新建隧道爆破振動對既有鄰近設(shè)施的影響規(guī)律

操 鵬

(中鐵四院集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司, 武漢 430063)

鐵路運(yùn)輸作為社會生產(chǎn)、分配、交換、消費(fèi)的聯(lián)系紐帶,對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展舉足輕重。在鄰近既有線爆破施工過程中,鐵路的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全是不容忽視的問題,而如何將爆破施工的影響范圍控制在設(shè)計(jì)及理想安全狀況的要求內(nèi)則需要進(jìn)一步研究新建隧道爆破振動對既有鄰近設(shè)施的影響規(guī)律。

關(guān)于隧道爆破施工對鄰近設(shè)施的影響,國內(nèi)外已有較多的研究。已有文獻(xiàn)主要采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬兩種手段來分析隧道的安全性。劉閔龍等[1]建立巖體各向異性動態(tài)損傷本構(gòu)模型,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場損傷測試,驗(yàn)證該本構(gòu)模型可用于爆破損傷模擬。徐振洋等[2]利用希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang transform,HHT)對公路隧道爆破時鄰近鐵路隧道監(jiān)測得到的振動信號進(jìn)行分析,從能量的角度分析隧道受振動情況。張學(xué)民等[3]進(jìn)行了近距離雙線隧道的現(xiàn)場監(jiān)測,針對層狀圍巖下的爆破參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。彭道富等[4-5]研究了相鄰隧道爆破和隧道上部爆破兩種情況對隧道結(jié)構(gòu)以及爆破性質(zhì)、地質(zhì)條件對既有隧道結(jié)構(gòu)振動的影響。張杰[6]、肖文芳等[7]運(yùn)用理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測的方法選擇了合適的施工方案和爆破設(shè)計(jì)方法,研究了地表爆破地震波的振動規(guī)律。熊祖釗等[8]從開挖方法、開挖順序、爆破參數(shù)等方面給出適合的爆破開挖技術(shù),為工程實(shí)踐提供理論支持。李秀地等[9]利用DYNA內(nèi)嵌炸藥材料及狀態(tài)方程模擬爆破過程,模擬新建隧道對近距離隧道結(jié)構(gòu)的影響。

基于某隧道爆破掘進(jìn)工程,為保證鄰近既有線高速鐵路在爆破施工過程中的運(yùn)維安全,對其鄰近隧道段進(jìn)行爆破振動安全監(jiān)測,獲取爆破振動數(shù)據(jù)200余組。以測得的振動數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ),結(jié)合ANSYS LS-dyna有限元軟件建立隧道爆破開挖對既有隧道影響分析的數(shù)值計(jì)算模型,通過仿真計(jì)算結(jié)果分析,得到隧道爆破開挖對鄰近既有隧道內(nèi)、路基、橋墩的爆破振動傳播衰減規(guī)律,以期為工程實(shí)踐提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

新建某隧道為單洞雙線隧道,設(shè)計(jì)時速為160 km/h,隧道進(jìn)口軌道標(biāo)高為114.41 m,出口軌道標(biāo)高為133.71 m,距離某既有鐵路最近點(diǎn)軌道高程差為12 m。該隧道所處地質(zhì)中明洞27.01 m,占全隧道1.73%。Ⅲ級圍巖510 m,占全隧32.71%,Ⅳ級圍巖595 m,占全隧道38.17%,Ⅴ級圍巖422 m,占全隧道27.07%。最大埋深98 m。

1.2 隧道掘進(jìn)方案

隧道Ⅲ級圍巖段采用臺階法爆破掘進(jìn),爆破循環(huán)進(jìn)尺取為2.4 m,爆破規(guī)模為152 kg,最大單段藥量為19.5 kg;Ⅳ級圍巖段采用三臺階法爆破掘進(jìn),爆破循環(huán)進(jìn)尺取為2 m,爆破規(guī)模為76.2 kg,最大單段藥量為15 kg;Ⅴ級圍巖段,采用三臺階七步開挖法爆破掘進(jìn),爆破循環(huán)進(jìn)尺取為0.8 m,爆破規(guī)模為14.2 kg,最大單段藥量為3.6 kg。明挖段臺階爆破,爆破規(guī)模為27.6 kg,最大單段藥量為7.2 kg。

1.3 振動監(jiān)測及分析

爆破施工區(qū)域?yàn)樾陆ㄋ淼?振動監(jiān)測點(diǎn)布置在既有高速鐵路迎爆側(cè)路基路肩(或橋梁墩身頂部、隧道洞壁上、堅(jiān)固基礎(chǔ)),其中隧道測點(diǎn)距電纜槽蓋板高度約1 m位置處。

本項(xiàng)目隧道爆破振動速度控制天窗點(diǎn)內(nèi)報(bào)警值為3 cm/s,爆破預(yù)警值為2.55 cm/s;天窗點(diǎn)外施工報(bào)警值為1 cm/s,預(yù)警值為0.85 cm/s,控制值為0.5 cm/s,預(yù)警值為0.4 cm/s。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置

對共209組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在對藥量嚴(yán)格控制下,對既有線隧道爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)均保持在1 cm/s以下,最大振動速度0.88 cm/s,最小振動速度0.05 cm/s。其中爆破振動速度0

圖2 爆破振動峰值統(tǒng)計(jì)

對前期監(jiān)測的200余組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得到擬合散點(diǎn)分布及擬合曲線(圖3)和擬合回歸殘差圖(圖4)。

x為比例藥量,便于線性分析;V為爆破振動速度,cm/s;Q為最大單段藥量,kg;R為測點(diǎn)至爆破中心的距離,m圖3 爆破振動經(jīng)驗(yàn)公式擬合散點(diǎn)分布及擬合曲線

根據(jù)擬合結(jié)果,可計(jì)算出對應(yīng)的系數(shù)K=62.74(取值范圍為10.7～114.8)、爆破地震波衰減系數(shù)α=1.389(取值范圍為1.167～1.61),即該項(xiàng)目工況下根據(jù)前期爆破振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測得到該爆破振動速度的公式為

(1)

式中:V為所測點(diǎn)因爆破引起的振動速度,cm/s;Q為最大單段藥量,kg;R為測點(diǎn)至爆破中心的距離,m;K為與巖石性質(zhì)、爆破方法、地形條件等因素有關(guān)的系數(shù)。

少食多餐,均勻搭配。根據(jù)患者個體性差異和身體狀況,制定科學(xué)合理的運(yùn)動方案,運(yùn)動強(qiáng)度應(yīng)循序漸進(jìn),定時運(yùn)動。運(yùn)動期間備好餅干、甜食等,避免空腹運(yùn)動。

2 影響規(guī)律分析

為分析新建隧道爆破掘進(jìn)對鄰近既有鐵路隧道及鐵路基礎(chǔ)的影響,采用ANSYS/LS-dyna有限元軟件,結(jié)合工程需求建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行仿真研究。為充分考慮既有線與新建隧道間距離對振動效應(yīng)及規(guī)律的影響,共建立5種工況進(jìn)行仿真分析,見表1。

表1 工況及對應(yīng)參數(shù)

根據(jù)山體測繪得到的等高線計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided design,CAD) 圖處理得到山體表面的坐標(biāo),并在ANSYS軟件前處理中通過APDL命令流輸入各坐標(biāo)點(diǎn),構(gòu)建得到山體模型。利用布爾操作在山體中開挖出既有隧道模型,對于爆破開挖的新建隧道同樣采用布爾操作的方法,但在隧道尾部保留出部分巖體作為待爆破開挖的巖體以及掌子面。根據(jù)實(shí)際情況,在山體的后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)及底部采用無反射邊界條件,并設(shè)置法向位移約束。

圖5所示為工況1計(jì)算模型。新建隧道相距既有隧道50 m,新建隧道在尾部保留了部分巖體,而既有隧道則直接貫穿巖體模型;對于巖體網(wǎng)格的劃分,根據(jù)整體模型的大小,將網(wǎng)格大小控制在2～10 m,并在兩條隧道附近將網(wǎng)格進(jìn)一步加密到1～4 m,使得隧道附近測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的精度更高。

圖5 工況1有限元計(jì)算模型

為探究爆破振動在隧道內(nèi)的傳播衰減規(guī)律,沿隧道內(nèi)靠近爆源一側(cè)的拱腳位置按一定間距(68 m)取監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析,分別編號S-Z-1#～S-Z-5#。為研究同一斷面不同位置處振動分布規(guī)律,取距離隧道口68 m處的隧道斷面,并讀取該斷面上左右兩側(cè)拱腳、拱腰及拱頂5各位置的振動數(shù)據(jù),5個測點(diǎn)分別編號為S-J-1#～S-J-5#。為分析隧道口基礎(chǔ)上爆破振動的傳播及衰減規(guī)律,在隧道口沿隧道軸線向外,在同一高程上每間隔16 m取1個測點(diǎn),共取5個測點(diǎn)分別編號S-K-1#～S-K-5#。在爆破振動對鐵路橋影響的問題分析中,為簡化仿真,取-32 m處平面作為典型鐵路橋基礎(chǔ)平面,僅考慮爆破振動在鐵路橋基礎(chǔ)上的響應(yīng)及傳播,忽略橋體自身對結(jié)果的影響。根據(jù)模型尺寸的特點(diǎn),在鐵路橋基礎(chǔ)上沿隧道軸線向外依次取間隔均為24 m的5個測點(diǎn)S-G-1#～S-G-5#進(jìn)行分析。整體測點(diǎn)布置及相對位置如圖6所示。

圖6 鄰近既有鐵路仿真模型及測點(diǎn)布置

2.1 爆破振動波對路基影響及傳播衰減規(guī)律

為研究爆破振動作用下路基響應(yīng)規(guī)律,取隧道口處路基基礎(chǔ)從隧道口沿軸線向外,以16 m為間距共選取5個參考點(diǎn)(5個測點(diǎn)分別編號為S-K-1#～S-K-5#)。對各工況5個測點(diǎn)處X、Y、Z3個方向振動速度峰值及合速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到表2。

表2 各測點(diǎn)X、Y、Z方向振動速度峰值及合速度

從以上分析可以看出,隧道口處由于距離、邊界等多方面因素的影響,整體規(guī)律體現(xiàn)不明顯,且X、Y、Z3個方向在不同測點(diǎn)處影響程度也不盡相同,因此建議在邊界及距離影響復(fù)雜的情況下,宜對受保護(hù)對象盡可能多布置測點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測。

2.2 爆破振動波對既有橋梁影響及傳播衰減規(guī)律

為研究爆破振動波對既有橋墩影響及傳播規(guī)律,取隧道口平面以下32 m平面作為橋墩基面,并讀取該基面上5個監(jiān)測點(diǎn)的爆破振動數(shù)據(jù)(5個測點(diǎn)分別編號為S-G-1#～S-G-5#)。對各工況5個測點(diǎn)處X、Y、Z3個方向振動速度峰值及合速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到表3。

表3 各測點(diǎn)X、Y、Z方向振動速度峰值及合速度

同隧道口基礎(chǔ)一樣,橋梁基礎(chǔ)處由于距離、邊界等多方面因素的影響,整體規(guī)律體現(xiàn)不明顯,且X、Y、Z3個方向在不同測點(diǎn)處影響程度也不盡相同,但距離最近測點(diǎn)還是明顯高于其他點(diǎn),因此建議在邊界及距離影響復(fù)雜的情況下,宜對受保護(hù)橋梁基礎(chǔ)盡可能多布置測點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測,距離爆源最近點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

2.3 隧道爆破開挖對既有隧道影響規(guī)律數(shù)學(xué)模型

對各工況下的爆破振動速度進(jìn)行回歸擬合分析,剔除偏差較大點(diǎn)后,X方向擬合指標(biāo)R2=0.289 6;對應(yīng)回歸系數(shù)a=0.235 9,置信區(qū)間為[0.003 5,0.468 3];回歸基數(shù)b=-0.562 5,置信區(qū)間為[-1.513 2,0.388 2];顯著性概率P為0.025 9<0.05。Y方向擬合指標(biāo)R2=0.002 8;對應(yīng)a=0.063 6,置信區(qū)間為[-0.477 4,0.604 6];b=-1.079 8,置信區(qū)間為[-3.325 4,1.165 7];顯著性概率P為0.391 5>0.05。Z方向擬合指標(biāo)R2=0.104 1;對應(yīng)a=0.430 2,置信區(qū)間為[-0.114 3,0.974 8];b=0.021 5,置信區(qū)間為[-2.253 6,2.296 6];顯著性概率P為0.416 5>0.05。合速度方向擬合指標(biāo)R2=0.032 6;對應(yīng)a=-0.115 5,置信區(qū)間為[-0.437 2,0.206 3];b=-1.436 9,置信區(qū)間為[-2.746 8,-0.127 0];顯著性概率P為0.113 5>0.05。

為提高擬合程度,對各工況下的數(shù)據(jù)分工況進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到5種工況下的擬合參數(shù),見表4。

表4 各工況下擬合參數(shù)

根據(jù)表4及爆破振動公式,可計(jì)算出各工況下對應(yīng)的K、α值,見表5。

表5 各工況對應(yīng)的K、α取值及范圍

從以上分析可以看出,將各工況分開擬合得到各工況下的擬合系數(shù),其擬合程度整體比所有工況下的擬合效果好。基于表5對5種工況下K、α取值范圍,結(jié)合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)及鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)程(TB 10313-2019)中對K、α取值的相關(guān)規(guī)定。取工況1下K=75、α=1.22;取工況2下K=104、α=1.30;取工況3下K=128、α=1.36;取工況4下K=216、α=1.48;取工況5下K=280、α=1.51。

為得到各工況不同振速標(biāo)準(zhǔn)下的最大安全藥量,可將式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到

(2)

根據(jù)式(2)可計(jì)算出當(dāng)控制爆破振動速度最大為V允=1 cm/s時各工況下的最大安全允許藥量(Qmax),見表6。

表6 各工況下最大安全允許藥量

3 結(jié)論

1)通過對既有線某高速鐵路隧道爆破振動的監(jiān)測,爆破距離在46～263 m范圍內(nèi)爆破振動速度為0.05～0.88 cm/s,其振動速度均小于1 cm/s,爆破振動主頻在18～256 Hz,達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2)為研究新建隧道爆破對鄰近既有隧道影響規(guī)律,構(gòu)建了多工況下既有隧道爆破振動響應(yīng)規(guī)律分析方案,建立了50、100、150、200、300 m共5種工況有限元仿真模型,通過加載分析,得到了既有鐵路路基、橋梁、隧道在爆破振動作用下的響應(yīng)規(guī)律。

3)為指導(dǎo)工程施工,進(jìn)一步結(jié)合爆破振動經(jīng)驗(yàn)公式對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合回歸分析,得到了各工況下的爆破振動速度衰減系數(shù)K的參考值及取值范圍,進(jìn)而對50～300 m范圍內(nèi)鄰近既有線隧道爆破施工最大允許安全藥量進(jìn)行了計(jì)算。