礫砂風(fēng)化巖場(chǎng)地內(nèi)爆破施工對(duì)鐵路路基的影響分析

趙利民,李 浩,2

(1.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100044)

1 工程概況

根據(jù)國標(biāo)GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》和TB 10002.1—2005《鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范》，爆破作業(yè)時(shí)，由于爆破引起的鐵路路基、鐵路軌道結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度應(yīng)<3.0 cm/s。根據(jù)《鐵路運(yùn)輸安全保護(hù)條例》的規(guī)定，鐵路邊線外側(cè)20 m范圍屬于鐵路保護(hù)范圍，在鐵路邊線外側(cè)200 m范圍進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，應(yīng)論證其對(duì)鐵路設(shè)施的影響。

河道沿線總體海拔較低，地勢(shì)起伏不大，經(jīng)過的地貌單元主要為濱海沉積地帶、沖積地帶及風(fēng)化剝蝕殘積丘陵區(qū)。山體自然斜坡較穩(wěn)定，天然坡度為10°～30°，局部較陡，坡角>50°。沿線場(chǎng)地內(nèi)最大高差約為35.5 m。場(chǎng)地內(nèi)主要土層如下。

素填土：上部主要由粉質(zhì)黏土及粉土組成，含少量碎塊石，濕、松散狀，屬人工填土。下部主要由粉質(zhì)黏土組成，含少量砂粒，稍濕、松散狀，屬山林種植土。

粉質(zhì)黏土：主要由黏粒和粉粒組成，含少量砂粒，黏性較好，無光澤，搖震反應(yīng)緩慢，干強(qiáng)度、韌性中等，濕、可塑狀，屬?zèng)_積土。

白堊系強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖：手捏可碎，遇水軟化、崩解，間夾中風(fēng)化巖塊，巖體極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。建議地基承載力基本容許值[fa0]=450 kPa。

白堊系中風(fēng)化砂礫巖：褐色、灰褐色，風(fēng)化中等，裂隙較發(fā)育，砂礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礫石含量不均，礫石成分主要為砂巖、硅化砂巖、石英等。巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，錘擊聲脆，為較軟巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。建議地基承載力基本容許值[fa0]=1 200 kPa[1]。

另一方面，分析小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)期刊中有關(guān)方程意義的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，大致可以分為三類：（1）借助于天平，從“等價(jià)”以及“數(shù)量關(guān)系”著手生成方程，進(jìn)而概括屬性特征；（2）借助于情境產(chǎn)生等式與不等式以及方程，經(jīng)過兩次分類，進(jìn)而篩選出課程學(xué)習(xí)的主題詞“方程”；（3）用以前接觸到的“20÷□=4”這樣的式子來引入。那么，這些設(shè)計(jì)是否反映教師已經(jīng)理解方程的本質(zhì)？

2 分析方法

采用二維FLAC有限差分法計(jì)算爆破作業(yè)對(duì)既有鐵路路基振動(dòng)的影響。按照工程項(xiàng)目地勘資料，建立二維平面有限元模型，輸入地層參數(shù)，土層彈性模量等剛度參數(shù)采用小應(yīng)變動(dòng)態(tài)測(cè)試值，爆破藥量按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2-3]。

FLAC軟件求解過程分3步：首先對(duì)求解域作有限差分網(wǎng)格剖分；然后選擇逼近方程定解問題的差分格式，并對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和邊界節(jié)點(diǎn)建立起不同的差分方程；最后將計(jì)算機(jī)網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)差分方程聯(lián)立，求解聯(lián)立方程組得到問題的解。它采用內(nèi)部四邊形單元網(wǎng)格，用兩組對(duì)角的常應(yīng)變?nèi)切螁卧獊泶妫?jié)點(diǎn)力為2組各自節(jié)點(diǎn)大矢量和的均值，采用三角形差分計(jì)算。該軟件在力學(xué)模型計(jì)算時(shí)容易控制不同類型的影響因素，對(duì)巖土工程研究非常有利。

2.1 爆破荷載

巖石爆破過程是一個(gè)瞬間動(dòng)力過程，巖土體和結(jié)構(gòu)體的受力和響應(yīng)非常復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范，減少爆破施工對(duì)周邊工程結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)控制爆破引起的振速[4-5]。本文通過在FLAC模型中施加瞬時(shí)脈沖荷載(爆破荷載)來計(jì)算爆破施工引起的周邊場(chǎng)地的振速。當(dāng)采用的裝藥形式為耦合裝藥時(shí)，爆破荷載計(jì)算式[6]為

(1)

式中：P0為爆破荷載峰值壓力；ρe為炸藥密度；De為炸藥爆速；ρm為巖石密度；Cp為巖石彈性應(yīng)力波波速；k為絕熱指數(shù)。

根據(jù)施工方案和文獻(xiàn)參考資料[6]，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

因計(jì)算模型尺寸很大，為減少計(jì)算網(wǎng)格尺寸以減小計(jì)算時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的條件下參考相關(guān)文獻(xiàn)作適當(dāng)簡化。先根據(jù)式(1)計(jì)算出原始爆破荷載，再根據(jù)沖擊波在巖面?zhèn)鞑r(shí)波陣面的壓力衰減規(guī)律，計(jì)算出沖擊波傳導(dǎo)至r處的波峰壓力P。將P作為模型荷載,經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

式中：P為距炸藥的距離為r處的沖擊波波峰壓力；r0為爆孔半徑；r為距爆孔中心距離；n為指數(shù)，n=2+μ/(1+μ)，μ為泊松比，取0.2。

將模型荷載P輸入到一個(gè)直徑2.0 m、高度6.0 m(裝藥高度)圓柱面上，基于彈性力學(xué)圣維南原理計(jì)算的爆破孔近距離區(qū)域爆速有所差異，但稍遠(yuǎn)處的計(jì)算值差異較小。根據(jù)擬用爆破方案，控制爆破爆孔直徑為140 mm，單排爆破或多排爆破的第1排孔的每孔藥量為83 kg，裝藥高度為6 m。采用該爆破參數(shù)作為計(jì)算條件，計(jì)算單孔爆破引發(fā)周邊場(chǎng)地的震動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算荷載采用單脈沖荷載。

2.2 計(jì)算參數(shù)

爆破工程場(chǎng)地計(jì)算剖面如圖1所示。

圖1 爆破工程場(chǎng)地計(jì)算剖面(單位：m)

該段工程場(chǎng)地主要以強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化礫砂巖為主。廣東省DBJ 15-31—2003《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的殘積土和風(fēng)化巖變形模量E0的計(jì)算公式為

E0=αN′

(3)

式中:α為計(jì)算系數(shù)，其取值見表2;N′為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。

表2 計(jì)算系數(shù)取值

綜合勘察報(bào)告和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定強(qiáng)風(fēng)化礫砂巖標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為55擊。按式(3)確定巖層變形模量，根據(jù)巖層變形模量和泊松比估算出巖土體的動(dòng)體積模量和動(dòng)剪切模量。中風(fēng)化礫砂巖和微風(fēng)化礫砂巖彈性模量根據(jù)地勘報(bào)告中描述的實(shí)際情況并參考文獻(xiàn)[1]確定。有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算模型

建模假定:假定試驗(yàn)爆孔平行鐵路線路方向布置，縱向所有爆孔無時(shí)差爆破；爆破前場(chǎng)地巖土體為彈性狀態(tài)；不考慮爆孔近場(chǎng)區(qū)域的塑性破壞；爆破場(chǎng)地模型邊界設(shè)定為阻尼邊界，無窮遠(yuǎn)場(chǎng)地全部吸收計(jì)算場(chǎng)地的振動(dòng)能量。

根據(jù)巖土動(dòng)力爆破數(shù)值計(jì)算實(shí)際要求，建立二維有限差分計(jì)算模型，同時(shí)將場(chǎng)地模型劃分為4個(gè)風(fēng)化巖層并設(shè)立A,B兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)化巖層分布與觀測(cè)點(diǎn)位置示意

4 計(jì)算過程及結(jié)果分析

將新建河道施工過程分為2個(gè)階段，采用FLAC二維有限元分析時(shí)階段間內(nèi)力和變形增量代數(shù)疊加。具體步驟：①初始應(yīng)力階段，模擬計(jì)算工程場(chǎng)地初始應(yīng)力狀態(tài)；②模擬計(jì)算河道未開挖，河堤未填筑初始爆破開挖階段；③模擬計(jì)算河道開挖、河堤填筑后爆破開挖階段。

爆破0.3 s后場(chǎng)地振速云圖見圖3。觀測(cè)點(diǎn)A，B水平與豎向振速時(shí)程曲線見圖4。

圖3 爆破0.3 s后場(chǎng)地振速云圖(m/s)

圖4 觀測(cè)點(diǎn)A,B水平與豎向振動(dòng)速度時(shí)程曲線(m/s)

從各爆破工況計(jì)算結(jié)果來看，鐵路路基振速有超過3 cm/s的,不能滿足GB 6722—2003要求。因此調(diào)整了計(jì)算工況，分述如下。

1)減少單孔爆破藥量

將最大單孔爆破藥量由83 kg調(diào)整為40 kg，爆破對(duì)巖體的沖擊能大幅減小。爆破0.2 s后觀測(cè)點(diǎn)A的最大振速約1.5 cm/s，觀測(cè)點(diǎn)B的最大振速約0.5 cm/s。

2)增加鐵路與控制爆破點(diǎn)間距

將最近控制爆破點(diǎn)向遠(yuǎn)離鐵路方向外移18 m左右，觀測(cè)點(diǎn)A的最大振速約2.1 cm/s，觀測(cè)點(diǎn)B的最大振速約0.6 cm/s。

各工況計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各工況計(jì)算結(jié)果

項(xiàng)目部根據(jù)咨詢意見，鄰近鐵路路基區(qū)域采取減少最大爆破藥量的方案，實(shí)施過程中觀測(cè)點(diǎn)A鐵路路基典型振速-時(shí)程曲線與工程咨詢分析結(jié)果相近。

5 結(jié)論與建議

1)采用原爆破方案施工，鐵路軌道的水平振速和豎向振速均超過3 cm/s,鐵路軌道個(gè)別測(cè)點(diǎn)最大振速為規(guī)范容許值的2.6倍，不能滿足鐵路設(shè)施安全控制要求。

2)鄰近鐵路側(cè)巖石爆破開挖時(shí)建議加大爆破開挖區(qū)與鐵路路基的距離，爆破點(diǎn)至鐵路路基邊線的距離應(yīng)不小于65 m。建議每孔爆破藥量控制在40 kg以內(nèi)，分多孔裝藥。

3)施工時(shí)，應(yīng)做好炮孔封孔，巖面采用筋笆和砂包覆蓋，在鐵路側(cè)搭建臨時(shí)的防護(hù)排架，防止爆破飛石損害鐵路器材和設(shè)施。

[1]水利水電科學(xué)研究院，水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，水利電力情報(bào)研究所.巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]劉世波，薛里，孫崔源，等.緊鄰運(yùn)營地鐵安全保護(hù)區(qū)基坑爆破振動(dòng)控制技術(shù)[J].鐵道建筑，2017,57(10):71-73.

[3]鄭明新，舒明峰，夏一鳴，等.爆破振動(dòng)對(duì)既有高速鐵路隧道襯砌動(dòng)力響應(yīng)的影響[J].鐵道建筑，2017,57(1):94-97.

[4]劉殿中，楊仕春.工程爆破實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]徐穎，宗琦新.地下工程爆破理論與應(yīng)用[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[6]張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2002.