新建隧道下穿既有鐵路的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)研究

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,福州350013;3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,武漢 430071)

在實(shí)際隧道工程建設(shè)中,由于場地和周邊環(huán)境的限制,難免會(huì)使新建隧道通過下穿鐵路結(jié)構(gòu)等方式進(jìn)行爆破開挖,在這種空間地層聯(lián)系緊密的環(huán)境下進(jìn)行爆破施工,極易因爆破產(chǎn)生振動(dòng)而對(duì)既有鐵路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生威脅和影響,進(jìn)而影響鐵路結(jié)構(gòu)的運(yùn)營和安全[1].制定合理的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn),能將新建隧道爆破開挖對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)影響控制在安全和合理范圍內(nèi),根據(jù)彈性力學(xué)波動(dòng)理論[2],既有建筑物、構(gòu)筑物受到的爆破拉、壓應(yīng)力主要受質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度、彈性模量、泊松比和密度的影響,而隧道爆破施工中,彈性模量、泊松比和密度是常量,因此可采用振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)振動(dòng)影響的控制指標(biāo).關(guān)于鐵路振速控制標(biāo)準(zhǔn)的確定,爆破安全規(guī)程僅給出表1[3-4]一般施工環(huán)境下鐵路路基的爆破振動(dòng)安全允許值,顯然對(duì)于下穿鐵路工程爆破不具有適用性,因此有必要對(duì)下穿鐵路工程爆破制定合理的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn).

表1 鐵路路基爆破振動(dòng)安全允許值

由于實(shí)際施工中無法進(jìn)行破壞性試驗(yàn)來尋找安全振速和變形的臨界值或極限值,而采用數(shù)值模擬能較好地預(yù)測和解決臨界值問題.曹正龍[5]等以青島地鐵新建2、3號(hào)線區(qū)間隧道呈立體交叉狀為工程背景,通過FLCA3D 動(dòng)力模型分析驗(yàn)證當(dāng)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為5 cm/s時(shí)近距離交疊工程采用鉆爆法施工是安全的;葉宇[6]等應(yīng)用MIDAS/GTS-NX 對(duì)滬昆某鐵路隧道下穿滬昆高速公路進(jìn)行數(shù)值模擬,得出新建隧道與既有高速公路不同相對(duì)位置的峰值曲線變化規(guī)律;朱正國[7]等人以南京地鐵超小凈距隧道為工程背景,通過數(shù)值分析得出背爆側(cè)峰值振動(dòng)速度最大為4.8 cm/s;薛里[8]等人利用埋地管道材料的Von-Mises屈服準(zhǔn)則確定爆炸荷載作用下管道的臨界振動(dòng)速度,并將臨界振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為190 mm/s;于建新[9]等對(duì)爆破施工開挖區(qū)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測,計(jì)算得出走馬崗地區(qū)爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(PPV)的Sadovsk公式,并反演出整個(gè)爆破振動(dòng)控制范圍內(nèi),振速控制在4.5 cm/s時(shí)能滿足振動(dòng)安全控制要求;袁良遠(yuǎn)[10]等結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析,理論計(jì)算出上行鐵路隧道的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)為8.0 cm/s;劉建友[11]等為對(duì)京張鐵路左右到發(fā)線采用微振爆破跨主振周期,中洞采用干擾降振法,得出圍巖及噴射混凝土的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為37 cm/s、25 cm/s;胡英國[12]等為了確定巖石高邊坡爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn),以上臺(tái)階振動(dòng)允許最大振速和當(dāng)前爆破梯段巖體損傷深度作為計(jì)算依據(jù),通過理論計(jì)算和應(yīng)力波衰減機(jī)制分析,結(jié)果表明振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的確定與允許開挖損傷深度、臺(tái)階高度等密切相關(guān);劉建友[13]等采用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法和理論分析法,建立振動(dòng)波速與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系,提出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn);曲云騰[14]通過在調(diào)研分析國內(nèi)外不同使用功能建筑物的振動(dòng)控制的基礎(chǔ)上,預(yù)測了既有鐵路站線的振動(dòng)影響值.

上述學(xué)者對(duì)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的制定開展了一定研究,但基于鐵路結(jié)構(gòu)的安全性和敏感性高于一般建筑物,應(yīng)結(jié)合鐵路線路變形展開振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)研究.目前根據(jù)鐵路線路變形來制定振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較少,本文從鐵路線路水平、高低、路基受振變形保護(hù)角度出發(fā),提出以鐵路線路變形作為爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算依據(jù)展開研究.對(duì)于下穿鐵路爆破施工的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)研究,多數(shù)研究僅建立在一般性爆破安全規(guī)范和依托于類似的工程案例進(jìn)行分析,并沒有明確和嚴(yán)格的理論計(jì)算依據(jù).本文將鐵路軌道結(jié)構(gòu)和鐵路路基看成整體柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析,通過數(shù)值分析,探究爆破振動(dòng)對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)水平、高低和路基變形的影響程度,得出路基變形是爆破振動(dòng)后鐵路線路的主要變形方式,最后給出本工程的鐵路結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn),為下穿鐵路工程爆破提供一定的借鑒和指導(dǎo).

1 下穿鐵路爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算依據(jù)確定

1.1 鐵路線路保護(hù)要求

隧道下穿既有鐵路爆破開挖時(shí),爆破振動(dòng)將使鐵路結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,鐵路結(jié)構(gòu)變形的主要方式是軌道的水平、高低變位以及鐵路路基的沉降變形.表2[15]給出一般爆破施工環(huán)境下鐵路結(jié)構(gòu)水平、高低及路基變形的控制值.表2給出鐵路結(jié)構(gòu)在一般爆破施工環(huán)境下的線路變形保護(hù)要求,而下穿鐵路路基的變行沉降可以通過沉降槽計(jì)算近一步論證其沉降控制值.

表2 軌道動(dòng)態(tài)幾何不平順容許偏差管理值

1.2 下穿鐵路路基沉降變形控制值確定

下穿鐵路路基由爆破振動(dòng)引起的沉降并不等同于一般鐵路路基的工后沉降,路基工后沉降多為均勻沉降,而下穿工程引起的路基沉降多呈U 型漏斗狀[16],如圖1所示.

圖1 地鐵隧道施工地面沉降槽

由于鐵路軌道結(jié)構(gòu)和路基聯(lián)系緊密,為方便后續(xù)計(jì)算和開展研究,將鐵路軌道結(jié)構(gòu)和鐵路路基整體看成柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析,將鐵路路基的沉降變形等效為軌道結(jié)構(gòu)整體沉降變形.

設(shè)地表允許沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為Smax,則考慮回歸系數(shù)后Smax可表示為:

其中:F為最大等效應(yīng)力,取值見表3,a1～a5均為回歸系數(shù),取值見表4[17].

表3 最大等效應(yīng)力

表4 回歸系數(shù)

路基沉降計(jì)算可以根據(jù)Peck地表沉降理論計(jì)算得到,其中沉降槽寬度系數(shù)i與隧道埋深H關(guān)系,可采用式2[17]表示:

其中:Z為地表到隧道中心的距離;φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角.

由Peck公式[17-18]可知,沉降曲線反彎點(diǎn)處的地面沉降量等于隧道中心線上方地面最大沉降的60%,將x=i帶入得反彎點(diǎn)處沉降量為

設(shè)路基的允許最大沉降值為S路基根據(jù)Peck 沉降槽理論得,地面沉降槽10 m 弦長的最大沉降等同于路基沉降值,則可得路基沉降允許值與地面最大沉降的關(guān)系:

2 下穿鐵路爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

以廈門市地鐵3號(hào)線區(qū)間隧道建設(shè)為工程背景,區(qū)間隧道左線DK9+546.773～DK10+085.000,總長538.227 m,右線DK9+546.773～DK10+086.000,總長539.227 m,隧道斷面為單洞單線馬蹄形,洞徑約6.2 m,掘進(jìn)總長度約1077.4 m,區(qū)間左、右線間距16.5 m,隧洞拱頂至鐵路路基底面的豎向距離約15.1 m.區(qū)間隧道與鷹廈鐵路位置近似呈現(xiàn)空間下穿正交,夾角為83°,鷹廈鐵路為路基—擋墻式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)限速＜120 km/h,為Ⅱ型軌道,隧道與下穿鐵路位置關(guān)系如圖2所示.

圖2 新建隧道與鐵路位置關(guān)系

2.2 土層參數(shù)

結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)勘探,新建隧道穿越主要土層物理力學(xué)參數(shù)見表5.

表5 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 鷹廈鐵路路基沉降最大允許值確定

3 下穿鐵路結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值模擬研究

3.1 建立模型

鐵路結(jié)構(gòu)為鐵路路基形式,模型部分包含土層、隧道、道砟、鐵路路基及鋼軌部分.考慮邊界影響模型尺寸取40 m×40 m×100 m,其中掌子面開挖方向100 m,上方鐵路結(jié)構(gòu)位于掌子面開挖方向45～55 m處,隧道拱頂距離鐵路路基底15.1 m,隧道左右中心距16.5 m 均按實(shí)際工程情況設(shè)計(jì).建立模型采用單元為Solid185和3DSolid164實(shí)體單元,模型網(wǎng)格劃分單元數(shù)為1 906 564,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 026 708,最小單元網(wǎng)格為2 cm,模型整體示意圖如圖3所示.

圖3 模型建立

路基、道砟及軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)主要根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘測報(bào)告及部分文獻(xiàn)[19-20]得到,見表6.鋼軌本構(gòu)采用各向同性線彈性模型,巖土體本構(gòu)選用塑性隨動(dòng)硬化材料模型.

表6 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型考慮重力作用影響

考慮到實(shí)際施工中存在重力作用,為確保施加爆破荷載后動(dòng)力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,模型應(yīng)考慮自重作用產(chǎn)生的位移影響,且鐵路結(jié)構(gòu)線路變形應(yīng)由爆破作用和自重作用共同產(chǎn)生,但考慮到爆破作用對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形影響是瞬態(tài)的,即爆破作用對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響遠(yuǎn)比自重作用產(chǎn)生的變形大,因此在數(shù)值分析過程中,模型應(yīng)在鐵路結(jié)構(gòu)消除自重作用產(chǎn)生位移影響下進(jìn)行爆破動(dòng)力計(jì)算,且計(jì)算結(jié)果可以視為由爆破振動(dòng)產(chǎn)生形變.目前有學(xué)者[18-19]采用將自重作用產(chǎn)生的邊界節(jié)點(diǎn)反力施加于人工邊界,通過內(nèi)力平衡的方式消除自重作用產(chǎn)生位移,這樣模型在進(jìn)行爆破動(dòng)力計(jì)算時(shí)基本沒有自重作用產(chǎn)生的位移影響.

3.3 ls-dyna施加等效爆破荷載的動(dòng)力計(jì)算

ls-dyna進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的關(guān)鍵是確定等效爆破荷載曲線、荷載大小、作用時(shí)間以及作用位置.

由于爆破開挖時(shí)[21-22],爆炸應(yīng)力波均勻地作用在隧道洞周上,爆炸作用剛開始時(shí)對(duì)圍巖的壓應(yīng)力急劇上升,達(dá)到峰值后又立刻衰減,整個(gè)爆炸過程都非常劇烈.因此選擇三角形峰值荷載來簡化替代實(shí)際爆破荷載模擬爆炸應(yīng)力波對(duì)圍巖的作用過程,荷載形式如圖4所示.

圖4 三角形爆破荷載峰值

已有研究表明[21-23],將爆破峰值荷載以壓力的形式均勻施加在開挖隧道的洞周,壓力方向垂直向里指向隧道洞周,通過這種簡化和施加爆破荷載的方式計(jì)算出的結(jié)果與直接將爆破荷載作用于炮孔壁的計(jì)算結(jié)果基本一致.爆破荷載應(yīng)力峰值按式(8)確定[21-23]:

式中:prmax為巖體沖擊波的初始波峰壓力;ρr為巖石密度;Cer為巖體縱波波速;ρ0 為炸藥密度;D為炸藥爆速;pe為炸藥爆轟壓力,可由式(9)確定[18-19]:

根據(jù)爆破荷載的作用時(shí)間[21-23],其中加載到峰值壓力的升壓時(shí)間為0～10 ms,卸載時(shí)間為10～110 ms,則本次模擬中加壓時(shí)間為10 ms,卸載時(shí)間取80 ms,總計(jì)算時(shí)間取200 ms.

結(jié)合工程實(shí)際圍巖密度、炸藥參數(shù)等將爆破理論峰值列于表7.爆破荷載峰值曲線如圖5所示.

表7 爆破峰值荷載理論計(jì)算結(jié)果

圖5 爆破荷載峰值曲線

3.4 爆破掘進(jìn)開挖下鐵路振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值分析

為動(dòng)態(tài)分析隧道爆破開挖對(duì)上方鐵路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)機(jī)理,在數(shù)值分析過程中,選取爆破掘進(jìn)距離為控制變量,分析鐵路路基沉降變化趨勢和振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律,鐵路結(jié)構(gòu)位于爆破掘進(jìn)段45～55 m 上方,爆破掘進(jìn)距離0～100 m 內(nèi)間隔10 m 的10組模擬計(jì)算結(jié)果見表8.

表8 爆破掘進(jìn)距離變化下路基沉降模擬結(jié)果

結(jié)合圖6分析,結(jié)果表明:當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),鐵路路基沉降值逐漸增大,當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段進(jìn)入鐵路結(jié)構(gòu)正下方時(shí),路基沉降突然加劇,在鐵路中心線附近路基沉降達(dá)到最大值,當(dāng)爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),路基沉降值又減小,最后趨于平緩,鐵路路基的沉降變形和振動(dòng)速度存在一定范圍內(nèi)的正相關(guān)性.

圖6 不同爆破掘進(jìn)距離下鐵路路基沉降變化規(guī)律

3.5 基于鐵路路基沉降允許值的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值分析

為得到合理的鐵路振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)以控制鐵路路基的沉降允許值5 mm 為計(jì)算依據(jù),取9次不同爆破掘進(jìn)距離下的開挖工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析,見表9.

表9 不同開挖工況下鐵路振速計(jì)算

結(jié)合圖7分析,當(dāng)鐵路路基沉降的控制值達(dá)到5 mm 時(shí),鐵路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度在2.6～2.9 cm/s范圍內(nèi)浮動(dòng),基于施工安全考慮,取不同開挖工況下最小振速2.6 cm/s為本工程的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn).

圖7 路基沉降控制值為5 mm 時(shí)振速計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

1)通過Peck沉降槽理論分析路基沉降與地面沉降的關(guān)系,計(jì)算得出下穿鐵路路基沉降的理論允許值為5 mm.

2)用ls-dyna計(jì)算得到爆破掘進(jìn)距離與鐵路路基沉降值的關(guān)系:當(dāng)爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),鐵路路基沉降值逐漸增大,當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段進(jìn)入鐵路結(jié)構(gòu)正下方時(shí),路基沉降突然加劇,在鐵路中心線附近路基沉降達(dá)到最大值,當(dāng)爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),路基沉降值逐漸減小,最后趨于平緩.

3)隨著爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),爆破峰值荷載值逐漸減小,爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離上方鐵路結(jié)構(gòu)時(shí),爆破峰值荷載值又逐漸增大,在鐵路結(jié)構(gòu)正下方爆破掘進(jìn)時(shí),路基達(dá)到沉降允許最大值所需爆破峰值最小,但振動(dòng)響應(yīng)最激烈,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)控測量.

4)以本工程隧道下穿鐵路爆破施工為例.通過調(diào)整爆破掘進(jìn)距離和爆破峰值荷載,控制鐵路路基的沉降變形值在5 mm 左右時(shí),振動(dòng)速度范圍在2.6～2.9 cm/s內(nèi),取最小值2.6 cm/s為安全的爆破振動(dòng)速度,即在這個(gè)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)進(jìn)行施工,是安全合理的,能為下穿鐵路爆破施工提供借鑒和參考意義.