隧道爆破施工對鄰近橋梁安全的影響

孟靈鑫 陳德云

( 溫州信達交通工程試驗檢測有限公司,浙江溫州 325000)

采用鉆爆法施工的隧道對周圍環(huán)境擾動較大,巨大的空氣沖擊波易對周圍環(huán)境造成破壞[12]。 很多學(xué)者對爆破振動進行了研究:H.Dowdin[3]通過建立地面結(jié)構(gòu)的單自由度模型,研究了地震和爆炸振動對建筑物的影響。 R.P.Dhaka[4]認為高頻振動作用下加速度大,響應(yīng)小;在低頻振動作用下,加速度小,但是響應(yīng)很大。 劉軍[5]等通過實測數(shù)據(jù)建立了爆破振動影響函數(shù)關(guān)系式。 以往研究方法多為基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立某種關(guān)系,進而進行理論預(yù)測[67]。 以下通過數(shù)值模擬,利用FLAC3D 有限差分軟件中的動力分析,研究金錢龍隧道施工爆破對鄰近高速公路下白巖橋的影響。

1 工程概況

金錢龍隧道進口位于浙江省永嘉縣黃田鎮(zhèn)上白巖村,出口位于甌北鎮(zhèn)安豐村,采用上、下行分離的隧道形式。 金錢龍隧道與現(xiàn)狀S10 溫州繞城高速公路下白巖橋水平凈距為147 m,隧道進口路面與下白巖橋面高差為5.67 m。 相對位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 金錢龍隧道與下白巖橋位置關(guān)系

2 隧道爆破理論分析

2.1 淺孔爆破參數(shù)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計資料,金錢龍隧道進口為Ⅴ級圍巖,主要為強-中風(fēng)化晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。

(1)進口斷面參數(shù)

斷面中心高9.83 m;斷面寬度為12.46 m;

(2)炮孔直徑(D)

選用直徑為40 mm 的鉆頭,則取孔徑D=40 mm。

(3)鉆孔深度(L)

根據(jù)經(jīng)驗公式,有

式中 L——鉆孔深度/m;

H——臺階高度/m;

α——鉆孔傾角/(°);

h——超深/m(超深公式h=(0.1 ～0.15)H,實際情況取h=0.1 ～0.5 m)。

依據(jù)設(shè)備能力、作業(yè)條件、邊坡坡度要求,選擇合適的鉆孔角度。 已知臺階高度為1.0 ～4.5 m,則取L=1.1 ～5.0 m。 施工時,應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整炮孔深度參數(shù),以確?？椎孜挥谠O(shè)計的臺階平面上。

(4)底盤抵抗線(W底)根據(jù)經(jīng)驗公式,有

在堅硬難爆的巖體中,或臺階高度H 較高時,計算時應(yīng)取較大的系數(shù)。

施工時一般取W底=0.8 ～1.5 m。

(5)標(biāo)準(zhǔn)單位炸藥消耗量(q)

根據(jù)本工程區(qū)內(nèi)巖石的性質(zhì)、構(gòu)造等因素,q 取0.4 kg/m3。 在實際操作過程中,應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)的改變及時進行必要的調(diào)整。

應(yīng)根據(jù)開挖臺階高度、抵抗線、巖石堅硬程度的不同,計算合理的裝藥量。 當(dāng)單位炸藥消耗量(q)為0.4 kg/m3時,可參考表1 進行參數(shù)選取。

表1 淺孔爆破參數(shù)(D=40 mm)

2.2 爆破振動對高速橋的理論影響分析

隧道洞口所穿越地層為Ⅴ級圍巖,根據(jù)《爆破安全操作規(guī)程》[13],取K=150,α=1.5。 最大單響藥量為13.5 kg,按Q = 20 kg 計算,爆破區(qū)距繞城高速約147 m,有v=0.5 cm/s,小于允許振速v=8 cm/s。

從理論上分析,隧道爆破對于高速公路橋梁無安全性影響。

3 爆破施工對既有建筑動力響應(yīng)的數(shù)值仿真分析

3.1 模型的建立

根據(jù)金錢龍隧道進口周圍建筑物(主要考慮繞城高速下白巖橋橋面及橋樁)的相對位置關(guān)系(如圖2)及隧洞與周圍建筑物的實際尺寸,運用FLAC3D 建立幾何模型。 模型尺寸為400 m×700 m×137 m,共 計718 604個單元。

圖2 金錢龍隧道入口幾何模型

本次數(shù)值計算中,假設(shè)巖體為均一、連續(xù)的彈性介質(zhì),采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則對本構(gòu)模型進行簡化,動力計算邊界條件采用粘滯邊界條件,模型的前后、左右、底部邊界均施加粘滯邊界條件,上邊界采用自由約束條件。 巖石主要力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石主要力學(xué)參數(shù)

3.2 爆破振動監(jiān)測點的布置

橋面監(jiān)測點分左右線布置,間隔25 m,左線布置監(jiān)測點14 個,右線布置監(jiān)測點5 個。 橋樁監(jiān)測點布置于中間橋樁,對橋樁中部、底端兩個位置進行監(jiān)測,監(jiān)測點編號與橋面編號方向相同。 左線監(jiān)測點共計2×14=28 個,右線監(jiān)測點共計2×5=10 個(如圖3)。

圖3 繞城高速下白巖橋橋樁

3.3 爆破荷載模擬

(1)爆破峰值荷載時間

爆破荷載以動力加載的方式進行模擬。 常用的加載方式有兩種:①按照炸藥爆轟理論計算炮孔壓力,直接將爆炸荷載作用于炮孔壁上;②利用經(jīng)驗公式計算動荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 考慮到隧道掘進爆破的質(zhì)量要求,爆破一般不會造成開挖區(qū)邊界的圍巖破裂(圍巖屬于彈性變形)。 因此,在隧道爆破振動效應(yīng)模擬中,多采用經(jīng)驗公式計算動荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 從形式上來看,三角形脈沖波動荷載是爆炸沖擊簡化荷載的一種延伸,常用的三角形脈沖波爆破動荷載峰值較小,一般假定加載時間為8 ～12 ms,卸載時間為40 ～120 ms,即卸載時間為加載時間的3 ～15 倍。

(2)爆破峰值荷載

在隧洞爆破施工過程中,第一段位炸藥爆破僅基于一個臨空面的條件,能量損失較小,而后續(xù)爆破時臨空面較多,能量損失較大,故一般情況下,第一段位炸藥爆破作用在圍巖上的能量最大,產(chǎn)生的地震波效應(yīng)也最大。 以下主要模擬掏槽孔爆破對既有隧洞的影響。

根據(jù)Hsin yu low,Hong hao[14]對現(xiàn)有眾多爆破荷載峰值公式的統(tǒng)計分析,爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax(開挖邊界)可采用經(jīng)驗公式求解,有

式中 Z——比例距離;

R*——爆心至荷載作用面的距離;

Q——炸藥量。

根據(jù)經(jīng)驗公式,對開挖邊界爆破荷載峰值進行估算[15]。 Ⅴ級圍巖隧道進口段采用預(yù)留核心土法施工:進尺1.2 m 左右,單段最大藥量為13.5 kg,R*采用等效面積法,取4.51 m,得Z=1.894, 荷載峰值Pmax=625 580.9 Pa。 爆破時程如圖4 所示。

圖4 爆破時程

(3)爆破阻尼

本次計算采用瑞利阻尼,根據(jù)經(jīng)驗,巖土體的阻尼比參數(shù)取0.5%,振動主頻取100 Hz。

3.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

數(shù)值計算中時間步長取0.001 s;共計算1 000步,計算時長為1 s。

(1)橋面數(shù)值仿真計算結(jié)果

隧道進口處爆破對繞城高速下白巖橋橋面影響云圖如圖5 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋面監(jiān)測點振動速度如圖6 所示。

圖5 對繞城高速下白巖橋橋面的影響云圖

圖6 左線橋面監(jiān)測點振動速度時程曲線

繞城高速下白巖橋右線橋面監(jiān)測點振動速度如圖7 所示。

(2)橋樁數(shù)值仿真計算結(jié)果

通過FLAC 數(shù)值模擬計算,隧道進口處爆破對繞城高速下白巖橋橋樁的影響如圖8 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁中部監(jiān)測點振動如圖9 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁下部監(jiān)測點振動速度如圖10 所示。

圖7 右線橋面監(jiān)測點振動速度時程曲線

圖8 對橋樁的影響云圖

繞城高速下白巖橋右線橋樁中部監(jiān)測點振動速度如圖11 所示。

繞城高速下白巖橋右線橋樁下部監(jiān)測點振動速度如圖12 所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知:

(1)爆破對繞城高速下白巖橋橋面產(chǎn)生的振速最大值為1.3 cm/s(左線)、 1.6 cm/s(右線),均處于安全設(shè)計振速(2.5 cm/s)以下。

(2)因承臺的固定作用,爆破對繞城高速下白巖橋橋樁中部和下部影響相對較小,爆破產(chǎn)生的振速不超過0.6 cm/s,遠小于安全設(shè)計振速(2.5 cm/s)。

4 數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析

選取了下白巖橋右線橋面3 個測點及3 個中下部橋樁測點進行現(xiàn)場監(jiān)測,以爆破振動速度的峰值來描述振動強度。 現(xiàn)場爆破振動峰值速度監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值

圖9 左線橋樁中部監(jiān)測點振動速度時程曲線

圖10 左線橋樁下部監(jiān)測點振動速度時程曲線

圖11 右線橋樁中部監(jiān)測點振動速度時程曲線

圖12 右線橋樁下部監(jiān)測點振動速度時程曲線

計算結(jié)果對比如表2。

表2 數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析

由表2 可知,數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

對下白巖橋橋面及橋樁的振動情況進行了數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實測,模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合。 從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)看,爆破振動速度均小于安全設(shè)計振速,爆破振動對下白巖橋安全影響不大,可通過控制炸藥量及優(yōu)化爆破參數(shù)保證其安全。