn)了多項安全隱患，橋梁總體技術(shù)狀況已惡化為5類橋，無法滿足現(xiàn)行規(guī)范對安全性、通行條件等標準的要求，經(jīng)多番論證后決定整體拆除.

圖1 漳州市東立交橋周邊建筑環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of east overpass of Zhangzhou City

漳州市東立交橋的周圍建筑環(huán)境復(fù)雜，南側(cè)同輝嘉園小區(qū)為12層框架結(jié)構(gòu)住宅樓，距離M匝道橋約44～45 m；西側(cè)天福園小區(qū)為7層住宅樓，距離F匝道約37 m；北側(cè)夏商陽光雅苑小區(qū)和東方鉆石城小區(qū)為18層住宅樓，距離G匝道橋約48 m；立交橋范圍內(nèi)有布設(shè)了一道國防光纜，其東西向的路徑基本與V主線平行，并且與其它多條匝道相交，如圖1所示.

1.2 橋梁狀況

爆破拆除的立交橋橋墩均為圓柱形，直徑有1.2，1.5 m兩種.橋面的梁高度為1.2 m，主橋立交處的梁高為1.8 m.橋面寬度有23.3,13.25,9.5 m三種.橋面離地面的高度不等，一般位于3.0～11.0 m之間，V匝道最大為11.15 m.

1.3 爆破方案

采用一次點火起爆，墩柱預(yù)先鉆孔,炮孔內(nèi)裝導(dǎo)爆雷管，炮孔直徑設(shè)計為D=70 mm.直徑1.2 m的橋墩使用直徑為50 mm的乳化炸藥，其線裝藥密度為2.0 kg·m-1；直徑1.5 m的橋墩使用直徑為60 mm的乳化炸藥，其線裝藥密度為3.0 kg·m-1.間隔段采用水袋間隔，爆破飛散物采用覆蓋防護和近體防護等防護措施.

1.4 地層條件

為了掌握爆破拆除對地基的影響，現(xiàn)場進行鉆探勘察，共鉆孔41個.表層為素填土，厚度為1.0～3.3 m不等；第2層為淤泥，軟塑～流塑狀態(tài)，厚度為5.4～20.1 m不等；第3層為中砂或卵石層，厚度為1.0～3.1 m；第4層為殘積粘性土，厚度未揭露.該場地淤泥層較厚，由于其工程性質(zhì)較差，當橋梁爆破拆除墜落后，可能引起地基產(chǎn)生較大的變形，這是分析的重點.

1.5 監(jiān)測方案

為了掌握橋梁拆除對地基、國防光纜和周邊建筑物的實際影響大小，爆破前，在場地內(nèi)對橋梁影響較大的地基和房屋位置埋設(shè)傳感器.同時，在場地布設(shè)了20個地面質(zhì)點振動速度監(jiān)測點(其中1監(jiān)測點出了問題)、6個深層水平位移監(jiān)測點、3個土體豎向位移(沉降量)監(jiān)測點、2個土壓力監(jiān)測點和2個孔隙水壓力監(jiān)測點.

除在爆破過程中進行振動加速度監(jiān)測外，其余監(jiān)測項目均在爆破拆除前測量一次結(jié)果，作為地基初始值；拆除后再測量一次，作為拆除后的數(shù)值.取兩次測量結(jié)果的差值，即可以得到爆破拆除對下部地基的影響大小.

2 建模思路

由于橋梁長度遠大于寬度，所以取單位長度橋面為研究對象，即簡化為二維平面問題.文中重點分析3個橋墩處橋面對地基的影響：V12橋墩、F8橋墩和D3～D4橋墩.V12橋墩處橋面高度和質(zhì)量最大，對地基的沖擊力也最大；F8橋墩離房屋最近，離天福園小區(qū)最近為37.0 m；D3～D4橋墩下部地基4.0 m深度左右埋深有國防光纜，屬重點保護對象.V12橋墩，地表為3.3 m厚的素填土，下部為16.8 m厚的淤泥；F8橋墩地表為1.2 m厚的素填土，下部為13.4 m厚的淤泥；D3～D4橋墩地表為0.6 m厚的素填土，下部為18.3 m厚的淤泥，地下水位埋深位于0.70～1.20 m之間.

爆破拆除全過程包括3個工序：工序1，在橋面墜落處施加動力荷載，模擬橋面下落對地面產(chǎn)生的沖擊荷載作用，將沖擊作用簡化為簡諧振動，頻率為10 Hz，作用為0.05 s；工序2，解除動力荷載作用，模擬沖擊荷載作用后引起的地基擾動情況；工序3，橋面堆載作用下對地基施加靜力作用，發(fā)生相應(yīng)的固結(jié)過程.

建模過程中，以秒(s)作為時間單位，為了避免反射波的干擾，設(shè)置盡量遠的邊界條件.以V12斷面為例，橋梁中心軸線距離一側(cè)邊界為170 m，大于離同輝嘉園和夏商陽光雅苑的距離.同時,使用吸收邊界條件避免雜波的反射，在底部和左右兩側(cè)邊界設(shè)置吸收邊界.對橋梁下部地基和建筑物地基進行網(wǎng)格加密.靜力堆載期間，將振動荷載進行凍結(jié).橋梁結(jié)構(gòu)和下部地基土體的工程性質(zhì)，如表1所示.表1中：γ為天然重度；γsat為飽和重度；E為彈性模量；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；μ為泊松比.土體采用摩爾-庫侖模型，由于加載時間極短，考慮不排水的情況.

表1 橋梁結(jié)構(gòu)和下部地基土體的工程性質(zhì)Tab.1 Engineering properties of overpass and foundation soil

圖2 橋梁爆破拆除對 地基的瞬間沖擊力Fig.2 Instant impact force of blasted bridge on foundation

橋梁爆破拆除后，對下部地基產(chǎn)生瞬時沖擊力，引起地基的瞬時沉降和水平位移，并且在地基內(nèi)引起振動.該沖擊力瞬間達到峰值后迅速衰減至零，沖擊力持續(xù)作用時間約在0.03～0.06 s之間，如圖2所示.橋梁對地基的沖擊過程與強夯法處理地基的極為相似，故此沖擊力峰值參照強夯法的計算方法，包括經(jīng)典的Mayne法[6]、趙維炳改進的Scott法[7]和郭見揚法[8]等，采用Mayne法計算橋面墜落時的峰值應(yīng)力，即

(1)

式(1)中:Pmax為橋面墜落時與地基土的接觸峰值應(yīng)力(kPa)；W為橋面質(zhì)量(kN)，由相應(yīng)位置處單位寬度橋面的體積結(jié)合混凝土的密度求得；H為橋面距地面的高度(m)；G為計算點對應(yīng)土層的加權(quán)平均剪切模量(kPa)；a為橋面等效半徑(m)，由面積相等的原則等效求得；μ為計算點對應(yīng)土層的加權(quán)平均泊松比.

3 結(jié)果及分析

3.1 對周邊房屋的影響

通過對土層界面和性質(zhì)、場地邊界條件、荷載條件和工序步驟等設(shè)定后，經(jīng)Plaxis程序運行后，對結(jié)果進行分析.考慮最不利的兩處橋面對周圍建筑物的影響，一處是V12橋墩處，其橋面高度為11.15 m，寬度為23.3 m，為荷載最大橋面，該橋墩離最近的建筑物為夏商陽光雅苑，最近距離為11 m；另一處是F8橋墩處.為了測量V12橋墩處實際的地基變形量，在距離其25 m遠處布設(shè)了一測斜管和多點位移計，用以測量地基的深層位移和沉降量.將各處地層、邊界條件、荷載和計算工序等設(shè)置好后，進行計算分析，分析V12橋墩和F8橋墩處橋面堆載期間對下部地基及周邊建筑物的影響，如表2所示.表2中：D為深度；S為地基沉降量；L為地基水平位移；Vmax為最近建筑最大波速；amax為最近建筑最大加速度.V12橋墩和F8橋墩處橋面堆載期間對下部地基及周邊建筑物的影響，如表3所示.

表2 V12橋墩和F8橋墩處橋面墜落瞬間對下部地基及周邊建筑物的影響Tab.2 Influence of deck fall on surrounding buildings and foundation at pier V12 and F8

表3 V12橋墩和F8橋墩處橋面堆載期間對下部地基及周邊建筑物的影響Tab.3 Influence of static loading of deck on surrounding buildings and foundation at pier V12 and F8

3.2 對國防光纜的影響

該立交橋多條匝道下部地基埋設(shè)有國防光纜，以D匝道為例進行分析，該條匝道的D3～D4橋墩剛好下穿國防光纜，依據(jù)Mayne法計算的應(yīng)力峰值為270 kPa.為了測量橋梁爆破拆除對其實際影響，在離橋面邊緣外側(cè)5.0 m處埋設(shè)了一多點位移計測量橋面堆載的國防光纜處的豎向沉降量.按照上述方法建模，計算模擬得到該段橋梁拆除后引起的地基沉降量，如表4所示.表4中：SD為沖擊瞬間；SS為靜力堆載.

表4 D3～D4段匝道爆破拆除引起 國防光纜處地基的沉降量Tab.4 Foundation settlement at optical cable caused by blasting demolition between pier D3 to D4

3.3 分析與評價

橋梁爆破拆除后對下部地基引起一定影響，V12橋墩處墜落瞬間引起的地表沉降量為55.3 mm，靜力堆載時引起的沉降量達到661.8 mm；F8橋墩處橋面高度相當較小，橋面寬度僅為9.50 m，且下部地質(zhì)條件相對良好，故引起的地基變形量相對V12處的要小.橋梁拆除后，靜力堆載期間，V12橋面引起夏商陽光雅苑處的地表沉降量為3.4 mm，水平位移量為11.2 mm；F8橋面引起的天福園地基沉降量和水平位移均小于1.0 mm；D3～D4段匝道可引起光纜處的沉降量達到10 mm左右.另外，比較不同深度和不同距離的計算，結(jié)果可以看出：1) 在橋面中心位置下、監(jiān)測點處和最近建筑物處，土體的豎向沉降量和水平位移均隨土體深度的增大而減小，即地表處的豎向位移和水平位移最大，利用計算模擬和現(xiàn)場測量的結(jié)果均揭示了這種規(guī)律；2) 距離橋面越遠，其沉降量、水平位移、波速和最大加速度也越小，因此，只需分析橋面墜落對其最近建筑物的不利影響即可.

夏商陽光雅苑監(jiān)測的最大波速與計算值較為接近，而天福園的最大波速監(jiān)測結(jié)果比計算結(jié)果大不少.另外，靜力堆載期間的地基豎向沉降和水平位移量計算結(jié)果是測量結(jié)果的2～3倍，國防光纜處的沉降量計算值與實測值則較為接近.造成這種誤差的原因較多，包括橋面計算模型的簡化、計算地層與實際地層的差異和現(xiàn)場測量手段的限制等.

夏商陽光雅苑和天福園兩個住宅小區(qū)，下部均采用樁基礎(chǔ)，樁端位于下部基巖上.橋梁引起地基下沉對樁基產(chǎn)生負摩阻力，對樁基安全不利，但數(shù)毫米級的沉降量對樁基的影響較??；再者十余毫米的水平位移對樁基產(chǎn)生的水平力也較小，由此可以認定橋梁爆破拆除后引起的地基變形對周邊房屋的影響較小，這種影響可忽略不計.國防光纜處的地基沉降量計算值為10.7 mm，參照GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]對于柔性管道變形安全的限定，其豎向位移報警值在10～40 mm之間.因此，對國防光纜的影響基本在安全范圍之內(nèi).加上實際爆破時，采用減震、管線蓋板等安全措施，可以認為對國防光纜的影響較小.

該次爆破的拆除對周邊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋產(chǎn)生的質(zhì)點振動主頻在3.353～18.519 Hz之間，該值小于GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程的標準》[10]值.當主頻在0～10 Hz時，安全允許振速為2.5～3.5 cm·s-1；當主頻在10～50 Hz時，安全允許振速為3.5～4.5 cm·s-1；當主頻在50～100 Hz時，安全允許振速為4.2～5.0 cm·s-1的下限值.由此可以認定，該次爆破產(chǎn)生的振動對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的影響在規(guī)程允許范圍之內(nèi).

4 結(jié)論

1) 在橋面中心位置下、監(jiān)測點處和最近建筑物處，土體的豎向沉降量和水平位移均隨土體深度的增大而減小，且同一深度處，隨離橋面水平距離的增大而減小.

2) 最大波速和地基變形的計算結(jié)果與測量結(jié)果，有的斷面兩者較為接近，有的相差較大，造成這種誤差較大的原因包括橋面計算模型的簡化、計算地層與實際地層的差異和現(xiàn)場測量手段的限制等.

3) 周邊兩棟高層住宅均采用樁基礎(chǔ)，且樁端位于下部穩(wěn)定基巖上，橋梁在住宅處引起數(shù)毫米級的沉降量和十余毫米的水平位移對樁基的影響較小，此種影響可以忽略不計；計算分析和現(xiàn)場測振均揭示，周邊建筑物的最大波速小于安全允許波速.

4) 實際爆破拆除時，對現(xiàn)場開挖減震溝、橋面下鋪設(shè)土體和輪胎進行減震，因此，文中分析的是更為不利的情況.實際拆除時對下部地基、國防光纜和周邊房屋的影響較小，在有關(guān)規(guī)范的允許范圍之內(nèi).

[1] 楊元輝.橋梁拆除爆破數(shù)值模擬研究[D].桂林：廣西大學(xué),2014:35-44.

[2] 馮劍平,黃平明,孫海利,等.鋼筋混凝土橋墩爆破拆除數(shù)值模擬[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,39(1):214-219.

[3] 季杉,王桂玲,謝偉平.高架橋爆破坍塌全過程數(shù)值模擬與分析[J].爆破,2014,31(4):76-81.

[4] 楊永強,胡進軍,謝禮立,等.沌陽高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動特征[J].振動與沖擊,2015,34(5):110-114.

[5] 蔣耀港，沈兆武，楊昌德.市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下大藥量爆破降振及振動監(jiān)測分析的研究[J].振動與沖擊，2012，31(1)：156-161．

[6] MAYNE P W,JONES J,DUMAS J C,etal.Ground response to dynamic compaction [J].Journal of Geotechnical Engineering,1984，110(6):757-772.

[7] 趙維炳，設(shè)置砂井的軟粘土地基動力固結(jié)[J].華東水利學(xué)院學(xué)報，1984(3):11-15.

[8] 郭見揚.強夯地基附加應(yīng)力估算方程初探[J].土工基礎(chǔ),2007,21(3):80-84.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范: GB 50497-2009[S].北京：中國計劃出版社，2009：24

[10] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.爆破安全規(guī)程: GB 6722-2014[S].北京：中國計劃出版社，2014：42.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Influence of Blasting Demolition of City Overpass on Surrounding Environment

CHANG Fangqiang, LIN Congmou, LIN Yueqi,WEN Zhijie, YIN Rongpeng, YANG Bin

(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The influence of blasting demolition of Zhangzhou east overpass on the lower foundation, optical cable of national defense and surrounding buildings was calculated by Plaxis Software. The measured wave velocities and deformations of foundation were compared with those calculated. It is found that the deformation of the lower foundation caused by the blasting demolition decreases as the foundation depth and the horizontal distance to overpass increases; the difference between the calculated and measured maximum velocities and the deformations of the foundation is small at some sections, however is large at other sections; the foundation deformations of surrounding buildings and optical cable are small, and the maximum velocities are less than the safety allowable velocity. It can be concluded that the influence of the blasting demolition on these two structures is within the scope of safety. Keywords： overpass; blasting demolition; settlement; displacement； foundation deformations

10.11830/ISSN.1000-5013.201701004

2016-04-27

常方強(1980-)，男，副教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程教學(xué)與科研工作的研究.E-mail:changfq@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(41306051); 福建省自然科學(xué)基金資助項目(2015J01625)

TU 435

A

1000-5013(2017)01-0019-05