地鐵下穿既有鐵路橋的爆破動力響應(yīng)分析

于德海， 秦凱凱

(1.大連海事大學道路與橋梁工程研究所，大連 116026；2.云南省建設(shè)投資控股集團有限公司，昆明 650217)

地下空間的開發(fā)與利用，由于其特殊的地下環(huán)境，將會給工程帶來很大的難度與未知的破壞。尤其是在城市地鐵隧道工程中，隧道上部一般都是城市道路、房屋建筑以及立交橋等既有構(gòu)筑物，施工方法的選擇稍有失誤，就會造成不可估量的損失。爆破法在隧道工程中被廣泛應(yīng)用，但這種施工法由于爆破振動會對周圍建(構(gòu))筑物產(chǎn)生很大影響，嚴重者會造成塌方、傷亡等重大事故。因此，合理控制爆破開挖對構(gòu)筑物的影響已成為近接施工中急需解決的問題。

有關(guān)學者對隧道爆破振動效應(yīng)進行了研究。龔建伍等[1]對福州國際機場鶴上三車道小凈距隧道工程進行了研究，對小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載作用下的振動響應(yīng)進行了相關(guān)模擬與監(jiān)測，分析了振動波在不同級別圍巖、不同監(jiān)測位置的傳播及分布規(guī)律。張國華等[2]結(jié)合大帽山大斷面隧道群的數(shù)值模擬與聲波監(jiān)測的現(xiàn)場對比，研究了推進式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導坑法施工的大斷面隧道的圍巖累積損傷范圍。劉明高等[3]對國內(nèi)小凈距隧道的爆破現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)分析，認為其設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)主要在于小凈距隧道的合理凈距、爆破參數(shù)、施工方法、加固技術(shù)等。鄭大榕[4]對南京城市地鐵隧道的爆破開挖與振動控制進行了研究，詳細介紹了南京地鐵隧道工程施工中所采用的開挖方法，以及所采取的控制爆破振動措施，其經(jīng)驗可為同類工程提供借鑒。遲明杰等[5]結(jié)合爆破作用下微裂紋擴展機理的分析，將爆破振速耦合到裂紋損傷斷裂條件中，并給出了不同條件下巖溶區(qū)隧道爆破開挖安全控制的建議標準。這些研究者都是結(jié)合數(shù)值模擬從控制振速影響因素和振速在空間分布特性和衰減規(guī)律這兩方面來進行研究，而在實際工程中，通過振動速度的反饋分析研究各種爆炸性沖擊作用下如何有效地防護各種建筑物和構(gòu)筑物免遭嚴重破壞、最大限度地降低損失才是最能直觀體現(xiàn)工程價值的。為此，將振速與爆破振動影響的構(gòu)筑物結(jié)合起來，從數(shù)值模擬分析與實際工程研究中分析波的傳播規(guī)律及衰減特性，這是一項重要而現(xiàn)實的研究課題。綜上所述，由于大多數(shù)研究主要集中于隧道爆破施工過程中的影響因素[6-9]以及振速在空間的分布特性和衰減規(guī)律[10-12]，而對地鐵隧道爆破對既有構(gòu)筑物的影響效應(yīng)研究較少。因此，以大連地鐵2號線208標馬灣區(qū)間淺埋暗挖隧道下穿魏臺橋特殊地段為研究對象，通過三維有限元程序仿真模擬以及工程現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測對比，研究爆破振動對既有構(gòu)筑物的動力響應(yīng)問題，以便為工程實踐提供參考。

1 工程概況

大連地鐵2號線208標馬灣區(qū)間為下穿西部大通道高架橋及魏臺橋的淺埋隧道，線間距為13.513 m，區(qū)間隧道為馬蹄形斷面，礦山法施工。區(qū)間穿魏臺橋里程范圍長度為90 m，橋面寬度為22 m。橋下有5排橋樁，沿長度方向每排橋樁間距為15 m，沿寬度方向橋樁間距為6.5 m。隧道基巖為鈣質(zhì)板巖，從地面至隧道頂端的地層情況分別是雜填土、沖洪積層—粉質(zhì)黏土、硬塑狀殘積層—粉質(zhì)黏土、巖石強中風化層。隧道巖土體的物理力學參數(shù)根據(jù)試驗和已有資料進行確定，如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)

2 計算模型的建立

2.1 數(shù)值模型

計算模型中，隧道最大斷面直徑為6.5 m，縱向長度取30 m，兩隧道平均埋深取20 m，隧道間隔7 m；根據(jù)實際情況，橋梁模型寬度為22 m，長34 m，樁徑為1.2 m，橫向樁間距為6.5 m，縱向排樁間距為15 m。模型網(wǎng)格單元數(shù)為51 152個，節(jié)點數(shù)為12 047個，有限元模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

整個數(shù)值模擬分為靜力分析和動力分析兩部分。靜力分析時，前、后、左、右邊界條件設(shè)置為水平約束，模型的底部設(shè)置為固定端約束，模型的上表面為地表，設(shè)置為自由邊界。進行動力分析時，去除靜力分析模型的原有靜力邊界條件，并且施加黏性邊界和自由場邊界條件。

2.2 阻尼比

為了定義黏性邊界，需要計算相應(yīng)的阻尼比，其計算公式為

(1)

(2)

式中：λ為體積彈性系數(shù)，kN/m2；G為剪切彈性系數(shù)，kN/m2；E為彈性模量，kN/m2；ν為泊松比；A為截面積，m2，ρ為密度，kg/m3；W為質(zhì)量，kg。

2.3 爆破荷載

在動力分析中，采用人工計算爆破荷載來模擬，每1 kg的爆破荷載為

(3)

(4)

式中：Pdet為爆破壓力，Pa；PB為孔壁面上的壓力，Pa；Ve為爆破速度，m/s；dc為火藥直徑，mm；dh為孔眼直徑，mm；Sg為密度。

這里不僅決定了爆破時發(fā)生的空氣動壓力的大小，而且也說明實際作用在孔壁上的動壓力隨時間的變化狀態(tài)。

利用有關(guān)時程的Statfield動壓力方程表示每1 kg裝藥量的動壓力。

(5)

式(5)中：B=16 338，是荷載常數(shù)。

在實際工程中，取單孔最大裝藥量來模擬其最大影響效應(yīng)。由此計算出爆破動力荷載PD(t)曲線，如圖2所示。

圖2 模擬爆破荷載Fig.2 Simulation of blasting load

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 爆破對土體及構(gòu)筑物的影響分析

越來越多的工程實踐和監(jiān)測成果表明，爆破振速對建筑物的安全有著很重要的影響。為了更好地與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，本次模擬的振速結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，爆破荷載在土體內(nèi)部傳播時，為圓環(huán)形向外輻射傳播，隧道壁受爆破沖擊荷載產(chǎn)生的最大振速為10×10-2m/s，符合GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中的安全允許標準。在爆破振速波到達地表構(gòu)筑物后，其傳播頻率受結(jié)構(gòu)自有頻率的影響出現(xiàn)差異性衰減趨勢，由云圖還可以看出，爆破地震波振動速度峰值在距爆源較近區(qū)域的衰減速度遠大于爆源遠區(qū)，同時沿深度方向的衰減速度大于水平方向。工程中最為關(guān)注的橋梁結(jié)構(gòu)模擬最大振速出現(xiàn)在75 ms時，最大振速為1.97×10-2m/s。

此外，爆破對周圍土體及構(gòu)筑物產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D4、圖5所示。由圖可知，在爆破力達到峰值時，開挖隧道最大拉應(yīng)力為-0.907×102kN/m2。隨著振動的傳播，隧道上部、右側(cè)及上部構(gòu)筑物也開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，且應(yīng)力值逐漸減小。當振動傳播到上部結(jié)構(gòu)時，橋樁最先出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力值較大，在爆破隧道壁下部及橋樁處易出現(xiàn)塑性區(qū)，在現(xiàn)場施工中應(yīng)注意其受力及變形。

3.2 爆破對襯砌及樁的影響分析

爆破對襯砌及樁的影響模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，最先受到爆破振動擾動的結(jié)構(gòu)物為距離爆源最近的右側(cè)隧道襯砌，且隨著爆破卸載波的釋放，對襯砌的擾動范圍逐漸擴大，且最大振速出現(xiàn)在爆源側(cè)X方向拱腰位置，最大振速為2.01×10-2m/s。對樁的影響表現(xiàn)為在10 ms時爆源最上方的樁受到爆破振動波擾動產(chǎn)生振動，樁受到的最大振速峰值為1.64×10-2m/s，隨著爆破地震波的傳播，受振動影響的樁增多，振速逐漸減小。且在圖中90 ms時刻，爆源上方樁的最大振速峰值又增大為1.56×10-2m/s，即兩次出現(xiàn)振速峰值，這說明爆破沖擊波有比較強烈的多次反射性。在波的多次反射中，并不是只有距離爆源最近的樁容易出現(xiàn)振速峰值，當波在結(jié)構(gòu)中反射時，距離爆源較遠距離的樁有時也會出現(xiàn)振速峰值，因此，在具體施工中，需要對整個橋結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測分析，尤其對舊橋結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)或應(yīng)力集中處應(yīng)進行加固保護措施。

3.3 不同深度處爆破振速波形的分析

在地基及構(gòu)筑物上選取監(jiān)測點，觀測其振速數(shù)值并與實測值對比，如圖7所示。在隧道正上方布設(shè)4個監(jiān)測點，按照網(wǎng)格節(jié)點進行編號，分別為11 420、3 336、3 643、3 603，對應(yīng)數(shù)值圖中的綠色、粉色、藍色、橙色點。

由定點監(jiān)測數(shù)值分析可知，不同位置處的監(jiān)測點其振速達到峰值的時間與峰值大小均不同。由圖7可以看出，越靠近爆源附近，監(jiān)測點的振動越早達到峰值，且振速峰值越大。說明越靠近爆源，其受振動波的擾動越明顯，但其振動衰減也較快。其中點11 420為橋面Z向振速監(jiān)測值，為1.1×10-2m/s，與實際Z向監(jiān)測值0.98×10-2m/s對比可見，模擬值與實測值基本相符。

圖3 爆破模擬結(jié)果Fig.3 Blasting simulation results

圖4 最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Maximum principal stress nephogram

圖5 應(yīng)變云圖Fig.5 Strain nephogram

圖7 定點Z向振速波型監(jiān)測Fig.7 Z vibration velocity wave type of monitoring

圖8、圖9分別為實測的V值振速(水平振速)和Z值振速(垂直振速)。實測的Z值振速出現(xiàn)在38 ms時，最大振速為1.05 cm/s，比模擬振速小0.92 cm/s，原因可能為實測測點與爆源存在50 m左右的距離。既有隧道的最大振速出現(xiàn)在10 ms時的靠近爆源側(cè)的隧道壁，最大振速為2.75 cm/s，說明近距離爆破會對既有隧道襯砌安全產(chǎn)生很大影響，在實際工程中需增加襯砌厚度。

圖8 V值振速Fig.8 V vibration velocity

圖9 Z值振速Fig.9 Z vibration velocity

4 結(jié)論

通過三維有限元程序仿真模擬以及工程現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測對比，探討了爆破地震波的傳播特性、衰減規(guī)律以及振動波對開挖隧道周圍土體及既有隧道襯砌、橋梁結(jié)構(gòu)等的動力影響效應(yīng)。得到如下結(jié)論。

(1)爆破地震波振動速度峰值在距爆源較近區(qū)域的衰減速度遠大于爆源遠區(qū)，同時沿深度方向的衰減速度大于水平方向。

(2)近距離爆破會對既有隧道襯砌安全性產(chǎn)生很大影響，需采用相應(yīng)的措施來減小爆破振動對既有隧道襯砌的擾動。根據(jù)分析結(jié)果顯示，既有隧道的薄弱區(qū)為迎爆側(cè)拱腰部位，在此處應(yīng)增大襯砌厚度，可以在一定程度上減小振速，但X方向上的最大應(yīng)力卻基本不變。

(3)構(gòu)筑物中樁及襯砌的振速峰值出現(xiàn)了兩次或多次峰值，這說明爆破沖擊波有比較強烈的多次反射性。

(4)在定點監(jiān)測數(shù)值分析中顯示，距離爆源豎向不同深度處的監(jiān)測點其振速達到峰值的時間與峰值大小均不同，越靠近爆源，其峰值越大且達到峰值的時間越短。