新建隧道下穿既有鐵路結(jié)構(gòu)爆破振動影響分區(qū)及減震優(yōu)化

石偉民，何方，陳士海，揭海榮，李海波

(1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350013；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵隧道通過下穿既有鐵路爆破施工的案例增多，因新建隧道與上部鐵路結(jié)構(gòu)地層聯(lián)系緊密，導(dǎo)致隧道爆破開挖的難度加大，不合理的爆破施工會增加施工成本，影響作業(yè)進(jìn)度，嚴(yán)重時可能引發(fā)鐵路結(jié)構(gòu)的工程事故.

學(xué)者對炸藥量、延時間隔、裝藥結(jié)構(gòu)等爆破參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的減震研究.劉江超等[5]從應(yīng)力、振速變化、動態(tài)損傷及爆后粉塵等角度對藥柱上部、兩端、下部水間隔3種不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，得出兩端裝藥是工程爆破的最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)；鄭炳旭[6]為減小炸藥單耗的資源浪費(fèi)，采用Kuz-Ram數(shù)學(xué)模型建立控制礦石大塊率的炸藥單耗預(yù)測模型，并將邊坡的預(yù)裂爆破改為緩沖爆破，達(dá)到爆破效果的同時，減少炸藥的使用量；申濤等[7]引入JH-Ⅱ型巖石動態(tài)損傷模型，采用數(shù)值計算方法比較傳統(tǒng)藥包爆破與切縫藥包法產(chǎn)生的振動峰值速度和圍巖損傷情況，指出切縫藥包法產(chǎn)生的振速小且圍巖受損輕；葉海旺等[8]結(jié)合時序控制預(yù)裂爆破參數(shù)的優(yōu)化，得出孔徑為42 mm的時序控制預(yù)裂爆破，合理起爆最佳延時為75～100 μs；溫廷新等[9]提出通過爆破參數(shù)優(yōu)化遺傳算法與極限學(xué)習(xí)機(jī)結(jié)合的方法(GA-ELM)預(yù)測拋擲爆破模型，最終預(yù)測的爆堆曲線接近真實(shí)爆堆曲線，有效降低了拋擲剝離成本，減少了振動的影響.

上述對爆破振動傳播規(guī)律的研究多采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合和理論分析預(yù)測，對于爆破振動影響進(jìn)行分區(qū)后是否要進(jìn)一步優(yōu)化并未明確考慮.目前，對于隧道下穿鐵路爆破振動影響分區(qū)的研究并不多，且下穿鐵路爆破開挖時產(chǎn)生地震波所傳遞的能量對鐵路結(jié)構(gòu)有顯著的影響，爆破參數(shù)的合理性需要進(jìn)行優(yōu)化論證.因此，本文針對新建隧道下穿既有鐵路施工產(chǎn)生的爆破振動規(guī)律開展研究.

1 工程概況

1.1 位置關(guān)系

廈門地鐵3號線創(chuàng)業(yè)安兜區(qū)間隧道是單洞單線馬蹄形隧道，左線起止里程為DK9+546.773～DK10+085.000 m，長為538.227 m；右線起止里程為DK9+546.773～DK10+086.000 m，長為539.227 m；隧道洞徑6.2 m，區(qū)間左、右線間距16.5 m，新建隧道與既有鷹廈鐵路線呈現(xiàn)空間下穿，交叉處夾角達(dá)到83°，隧道拱頂與鐵路路基豎向高度約為15.1 m，鷹廈鐵路為路基-擋墻式鐵路結(jié)構(gòu)形式.新建隧道與既有鐵路的位置關(guān)系，如圖1所示.

圖1 新建隧道與既有鐵路的位置關(guān)系

1.2 施工方案

距鐵路中心線DK9+855.542 m左右各38.8 m范圍內(nèi)樁段采用靜態(tài)破碎開挖；距離鐵路中心線38.8 m外樁段采用區(qū)間線路封鎖的控制爆破施工，主要采用上下臺階法分部開挖.施工方案示意圖，如圖2所示.

圖2 施工方案示意圖

2 爆破振動試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

為掌握爆破沿隧道縱向的傳播變化規(guī)律和對上部鐵路結(jié)構(gòu)的振動影響，在隧道爆破開挖初期，對隧道右洞上臺階進(jìn)行5次試爆試驗(yàn)，每次爆破開挖進(jìn)尺均為2 m.右洞上臺階爆破試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示.

表1 右洞上臺階爆破試驗(yàn)參數(shù)

2.2 測點(diǎn)布置

由于鐵路結(jié)構(gòu)為路基-擋墻形式，重點(diǎn)監(jiān)測和保護(hù)對象是上部鐵路結(jié)構(gòu)，且測振儀傳感器無法直接布置于鐵路軌道上，測振接收器也要防止外界干擾，因此，在鐵路擋墻(DK9+859.542 m，測點(diǎn)1)、89#接觸桿(DK9+858.042 m，測點(diǎn)2)及88#接觸桿(DK9+853.042 m，測點(diǎn)3)處放置3臺L20-N型爆破測振儀(圖3).測振儀全天候自動監(jiān)測并接收爆破振動波和記錄爆破時刻.測點(diǎn)布置情況，如圖4所示.

圖3 L20-N型爆破測振儀 圖4 測點(diǎn)布置情況

2.3 爆破試驗(yàn)結(jié)果

測點(diǎn)1～3的爆破振速最值曲線，如圖5所示.圖5中：vmax為鐵路振速最大值；n為爆破次數(shù).由圖5可知：在掌子面后方先后爆破的10 m范圍內(nèi)，比較第1，2次及第3，5次試爆，改變掏槽孔藥量，振速最大值顯著改變，即掏槽孔藥量與振速最值呈明顯的正相關(guān)；比較第4，5次試爆，保持掏槽孔藥量相同，改變爆破延時間隔，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ某掷m(xù)時間tc大于炮孔延時間隔tk時，會引起波形的疊加，結(jié)合本次試爆的振速，當(dāng)?shù)卣鸩ǔ掷m(xù)時間為110～200 ms，炮孔延時間隔為30～50 ms時，則會引起波形的疊加效應(yīng).考慮到波的疊加效應(yīng)可能是疊加或消減，因此，需要通過數(shù)值分析計算得到較合理的爆破延時方式.

(a)測點(diǎn)1 (b)測點(diǎn)2 (c)測點(diǎn)3

3 下穿鐵路爆破振動影響分區(qū)

3.1 下穿鐵路爆破振動影響分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動產(chǎn)生位移(u)可以用質(zhì)點(diǎn)位移解[12]表示，即

u=AR-2+BR-1.

(1)

式(1)中：A，B為權(quán)重參數(shù)[13]；R為爆源與測點(diǎn)距離，當(dāng)距離爆源較近的區(qū)域時，R-1

一般情況下，A，B的具體數(shù)值很難得到[14].為求得一般意義上的數(shù)值解析，同時也便于探究距離變化下的爆破衰減規(guī)律，將實(shí)際距離轉(zhuǎn)換為比例距離進(jìn)行處理，比例距離定義為

(2)

式(2)中：Q為炸藥量，當(dāng)齊發(fā)爆破時為總藥量，當(dāng)延時爆破時為最大一段藥量.

(3)

由于爆破地震波在對外傳遞時會發(fā)生能量的耗散，若不考慮波的反射和折射現(xiàn)象[16]，只考慮其幅值的衰減情況，則在彈性波的傳遞情況下，傳播過程不發(fā)生頻散，不同比例距離中的波形應(yīng)該表現(xiàn)為相似.薩式經(jīng)驗(yàn)公式為

(4)

式(4)中：v為振速，即質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度；K為場地系數(shù)；α為衰減指數(shù).

結(jié)合式(2)～(4)，可得振速與比例距離的關(guān)系式為

(5)

3.2 下穿鐵路爆破振動影響分區(qū)的計算結(jié)果

圖6 爆破振動影響區(qū)曲線 blasting vibration affected zone

將振速衰減曲線斜率k′作為分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的計算依據(jù)，從而確定爆破影響近、中、遠(yuǎn)區(qū).對式(5)兩邊同時求導(dǎo)，得到k′關(guān)系式，即

(6)

張在晨等[4]結(jié)合大量工程數(shù)據(jù)和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，分析得出k′<-5時為爆破影響近區(qū)，-5≤k′≤-1時為爆破影響中區(qū)，k′>-1時為爆破影響遠(yuǎn)區(qū).

4 爆破振動影響分區(qū)下的減震優(yōu)化數(shù)值分析

實(shí)際爆破施工時左、右洞并非同時起爆，因此取對稱半結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破分析，考慮爆破對邊界的影響，模型尺寸為20 m×30 m×80 m，其中，掌子面開挖方向80 m，隧道拱頂距離鐵路路基底為15.1 m，掏槽孔4個，孔直徑為50 mm，孔距為1.5 m，掏槽孔網(wǎng)格局部加密，采用實(shí)體Solid164單元劃分網(wǎng)格，整體模型及掏槽孔布置，如圖7所示.

圖7 整體模型及掏槽孔布置

考慮到模型邊界會產(chǎn)生振動波反射[12]，將模型邊界設(shè)為無反射邊界條件，采用等效荷載模擬爆源壓力作用.掏槽孔荷載示意圖，如圖8所示.

圖8 掏槽孔荷載示意圖

荷載形式為指數(shù)型衰減荷載[12]，表達(dá)式為

P(t)=Pmaxe-αt.

(7)

荷載峰值Pmax計算表達(dá)式為

(8)

式(8)中:ρe為裝藥密度，取1.2 g·cm-3；D為炸藥爆速，文中爆炸采用2號巖石乳化炸藥，D=3 800 m·s-1；kd為裝藥不耦合系數(shù)，即炮孔直徑(40 mm)與藥卷直徑(32 mm)的比值，kd=1.25；η是爆轟氣體碰撞孔壁時壓力增大倍數(shù)，η為8～11，取11.

模擬中計算可得Pmax=6 250 MPa；衰減指數(shù)α與壓力持續(xù)時間有關(guān)，取4 000[12-13]；控制荷載輸入時間為0.025 s，終止時間取0.2 s.圍巖本構(gòu)選擇塑性隨動硬化模型，鐵路結(jié)構(gòu)選擇各項(xiàng)同性彈性材料.模型計算參數(shù)，如表3所示.表3中：γ為重度；E為彈性模量；μ為泊松比；σ為屈服應(yīng)力；τ為剪切模量.

表2 模型計算參數(shù)

4.1 設(shè)置隔振空孔減震優(yōu)化數(shù)值分析

隔振空孔的減震效果表現(xiàn)為爆破應(yīng)力波在傳播過程中，在隔振空孔處會產(chǎn)生反射和折射作用，進(jìn)入保護(hù)區(qū)的能量減少，產(chǎn)生的振動速度降低，對保護(hù)區(qū)的破壞作用減弱.

(a)無隔振空孔 (b)有隔振空孔

(a)t=0.05 s (b)t=0.10 s

(a)t=0.05 s (b)t=0.10 s

根據(jù)圖10，11的計算結(jié)果可知：當(dāng)t=0.05 s時，不設(shè)隔振空孔的爆破應(yīng)力波向外傳遞速率大于設(shè)置隔振空孔時，原因是爆破應(yīng)力波遇到隔振空孔發(fā)生了折射和反射，阻隔了爆破應(yīng)力波直接對外傳播，且不設(shè)隔振空孔爆破產(chǎn)生的振動更劇烈；當(dāng)t=0.10 s時，最大振速出現(xiàn)在隧道上部路面基底附近，不設(shè)隔振空孔的振速總體較大，說明設(shè)置隔振空孔能夠有效降低振動的影響，起到優(yōu)化作用.

當(dāng)t=0.20 s時，無隔振空孔和有隔振空孔的水平、豎向振速時程曲線，如圖12所示.圖12中：vx，vy分別為水平、豎向振速.

由圖12可知:在爆破振動影響近區(qū)設(shè)置隔振空孔后，爆破振動影響顯著降低；不設(shè)隔振空孔時，水平振速最大達(dá)到1.05 cm·s-1，豎向振速最大達(dá)到0.47 cm·s-1；設(shè)置隔振空孔后，水平振速最大值為0.64 cm·s-1，豎向振速最大值為0.26 cm·s-1，水平減震率為39.04%，豎向減震率為44.68%.由此可見，距離鐵路結(jié)構(gòu)近時，在掏槽孔附近設(shè)置一定數(shù)量的隔振空孔對減震有顯著效果.

(a)無隔振空孔的水平振速 (b)有隔振空孔的水平振速

進(jìn)一步分析設(shè)置隔振空孔對比例距離分區(qū)的影響，對式(5)進(jìn)行變式，得到

(9)

4.2 調(diào)整起爆延時間隔優(yōu)化數(shù)值分析

(a)單孔單響的水平振速 (b)分段延時的水平振速

由圖13可知:單孔單響對于振動波疊加效應(yīng)的分離要求高于分段延時起爆，且減震優(yōu)化效果比分段延時差，單孔單響的水平振速最大值為1.28 cm·s-1，豎向振速最大值為1.34 cm·s-1；采用分段延時起爆時，其水平振速最大值為0.76 cm·s-1，豎向振速最大值為0.82 cm·s-1，減震效果顯著.因此，合理的分段延時起爆有助于爆破施工.

5 結(jié)論

1)鐵路振動速度最大值與掏槽孔起爆藥量呈正相關(guān)，掏槽孔起爆藥量越大，鐵路振速最大值越大，當(dāng)掏槽孔起爆藥量一定時，起爆延時間隔影響振速，相鄰段別的爆破振動波會出現(xiàn)波形疊加效應(yīng).

3)設(shè)置隔振空孔能起到減震優(yōu)化作用，與優(yōu)化前相比，設(shè)置隔振空孔后的振速最大值顯著降低；并且設(shè)置隔振空孔會影響爆破分區(qū)，擴(kuò)大使用爆破法施工范圍，從而提升施工效率.

4)爆破應(yīng)力波對外傳播過程中，相鄰段別的波分離開始產(chǎn)生疊加效應(yīng)，單孔單響的振動疊加效應(yīng)大于分段延時間隔.因此，實(shí)際施工時，應(yīng)盡量使用分段延時間隔，并根據(jù)爆破距離合理地調(diào)整延時間隔以減小振動疊加效應(yīng).