淺埋區(qū)間隧道爆破振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響分析

錢 陽，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，地下鐵道以其方便快捷、安全舒適、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外大都市被大量興建[1]。地鐵在修建過程中難免穿越?jīng)_溝回填段地層，區(qū)間隧道下穿回填段施工環(huán)境極為復(fù)雜，需要采取一定的措施規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于淺埋區(qū)間隧道，一般采用鉆爆法施工，爆破施工振動(dòng)可能危及周邊結(jié)構(gòu)物的安全[2-3]。在爆區(qū)的一定范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起地表和建/構(gòu)筑物不同程度的破壞，研究既有建/構(gòu)筑物在爆破過程中的力學(xué)響應(yīng)就顯得十分重要[4-5]。

Lu等人[8]采用LS-DYNA有限元程序建立模型，研究了機(jī)場(chǎng)下穿隧道爆破開挖對(duì)跑道的振動(dòng)影響，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最終確定了爆破振動(dòng)影響下的跑道安全閾值。張鵬[6]以樂廣高速某隧道下穿高壓鐵塔為例，研究了淺埋隧道爆破施工時(shí)爆破振動(dòng)波對(duì)鐵塔塔基的動(dòng)力影響，得出了塔基振速和沉降在不同爆心距時(shí)的變化規(guī)律。

本文結(jié)合重慶軌道交通十號(hào)線中央公園站-中央公園西站區(qū)間隧道下穿典型回填土地層實(shí)際工程，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求和爆破施工特點(diǎn)，采用LS-DYNA軟件建立三維模型，研究隧道爆破過程中，掏槽眼對(duì)臨近建筑物和隧道初期支護(hù)的振動(dòng)影響，進(jìn)而選擇合理的爆破參數(shù)和爆破方式，為相關(guān)工程提供借鑒與參考。

1 工程概況及爆破控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工程概況

重慶軌道交通十號(hào)線中央公園站-中央公園西站區(qū)間起訖里程為K39+231.45～K40+082.78，全長(zhǎng)851.33 m，隧道穿越回填土區(qū)域，圍巖等級(jí)為V級(jí)，拱頂埋深18～29 m，軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高302.924～280.495 m，縱坡-0.2%～-3.94 %。區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段斷面為曲墻圓拱形式，洞跨為6.80 m，洞高為7.05 m，采用鉆爆法進(jìn)行全斷面開挖，開挖面積約為62.7 m2。

該區(qū)間線路沿同茂大道敷設(shè)，小里程端兩側(cè)為中央公園，現(xiàn)場(chǎng)地貌圖如圖1所示。在同茂大道兩側(cè)有燃?xì)?、電力、給排水等管線，埋深一般小于3 m。線路兩側(cè)有建筑物分布，且線路下穿廣場(chǎng)框架橋，隧道拱頂距框架橋樁基底部?jī)H17 m，空間距離較近，隧道爆破施工對(duì)既有建筑物影響較大。線路附近既有建筑物如圖2所示。

圖1 中央公園站-中央公園西站區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)地貌

圖2 區(qū)間隧道附近既有建筑物

1.2 爆破控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，各類建筑物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

建筑物的安全允許質(zhì)點(diǎn)振速與建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素有關(guān)。本文基于GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定，同時(shí)考慮圍巖參數(shù)和周邊建筑物與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，給出了框架橋樁基和隧道初期支護(hù)的振速安全判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其最大臨界振速分別為1.0 cm/s和4.25 cm/s。

表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

在隧道爆破時(shí)，掏槽孔爆破造成的地震效應(yīng)通常最為強(qiáng)烈[7]。本文采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元程序模擬爆破過程，研究掏槽孔爆破對(duì)建筑物樁基和隧道初期支護(hù)的振動(dòng)影響。

(a) 整體模型

(b) 初期支護(hù)及炮孔布置圖示圖3 三維模型示意

建模采用cm-g-μs單位制，所有單元均為Soild164實(shí)體單元。建立的三維模型圖3所示，框架橋樁基底部距離隧道初期支護(hù)拱頂1 700 cm，兩者相互影響較大。炮孔直徑為4.2 cm，采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)。模型中除上表面、隧道掌子面和初期支護(hù)表面為自由邊界外，其余邊界均為無反射邊界。

將獨(dú)立樁基單獨(dú)建立模型，樁基按3×3平面布設(shè)(按線性排布)。樁頂和樁底編號(hào)如圖4所示。初期支護(hù)監(jiān)測(cè)單元編號(hào)如圖5所示。

圖4 樁基布置及編號(hào)

圖5 初期支護(hù)測(cè)點(diǎn)圖示意

2.2 計(jì)算材料及參數(shù)

計(jì)算模型中主要包含圍巖、初期支護(hù)、框架橋樁基和炸藥四種材料。圍巖材料選取本構(gòu)為塑性動(dòng)力學(xué)模型，關(guān)鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該材料模型為各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型。初期支護(hù)和框架橋樁基采用*MAT_ELASTIC彈性材料模型。乳化炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料進(jìn)行模擬。計(jì)算材料主要物理力學(xué)參數(shù)如表2～表4所示。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 初期支護(hù)和樁基物理力學(xué)參數(shù)

表4 炸藥材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究回填土淺埋區(qū)間隧道爆破對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物的影響，分別對(duì)爆破進(jìn)尺為0.5 m和1 m兩種工況下的掏槽眼爆破對(duì)樁基和隧道初期支護(hù)的振動(dòng)影響進(jìn)行分析，從而確定合理的爆破施工參數(shù)。

3.1 掏槽眼爆破對(duì)樁基振動(dòng)效應(yīng)分析

八個(gè)掏槽眼同時(shí)起爆，由于不存在臨空面，因此爆破引起的樁體質(zhì)點(diǎn)振速較大。通過有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析，可以得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處的水平(X)、豎向(Y)、開挖方向(Z)最大峰值振動(dòng)速度(表5)。

表5 各樁基監(jiān)測(cè)點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)峰值振速

分析表5中的數(shù)據(jù)，兩種工況下，掏槽孔爆破引起的樁基質(zhì)點(diǎn)峰值振速均未超過1 cm/s，最大值為1 m進(jìn)尺時(shí)H樁基頂部在Y方向振動(dòng)速度0.91 cm/s，說明兩種開挖進(jìn)尺時(shí)均可保證樁基的安全。

爆破對(duì)中間樁(B、E、H樁)的振動(dòng)影響大于兩側(cè)樁(A、C、D、F、G、I樁)，是由于在爆破過程中，中間樁距離爆源最近，其在爆破時(shí)振動(dòng)響應(yīng)較強(qiáng)烈。在施工中應(yīng)著重考慮爆破對(duì)中間樁的影響。

樁頂Y向振速大于樁底振速，而X、Z方向反之，說明由于地表自由面的存在導(dǎo)致Y方向應(yīng)力波反射疊加，使得樁頂在Y向振動(dòng)響應(yīng)有放大作用，同時(shí)樁頂質(zhì)點(diǎn)在Y方向振動(dòng)速度普遍大于其在X、Z方向振速也驗(yàn)證了此現(xiàn)象。

3.2 掏槽眼爆破對(duì)初期支護(hù)振動(dòng)效應(yīng)分析

通過有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析，提取初期支護(hù)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的水平(X)、豎向(Y)、開挖方向(Z)最大峰值振動(dòng)速度(表6)。

表6 初期支護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)峰值振速

分析表6中的數(shù)據(jù)，工況一下掏槽孔爆破引起的初期支護(hù)質(zhì)點(diǎn)峰值振速均未超過4.25 cm/s，而工況二下質(zhì)點(diǎn)最大峰值振速為5.34 cm/s，大于臨界標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞，影響施工安全，因此隧道爆破開挖不適合1 m進(jìn)尺。

對(duì)比兩種工況，工況二的質(zhì)點(diǎn)峰值振速大于工況一，是由于開挖進(jìn)尺增大，掏槽孔裝藥量增加，說明鄰近建/構(gòu)筑物的質(zhì)點(diǎn)振速隨著單響藥量的增加而增大。

初期支護(hù)不同位置處的質(zhì)點(diǎn)受隧道爆破振動(dòng)的影響各不相同，實(shí)際工程中應(yīng)選取具有代表性的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以全面反映爆破對(duì)初期支護(hù)的影響。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)回填區(qū)淺埋區(qū)間隧道掏槽孔爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)爆破進(jìn)尺為0.5 m和1 m兩種工況下樁基和隧道初期支護(hù)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)爆破振動(dòng)對(duì)初期支護(hù)的影響要大于框架橋樁基的影響，爆破進(jìn)尺的選取主要由爆破對(duì)初期支護(hù)的影響來決定。

(2)通過不同爆破進(jìn)尺的數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，從施工方法和材料參數(shù)選擇方面考慮，重慶軌道交通十號(hào)線中央公園站-中央公園西站區(qū)間隧道宜采用0.5 m的爆破進(jìn)尺進(jìn)行施工。

(3)爆破振動(dòng)對(duì)中間樁(B、E、H樁)的影響最強(qiáng)烈，實(shí)際施工中，應(yīng)對(duì)中間樁基進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

(4)自由面的存在會(huì)導(dǎo)致其法線方向應(yīng)力波產(chǎn)生反射疊加效應(yīng)，使得附近質(zhì)點(diǎn)在該法線方向的振速增大。

(5)爆破對(duì)初期支護(hù)影響最大的是Z方向(開挖方向)振速，爆破進(jìn)尺越大，振動(dòng)速度越大。