地鐵隧道爆破施工影響的鄰近居民樓質(zhì)點峰值振速研究

鄧祥輝, 王靖媛, 楊 俊, 王 睿, 丁 瀟(. 西安工業(yè)大學 建筑工程學院, 陜西 西安 700;. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司, 陜西 西安 700)

0 引言

目前隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展,城市化進度加快,很多城市交通需求劇增,推動了城市地下軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展。而在重慶、烏魯木齊等城市大多是巖質(zhì)地層,常采用鉆爆法進行地鐵隧道施工。在爆破開挖中,炸藥爆炸后產(chǎn)生的一部分能量以應(yīng)力波的形式向外傳播,這會使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動,容易損傷,甚至破壞鄰近建筑物結(jié)構(gòu)[1-3]。為避免爆破振動對鄰近建(構(gòu))筑物造成較大的危害,施工中常采用控制爆破振動技術(shù),并以質(zhì)點峰值振速作為判斷依據(jù)[4-5]。然而,在實際工程中,施工環(huán)境、地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,導致很難較準確預(yù)測質(zhì)點峰值振速,因此有必要深入研究地鐵隧道爆破對鄰近建筑物的影響[6-7]。

在爆破施工的研究中,目前常采用理論推導與數(shù)值模擬的方法對鄰近建筑物的質(zhì)點峰值振速進行預(yù)測[8]。李君君等[9]通過建立有限元模型分析了新建隧道爆破施工對鄰近運營隧道的振動速度分布規(guī)律,通過對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果,得到新建隧道合理的爆破參數(shù)及控制藥量值。吳亮等[10]以彈性力學為基礎(chǔ),結(jié)合結(jié)構(gòu)力學的知識建立了一個爆破振動力學模型,通過模型計算出了在爆破中所能使用的最大單響藥量。Sadeghi等[11]通過對三條新建地鐵線的全面試驗研究測得軌道和土壤特性以及地面?zhèn)鞑フ駝?所得結(jié)果與FTA模型預(yù)測比較,對FTA模型進行了優(yōu)化,從而提高了地鐵系統(tǒng)中FTA模型預(yù)測地面?zhèn)鞑フ駝拥目煽啃浴垜浀萚12]以高層框架結(jié)構(gòu)為研究對象,基于動力有限元法對隧道在不同開挖方式下的爆破振動垂直振速進行了研究,現(xiàn)場測試結(jié)果表明,實測數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果較為一致,證明了該方法的可行性。鄒新寬等[13]采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)合有限元分析的方法探究了隧道明挖段拉槽爆破引發(fā)鄰近隧道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)規(guī)律,通過控制單孔裝藥量能夠減少水平淺孔拉槽爆破對鄰近結(jié)構(gòu)的振動影響,并基于薩道夫公式對監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合回歸,進一步優(yōu)化了質(zhì)點峰值振速中單孔爆破裝藥量的計算方法。溫智捷等[14]對盾構(gòu)隧道孤石預(yù)爆破中爆破峰值振動速率的影響因素進行了研究,結(jié)合各種影響因素的影響比重,對峰值振速衰減公式進行了優(yōu)化。通過上述文獻研究可以發(fā)現(xiàn),雖然目前有許多學者考慮了一些因素對多孔爆破下的峰值振速和爆破影響進行了研究,但對于居民樓、商住樓,在爆破振動傳播過程中質(zhì)點振速是否受高程影響以及程度如何缺乏理論分析和現(xiàn)場研究。因此本文擬考慮高程效應(yīng)對質(zhì)點峰值振速的影響,通過理論分析和現(xiàn)場測試進行定量研究。

1 考慮高程因子的振速修正公式

1.1 多炮孔等效半徑的確定方法

多孔多段的起爆方式是目前隧道施工中常用的爆破方法,并通過傳統(tǒng)公式及爆破漏斗理論來描述裝藥量、爆破距離及質(zhì)點峰值振速之間的數(shù)值規(guī)律,用系數(shù)表征爆破參數(shù)(炮眼布設(shè)、起爆方法、裝藥形式)及地質(zhì)條件。

在多孔起爆時,質(zhì)點峰值振速的公式為[15]:

v=k′kv0(rb/R)α

(1)

式中:k為與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù);k′為群孔起爆下的修正系數(shù);v0為炮孔壁上的質(zhì)點峰值振速;rb為炮孔半徑;R為爆心距;α為應(yīng)力衰減指數(shù)。

式(1)能夠反映爆破參數(shù)對質(zhì)點峰值的影響,但對多孔多段的疊加效應(yīng)未能考慮。此時采用單炮孔半徑計算峰值振速不合理。考慮工程實際無法將多孔多段爆破逐個疊加進行計算,故而運用群孔荷載簡化模型來確定等效荷載以及多孔影響系數(shù)的取值。

群孔荷載簡化模型將爆破后的巖體根據(jù)破壞程度劃分為粉碎區(qū)和破碎區(qū),這兩個區(qū)域都被視為在爆源范圍之內(nèi),整個等效彈性邊界內(nèi)的部分被視為爆心,等效爆破荷載將作用于這個邊界之上,這樣就實現(xiàn)了多孔爆破與單孔爆破的爆破荷載等效計算[16]。通過等代圓法將等效彈性區(qū)范圍內(nèi)所包圍巖體近似看為圓形,巖體的質(zhì)心作為圓心,掏槽眼的等效彈性邊界半徑為re,等效后的質(zhì)點峰值振速公式為:

v=k′kv0(re/R)α

(2)

1.2 修正的爆破質(zhì)點峰值振速預(yù)測公式

國外學者研究了集中裝藥的爆破地震效應(yīng),對爆破后產(chǎn)生的振動規(guī)律進行大量的分析得出以下結(jié)論:在巖石爆破中質(zhì)點峰值速度的大小對建筑物結(jié)構(gòu)的振動破壞程度具有很大影響,并根據(jù)影響因素提出了經(jīng)驗公式。在傳統(tǒng)經(jīng)驗公式中,爆心距和單響最大藥量被認為對質(zhì)點峰值振速影響很大,因此建議質(zhì)點峰值振速公式為:

(3)

式中:Q為起爆藥量。但是工程師通過對很多工程的監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn),距爆源一定的范圍內(nèi)建筑物振動速度隨埋深下降,高程放大效應(yīng)逐漸增強[17]。因此本文將考慮高程H對質(zhì)點峰值振速的影響。具體思路是:基于群孔荷載簡化模型,在考慮物理參數(shù)和高程影響下修正傳統(tǒng)的質(zhì)點峰值振速公式。同時,考慮柱面波理論、球面波理論及短柱狀藥包激發(fā)的應(yīng)力波場Heelan解,對多孔炸藥爆破時質(zhì)點峰值振速公式作進一步修正,公式為:

v=kv0(re/R)α×σβ

(4)

式中:σ為爆心距與高程的比值,σ=(H/R)對高程作了標量化處理;β為和高程相關(guān)的系數(shù),取0.25～0.28,正高差時取正,負高差時取負,且硬巖中取大,軟巖中取小。

2 工程概況

地鐵隧道爆破掘進中,由于近距離施工,爆破振動嚴重威脅鄰近居民樓的安全。本文依托烏魯木齊地鐵一號線工程,對一鄰近六層居民樓的爆破施工響應(yīng)進行了監(jiān)測。隧址區(qū)從上到下地層分布為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、泥巖層、砂巖層,地鐵隧道穿越全風化-中風化砂巖。隧道設(shè)計開挖方法為淺埋暗挖,施工工法采用二臺階法開挖。在本標段中,采用礦山法進行爆破施工。

3 現(xiàn)場實測與分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測方案

爆破振動監(jiān)測段位于烏魯木齊一號線北門街站至新興街站區(qū)間線上,監(jiān)測對象為藥材公司六層居民樓。居民樓所處樁號范圍為:ZDK5+335～ZDK5+405處,居民樓與地鐵中心水平距離為15 m,相對位置如圖1所示。在被監(jiān)測的六層居民樓上,每一層將振動傳感器沿X水平徑向、Y水平切向、Z垂直于隧道掘進方向布置,實測出六層建筑物不同高程的振動響應(yīng)信號。

圖1 隧道與居民樓相對位置關(guān)系Fig.1 Relative position between the tunnel and buildings

爆破振動監(jiān)測采用TC-4850型爆破測振儀記錄現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),觸發(fā)電平值、振動周期以及延時分別設(shè)為0.01 cm/s、2 s以及-100 ms。通過在居民樓內(nèi)布置測點,可以得到爆破施工對居民樓的影響以及爆破地震波的傳播規(guī)律,監(jiān)測點設(shè)置在被測六層居民樓靠近施工方向一側(cè),各個樓層內(nèi)均布設(shè)兩個測點。布設(shè)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點布置Fig.2 Layout of monitoring points

3.2 預(yù)測公式與傳統(tǒng)公式的擬合

為了確定質(zhì)點峰值振速預(yù)測公式中與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)k和應(yīng)力衰減系數(shù)α,利用現(xiàn)場爆破左線斷面ZDK5+335處的首次監(jiān)測數(shù)據(jù)及已知測點的藥量Q、爆心距R如表1所列進行回歸分析,從而應(yīng)用該公式對類似條件下居民樓進行振速預(yù)測計算。同時,為了對比修正公式與傳統(tǒng)公式差異,考慮高程影響的必要性,先對傳統(tǒng)公式進行回歸分析,再對修正公式回歸分析。

表1 左線斷面ZDK5+335監(jiān)測數(shù)據(jù)

由于式(3)中k、α不存在線性相關(guān)性,現(xiàn)將公式兩邊取對數(shù),轉(zhuǎn)化為線性函數(shù),便于回歸分析。對傳統(tǒng)公式進行取對數(shù)處理后,如下:

(5)

(6)

相關(guān)系數(shù)r可通過式(7)求得:

(7)

經(jīng)過上述擬合得到傳統(tǒng)公式關(guān)于X水平徑向、Y水平切向、Z垂直方向的振動速度特征參數(shù)K、α如表2所列。決定系數(shù)r2始終大于0.8,表明運用線性回歸方法所得特征參數(shù)值符合實際要求。

同樣,為預(yù)測考慮高程影響后的質(zhì)點峰值振速,與上述傳統(tǒng)公式處理方法類似,在擬合前對式(4)兩邊同時取對數(shù)得:

lgv=lg(kv0)+αlg(re/R)+βlg(H/R)

(8)

采用最小二乘法得到修正的峰值振速預(yù)測公式中的回歸系數(shù)kv0、α、β,結(jié)合爆破監(jiān)測所得數(shù)據(jù),將修正公式對X向、Y向、Z向的振速相關(guān)參數(shù)運用軟件分別擬合,修正公式得到的決定系數(shù)r2接近1,線性相關(guān)性顯著。所得回歸結(jié)果列于表3。

表2 傳統(tǒng)公式擬合回歸結(jié)果

表3 修正公式擬合回歸結(jié)果

3.3 對比分析

為了進一步驗證本文提出的修正公式的可靠性和準確性,在后續(xù)的多個斷面進行了關(guān)鍵點的質(zhì)點峰值振速監(jiān)測。從多個斷面的監(jiān)測結(jié)果看,各斷面實測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。本文以第二次爆破左線斷面ZDK5+380測點的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果作為比較依據(jù)。從測試數(shù)據(jù)看,各斷面Z向質(zhì)點峰值振速相對較大,是質(zhì)點峰值振速傳播的主要方向。根據(jù)上文提出的修正公式和應(yīng)用的傳統(tǒng)公式對建筑物影響最大的Z方向質(zhì)點振速進行預(yù)測,并將實測值、本文提出的修正公式預(yù)測值與傳統(tǒng)公式預(yù)測值進行對比。具體結(jié)果列于表4。

從表4可知,運用傳統(tǒng)薩道夫公式預(yù)測的振動速度值隨高程增大而逐漸變小,而運用修正公式預(yù)測的質(zhì)點峰值振速呈現(xiàn)出隨著高程增大而逐漸增加的趨勢,后者從規(guī)律上與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致,表現(xiàn)出高程變化對振動速度有顯著影響作用。出現(xiàn)這種情況的主要原因是傳統(tǒng)公式未考慮高程對質(zhì)點峰值振速的影響。而在實際工程中,爆破應(yīng)力波傳播過程中受高程變化影響,而且隨著高程增大,這個影響是被放大的,體現(xiàn)在質(zhì)點峰值振速是不斷增加的。這個規(guī)律與地震波的傳遞規(guī)律類似。

從相對誤差來看,修正公式預(yù)測值與監(jiān)測值相對誤差最大為13.52%,最小為10.10%,平均相對誤差為11.69%;傳統(tǒng)公式預(yù)測值與監(jiān)測值相對誤差的最大為30.71%,最小為8.20%,平均相對誤差為20.05%。從相對誤差數(shù)值大小看,修正公式預(yù)測值與現(xiàn)場監(jiān)測值較為接近,相對誤差在10%左右,較為準確。而傳統(tǒng)公式值與監(jiān)測值誤差接近20%,計算結(jié)果有較大偏差。因此,從效果看,本文提出的考慮高程影響的修正公式可以相對準確預(yù)測鄰近居民樓的質(zhì)點峰值振速,這對改善爆破施工的效果是非常有幫助的。

表4 三種方法的質(zhì)點峰值振速結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1) 基于群孔荷載簡化模型、柱面波理論及傳統(tǒng)的應(yīng)力波衰減理論,在考慮高程效應(yīng)影響下提出了質(zhì)點峰值振速預(yù)測公式。

(2) 通過對比分析現(xiàn)場監(jiān)測值、傳統(tǒng)公式與修正公式預(yù)測值的分布規(guī)律,現(xiàn)場監(jiān)測值與修正公式計算值基本一致,均呈現(xiàn)出隨高程增大而逐漸增大的趨勢。這主要是由于本文提出的修正公式能較好地反映爆破應(yīng)力波傳播過程中高程對振動速度的放大效應(yīng)。

(3) 從誤差精度看,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與采用修正公式計算的相對誤差最小值為10.10%,最大值為13.52%,平均相對誤差為11.69%,說明修正公式能比較準確地預(yù)測質(zhì)點峰值振速,滿足工程要求。