隧道爆破荷載作用下埋地管道動力響應試驗

何 理，張 微，鐘冬望，吳 拓，夏志杰，李 鵬，李騰飛

(1.武漢科技大學冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學湖北省重點實驗室，武漢 430065；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

地鐵作為現(xiàn)代化的城市軌道交通方式，已逐漸成為世界各國解決城市交通擁堵問題的重要舉措之一?！笆濉币?guī)劃以來，中國經(jīng)濟繼續(xù)快速發(fā)展，全國己有22個城市修建了95條地鐵，預計到2020年全國地鐵總里程將達6 000 km，中國地鐵迎來了建設和發(fā)展的新高潮[1]。城市地鐵隧道的快速發(fā)展，給居民生活帶來了便利，同時地鐵隧道爆破施工過程也對鄰近埋地管線、建(構(gòu))筑物的安全造成了負面影響[2-3]，大量近現(xiàn)代強烈地震的震害實例分析表明：埋地管道在地震中極易遭受破壞，并且損壞后不易迅速修復，造成相應的生命線工程系統(tǒng)的功能性破壞甚至整個系統(tǒng)的癱瘓，并極大可能由之引發(fā)各種地震次生災害，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，加強城市地鐵隧道爆破地震荷載作用下埋地管道動力響應規(guī)律研究，分析爆破地震波作用下管道的變形特征，以便提出合理、可行的安全防震措施，具有重要的理論價值及工程實際意義。為此國內(nèi)外學者已開展了廣泛的研究工作。T. E. B. Vorster等[4-5]結(jié)合室內(nèi)模型試驗，揭示了隧道施工對埋地管道形變及力學特性的影響規(guī)律；劉曉強等[6]、魏綱等[7]、WANG等[8]、ZHANG等[9]分別采用能量變分法、Peck 公式法、Winkler 地基梁法及DCBEM-FEM 耦合法對管道的位移進行了理論分析與預測；王邵君[10]、賈瑞華[11]等通過數(shù)值計算方法對管道的變形與力學特性進行了深入的研究。但上述研究中的隧道施工方法多為盾構(gòu)法及淺埋暗挖法，然而城市地鐵隧道工程地質(zhì)條件復雜多樣，例如在青島、大連、武漢等巖質(zhì)地區(qū)，在綜合考慮安全、技術及資金等因素的情況下，鉆孔爆破法成為地鐵隧道施工的首選[12]。然而，現(xiàn)階段針對隧道鉆爆法施工對鄰近埋地管道振動響應、受力與變形特征、管-土相互作用機制及其破壞機理的相關研究仍然不足，對于爆破地震波作用下管道的附加約束力及受力計算與分析、安全判據(jù)指標及其控制與保護方案制定等方面均鮮有成果見諸報道，而且研究方法也都局限于現(xiàn)場試驗[13-15]與數(shù)值模擬[16-18]。

為此，針對爆破地震波對埋地管道影響的研究現(xiàn)狀，開展隧道爆破對鄰近埋地管道影響的模型試驗研究，解析地鐵隧道爆破地震波的傳播衰減機制，并構(gòu)建地表質(zhì)點的振動速度預測模型；同時研究爆破振動對鄰近埋地管道動力響應影響規(guī)律，揭示不同材質(zhì)管道的振動特性，以期為埋地管道的抗振優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。

1 模型試驗

1.1 材料

1)圍巖材料。由于實際工程中，使用鉆爆法對地鐵線路開挖過程中所遇圍巖往往復雜多變，完整精確地再現(xiàn)實際工況十分困難，因此在模型試驗的過程中，選取具有代表性的巖體進行相似材料的制作，實現(xiàn)物理性質(zhì)和實際工程地質(zhì)的相似。在模擬圍巖的材料制作中，以碎石為骨料，水泥為凝膠材料，以砂子和黃沙作為容重調(diào)配劑，混凝土相似材料各成分質(zhì)量比如表1所示。

表1 圍巖材料質(zhì)量比

2)埋地管道。本次試驗以與地鐵隧道開挖方向平行的埋地PVC管和鋼管為研究對象，對地鐵隧道爆破荷載作用下鄰近埋地管道的動力響應進行研究和探索。選用埋地PVC管和鋼管直徑D=4 cm，壁厚δ=1 mm，長度l=80 cm(見圖1)。埋地鋼管和PVC管物理力學參數(shù)如表2所示。

圖1 埋地管道Fig.1 Buried pipeline

表2 管道物理力學參數(shù)

3)制作模擬藥包。在實際工程中，每次爆破的藥量相較于試驗大很多，工業(yè)炸藥臨界直徑較大，在幾何相似原則約束下，模型炮孔孔徑往往很小，不能滿足工業(yè)炸藥的爆轟要求，因此模型試驗中采用單發(fā)導爆管雷管和太安炸藥組合的方式制作藥包。由文獻[19-20]可知，單發(fā)導爆管瞬發(fā)雷管TNT當量為1.07 g，太安炸藥的TNT當量系數(shù)為1.28。

4)地鐵隧道。在實際施工過程中，隧道的建設和支護較為復雜，涉及到較多的施工工序和材料，在本次模型試驗過程中，主要考慮隧道鉆爆法開挖對埋地管道的影響，隧道的支護材料按照工程要求，選取直徑D=10 cm、壁厚δ=3 mm、長度l=40 cm的不銹鋼鋼管進行模擬。

5)邊界條件。在實際工程條件中，邊界條件一般相比與模型試驗的邊界條件更為復雜，為保證最小抵抗線要求和穩(wěn)定的邊界條件，制作的圍巖尺寸必須較大，整體試驗模型的邊界為盡可能真實的模擬實際狀況的邊界條件，在模型四周加裝4塊10 mm厚鋼板，鋼板與模型實體之間接觸，通過安裝3 mm厚橡膠墊完成，相鄰鋼板通過4根鐵絲連接，并扭緊鐵絲給模型施加預應力[21]。

1.2 試驗裝置

采用制作的模型箱體，利用混凝土代替圍巖進行模擬，土層采用與工況相似的黏土進行模擬，并將管道埋入預定位置。試驗裝置如圖2所示。埋地鋼管和PVC管道與地鐵隧道空間布局如圖3所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 The test device

圖3 埋地管道和地鐵隧道空間布局Fig.3 Spatial layout of buried pipelines and metro tunnel

埋地PVC管及鋼管上應變片及加速度傳感器測點布置如圖4所示。應變片粘貼前先使用酒精擦拭測點表面，待酒精揮發(fā)干燥后使用502膠水將應變片平鋪貼合牢固，并做好應變片及其引出線防水處理。

圖4 應變及加速度測點布置Fig.4 Layout of strain and acceleration measurement points

1.3 加載方式

為模擬不同藥量爆破對埋地管道的影響，使用單發(fā)導爆管雷管或單發(fā)導爆管雷管加少量太安炸藥的自制藥包，試驗前將藥包放入圖2和圖3所示的預制炮孔中并接入連接線，通過起爆器起爆雷管來模擬地鐵隧道爆破，進而監(jiān)測地表振動特性及埋地管道的動力響應。

2 試驗數(shù)據(jù)

2.1 應變與加速度

不同炸藥量情況下埋地管道各測點處應變及加速度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 應變及加速度數(shù)據(jù)

2.2 振動速度

地表各測點處振動速度數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 振動速度數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 地表振動速度分析

當爆破地震波在巖土體中傳播時，地震波的衰減耗散受多個因素的影響[22]。本文選取單響最大藥量Q、爆源深度H、巖體縱波速度Cp、爆心距R、巖體彈模E、泊松比μ、密度ρ作為影響振動速度v的主要因素，各變量量綱如表5所示。

表5 各變量量綱

注：M為質(zhì)量量綱，L為長度量綱，T為時間量綱。

各變量的關系為

v=F(Q，H，Cp，R，E，μ，ρ)

(1)

式(1)中，共8個變量，3個基本量綱(M、L、T)，根據(jù)白金漢π定理選取Q、H、Cp為獨立變量[23]，則獨立變量Q、H、Cp滿足：

(2)

由此可建立5個無量綱變量

(3)

將式(3)代入式(1)可以得到

(4)

針對某爆破開挖工程，場區(qū)巖體地質(zhì)屬性E、μ、ρ及Cp均為常量，由此可推導出速度的相似準數(shù)方程為

(5)

式中：k為與地質(zhì)條件相關的系數(shù)；α6為質(zhì)點振速峰值衰減指數(shù)；β6為隧道爆破震源深度影響系數(shù)。

結(jié)合爆破振動預測的薩道夫斯基經(jīng)典公式與式(5)對表4中振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸擬合分析，擬合曲線的相關性系數(shù)對比情況如表6所示。

表6 振動速度預測精度對比

通過表6可以看出，構(gòu)建的地表質(zhì)點振動速度預測模型，擬合曲線的相關性系數(shù)在3個方向上均比經(jīng)典的薩道夫斯基公式高，預測精度良好。這說明式(5)用于隧道爆破時地表質(zhì)點振動速度峰值預測切實可行。

3.2 埋地管道加速度分析

由表3中不同藥量情況下管道加速度數(shù)據(jù)可以看出，隨著藥量的增加，埋地管道加速度響應值也增加。相同地鐵隧道爆破參數(shù)情況下，埋地鋼管加速度響應程度比PVC管更為劇烈。相同藥量及爆心距情況下，埋地鋼管加速度峰值是PVC管加速度峰值的1.5～1.8倍，分析其原因主要是因為鋼管彈性模量遠大于PVC管彈性模量，故其整體剛度較大，因此可緩解振蕩變形在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播耗散。同時，由于隧道“空洞效應”，致使埋地PVC管和鋼管在成洞區(qū)一側(cè)的加速度較非成洞區(qū)一側(cè)的大，在埋地管道抗震優(yōu)化設計時需重點關注下方有空洞區(qū)的管道安全。

3.3 埋地管道動應變分析

由表3中應變數(shù)據(jù)看出，埋地PVC管在同一測點處的環(huán)向應變大于軸向應變，與文獻[24]研究結(jié)論相一致，且相同測點處PVC管應變值較鋼管大，主要是因為在比例距離較小時，埋地PVC管受爆炸波局部沖擊的作用，其抵抗變形破壞能力變?nèi)?，管道原截面形狀發(fā)生改變，局部變形特征明顯。

由于鋼管彈性模量遠大于PVC管，導致相同爆破荷載作用下其應變響應較小，因此在試驗小藥量情況下，埋地鋼管的多個應變測點并未采集到有效的應變值。通過應變數(shù)據(jù)可以得到，當埋地鋼管和PVC管比例距離分別小于117 m/kg和263 m/kg時，才能監(jiān)測到有效應變值。

4 結(jié)論

1)基于量綱分析理論的振動速度預測模型預測精度高，用于隧道爆破時地表PPV預測切實可行。

2)相同爆破荷載作用下，埋地鋼管加速度響應程度更為劇烈，是PVC管加速度峰值的1.5～1.8倍；由于隧道“空洞效應”，致使埋地PVC管和鋼管在成洞區(qū)一側(cè)的加速度較非成洞區(qū)一側(cè)的大，在埋地管道抗震優(yōu)化設計時需重點關注下方有空洞區(qū)的管道安全。

3)在相同測點處，埋地PVC管環(huán)向應變大于軸向應變，且大于鋼管應變值。試驗條件下，當埋地鋼管和PVC管比例距離分別小于117 m/kg和263 m/kg時，可有效監(jiān)測到應變響應值。