于德海， 秦凱凱

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，大連 116026；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明 650217)

地下空間的開(kāi)發(fā)與利用，由于其特殊的地下環(huán)境，將會(huì)給工程帶來(lái)很大的難度與未知的破壞。尤其是在城市地鐵隧道工程中，隧道上部一般都是城市道路、房屋建筑以及立交橋等既有構(gòu)筑物，施工方法的選擇稍有失誤，就會(huì)造成不可估量的損失。爆破法在隧道工程中被廣泛應(yīng)用，但這種施工法由于爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)周?chē)?構(gòu))筑物產(chǎn)生很大影響，嚴(yán)重者會(huì)造成塌方、傷亡等重大事故。因此，合理控制爆破開(kāi)挖對(duì)構(gòu)筑物的影響已成為近接施工中急需解決的問(wèn)題。

有關(guān)學(xué)者對(duì)隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了研究。龔建伍等[1]對(duì)福州國(guó)際機(jī)場(chǎng)鶴上三車(chē)道小凈距隧道工程進(jìn)行了研究，對(duì)小凈距隧道中間巖柱在爆破荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)模擬與監(jiān)測(cè)，分析了振動(dòng)波在不同級(jí)別圍巖、不同監(jiān)測(cè)位置的傳播及分布規(guī)律。張國(guó)華等[2]結(jié)合大帽山大斷面隧道群的數(shù)值模擬與聲波監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比，研究了推進(jìn)式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的大斷面隧道的圍巖累積損傷范圍。劉明高等[3]對(duì)國(guó)內(nèi)小凈距隧道的爆破現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為其設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)主要在于小凈距隧道的合理凈距、爆破參數(shù)、施工方法、加固技術(shù)等。鄭大榕[4]對(duì)南京城市地鐵隧道的爆破開(kāi)挖與振動(dòng)控制進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了南京地鐵隧道工程施工中所采用的開(kāi)挖方法，以及所采取的控制爆破振動(dòng)措施，其經(jīng)驗(yàn)可為同類(lèi)工程提供借鑒。遲明杰等[5]結(jié)合爆破作用下微裂紋擴(kuò)展機(jī)理的分析，將爆破振速耦合到裂紋損傷斷裂條件中，并給出了不同條件下巖溶區(qū)隧道爆破開(kāi)挖安全控制的建議標(biāo)準(zhǔn)。這些研究者都是結(jié)合數(shù)值模擬從控制振速影響因素和振速在空間分布特性和衰減規(guī)律這兩方面來(lái)進(jìn)行研究，而在實(shí)際工程中，通過(guò)振動(dòng)速度的反饋分析研究各種爆炸性沖擊作用下如何有效地防護(hù)各種建筑物和構(gòu)筑物免遭嚴(yán)重破壞、最大限度地降低損失才是最能直觀體現(xiàn)工程價(jià)值的。為此，將振速與爆破振動(dòng)影響的構(gòu)筑物結(jié)合起來(lái)，從數(shù)值模擬分析與實(shí)際工程研究中分析波的傳播規(guī)律及衰減特性，這是一項(xiàng)重要而現(xiàn)實(shí)的研究課題。綜上所述，由于大多數(shù)研究主要集中于隧道爆破施工過(guò)程中的影響因素[6-9]以及振速在空間的分布特性和衰減規(guī)律[10-12]，而對(duì)地鐵隧道爆破對(duì)既有構(gòu)筑物的影響效應(yīng)研究較少。因此，以大連地鐵2號(hào)線(xiàn)208標(biāo)馬灣區(qū)間淺埋暗挖隧道下穿魏臺(tái)橋特殊地段為研究對(duì)象，通過(guò)三維有限元程序仿真模擬以及工程現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)比，研究爆破振動(dòng)對(duì)既有構(gòu)筑物的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，以便為工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

大連地鐵2號(hào)線(xiàn)208標(biāo)馬灣區(qū)間為下穿西部大通道高架橋及魏臺(tái)橋的淺埋隧道，線(xiàn)間距為13.513 m，區(qū)間隧道為馬蹄形斷面，礦山法施工。區(qū)間穿魏臺(tái)橋里程范圍長(zhǎng)度為90 m，橋面寬度為22 m。橋下有5排橋樁，沿長(zhǎng)度方向每排橋樁間距為15 m，沿寬度方向橋樁間距為6.5 m。隧道基巖為鈣質(zhì)板巖，從地面至隧道頂端的地層情況分別是雜填土、沖洪積層—粉質(zhì)黏土、硬塑狀殘積層—粉質(zhì)黏土、巖石強(qiáng)中風(fēng)化層。隧道巖土體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)和已有資料進(jìn)行確定，如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)

2 計(jì)算模型的建立

2.1 數(shù)值模型

計(jì)算模型中，隧道最大斷面直徑為6.5 m，縱向長(zhǎng)度取30 m，兩隧道平均埋深取20 m，隧道間隔7 m；根據(jù)實(shí)際情況，橋梁模型寬度為22 m，長(zhǎng)34 m，樁徑為1.2 m，橫向樁間距為6.5 m，縱向排樁間距為15 m。模型網(wǎng)格單元數(shù)為51 152個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 047個(gè)，有限元模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

整個(gè)數(shù)值模擬分為靜力分析和動(dòng)力分析兩部分。靜力分析時(shí)，前、后、左、右邊界條件設(shè)置為水平約束，模型的底部設(shè)置為固定端約束，模型的上表面為地表，設(shè)置為自由邊界。進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，去除靜力分析模型的原有靜力邊界條件，并且施加黏性邊界和自由場(chǎng)邊界條件。

2.2 阻尼比

為了定義黏性邊界，需要計(jì)算相應(yīng)的阻尼比，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：λ為體積彈性系數(shù)，kN/m2；G為剪切彈性系數(shù)，kN/m2；E為彈性模量，kN/m2；ν為泊松比；A為截面積，m2，ρ為密度，kg/m3；W為質(zhì)量，kg。

2.3 爆破荷載

在動(dòng)力分析中，采用人工計(jì)算爆破荷載來(lái)模擬，每1 kg的爆破荷載為

(3)

(4)

式中：Pdet為爆破壓力，Pa；PB為孔壁面上的壓力，Pa；Ve為爆破速度，m/s；dc為火藥直徑，mm；dh為孔眼直徑，mm；Sg為密度。

這里不僅決定了爆破時(shí)發(fā)生的空氣動(dòng)壓力的大小，而且也說(shuō)明實(shí)際作用在孔壁上的動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化狀態(tài)。

利用有關(guān)時(shí)程的Statfield動(dòng)壓力方程表示每1 kg裝藥量的動(dòng)壓力。

(5)

式(5)中：B=16 338，是荷載常數(shù)。

在實(shí)際工程中，取單孔最大裝藥量來(lái)模擬其最大影響效應(yīng)。由此計(jì)算出爆破動(dòng)力荷載PD(t)曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 模擬爆破荷載Fig.2 Simulation of blasting load

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 爆破對(duì)土體及構(gòu)筑物的影響分析

越來(lái)越多的工程實(shí)踐和監(jiān)測(cè)成果表明，爆破振速對(duì)建筑物的安全有著很重要的影響。為了更好地與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本次模擬的振速結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，爆破荷載在土體內(nèi)部傳播時(shí)，為圓環(huán)形向外輻射傳播，隧道壁受爆破沖擊荷載產(chǎn)生的最大振速為10×10-2m/s，符合GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中的安全允許標(biāo)準(zhǔn)。在爆破振速波到達(dá)地表構(gòu)筑物后，其傳播頻率受結(jié)構(gòu)自有頻率的影響出現(xiàn)差異性衰減趨勢(shì)，由云圖還可以看出，爆破地震波振動(dòng)速度峰值在距爆源較近區(qū)域的衰減速度遠(yuǎn)大于爆源遠(yuǎn)區(qū)，同時(shí)沿深度方向的衰減速度大于水平方向。工程中最為關(guān)注的橋梁結(jié)構(gòu)模擬最大振速出現(xiàn)在75 ms時(shí)，最大振速為1.97×10-2m/s。

此外，爆破對(duì)周?chē)馏w及構(gòu)筑物產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D4、圖5所示。由圖可知，在爆破力達(dá)到峰值時(shí)，開(kāi)挖隧道最大拉應(yīng)力為-0.907×102kN/m2。隨著振動(dòng)的傳播，隧道上部、右側(cè)及上部構(gòu)筑物也開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力，且應(yīng)力值逐漸減小。當(dāng)振動(dòng)傳播到上部結(jié)構(gòu)時(shí)，橋樁最先出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力值較大，在爆破隧道壁下部及橋樁處易出現(xiàn)塑性區(qū)，在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)注意其受力及變形。

3.2 爆破對(duì)襯砌及樁的影響分析

爆破對(duì)襯砌及樁的影響模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，最先受到爆破振動(dòng)擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)物為距離爆源最近的右側(cè)隧道襯砌，且隨著爆破卸載波的釋放，對(duì)襯砌的擾動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，且最大振速出現(xiàn)在爆源側(cè)X方向拱腰位置，最大振速為2.01×10-2m/s。對(duì)樁的影響表現(xiàn)為在10 ms時(shí)爆源最上方的樁受到爆破振動(dòng)波擾動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，樁受到的最大振速峰值為1.64×10-2m/s，隨著爆破地震波的傳播，受振動(dòng)影響的樁增多，振速逐漸減小。且在圖中90 ms時(shí)刻，爆源上方樁的最大振速峰值又增大為1.56×10-2m/s，即兩次出現(xiàn)振速峰值，這說(shuō)明爆破沖擊波有比較強(qiáng)烈的多次反射性。在波的多次反射中，并不是只有距離爆源最近的樁容易出現(xiàn)振速峰值，當(dāng)波在結(jié)構(gòu)中反射時(shí)，距離爆源較遠(yuǎn)距離的樁有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)振速峰值，因此，在具體施工中，需要對(duì)整個(gè)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，尤其對(duì)舊橋結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)或應(yīng)力集中處應(yīng)進(jìn)行加固保護(hù)措施。

3.3 不同深度處爆破振速波形的分析

在地基及構(gòu)筑物上選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)其振速數(shù)值并與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖7所示。在隧道正上方布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，分別為11 420、3 336、3 643、3 603，對(duì)應(yīng)數(shù)值圖中的綠色、粉色、藍(lán)色、橙色點(diǎn)。

由定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值分析可知，不同位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)其振速達(dá)到峰值的時(shí)間與峰值大小均不同。由圖7可以看出，越靠近爆源附近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)越早達(dá)到峰值，且振速峰值越大。說(shuō)明越靠近爆源，其受振動(dòng)波的擾動(dòng)越明顯，但其振動(dòng)衰減也較快。其中點(diǎn)11 420為橋面Z向振速監(jiān)測(cè)值，為1.1×10-2m/s，與實(shí)際Z向監(jiān)測(cè)值0.98×10-2m/s對(duì)比可見(jiàn)，模擬值與實(shí)測(cè)值基本相符。

圖3 爆破模擬結(jié)果Fig.3 Blasting simulation results

圖4 最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Maximum principal stress nephogram

圖5 應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Strain nephogram

圖7 定點(diǎn)Z向振速波型監(jiān)測(cè)Fig.7 Z vibration velocity wave type of monitoring

圖8、圖9分別為實(shí)測(cè)的V值振速(水平振速)和Z值振速(垂直振速)。實(shí)測(cè)的Z值振速出現(xiàn)在38 ms時(shí)，最大振速為1.05 cm/s，比模擬振速小0.92 cm/s，原因可能為實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)與爆源存在50 m左右的距離。既有隧道的最大振速出現(xiàn)在10 ms時(shí)的靠近爆源側(cè)的隧道壁，最大振速為2.75 cm/s，說(shuō)明近距離爆破會(huì)對(duì)既有隧道襯砌安全產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際工程中需增加襯砌厚度。

圖8 V值振速Fig.8 V vibration velocity

圖9 Z值振速Fig.9 Z vibration velocity

4 結(jié)論

通過(guò)三維有限元程序仿真模擬以及工程現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)比，探討了爆破地震波的傳播特性、衰減規(guī)律以及振動(dòng)波對(duì)開(kāi)挖隧道周?chē)馏w及既有隧道襯砌、橋梁結(jié)構(gòu)等的動(dòng)力影響效應(yīng)。得到如下結(jié)論。

(1)爆破地震波振動(dòng)速度峰值在距爆源較近區(qū)域的衰減速度遠(yuǎn)大于爆源遠(yuǎn)區(qū)，同時(shí)沿深度方向的衰減速度大于水平方向。

(2)近距離爆破會(huì)對(duì)既有隧道襯砌安全性產(chǎn)生很大影響，需采用相應(yīng)的措施來(lái)減小爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道襯砌的擾動(dòng)。根據(jù)分析結(jié)果顯示，既有隧道的薄弱區(qū)為迎爆側(cè)拱腰部位，在此處應(yīng)增大襯砌厚度，可以在一定程度上減小振速，但X方向上的最大應(yīng)力卻基本不變。

(3)構(gòu)筑物中樁及襯砌的振速峰值出現(xiàn)了兩次或多次峰值，這說(shuō)明爆破沖擊波有比較強(qiáng)烈的多次反射性。

(4)在定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值分析中顯示，距離爆源豎向不同深度處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)其振速達(dá)到峰值的時(shí)間與峰值大小均不同，越靠近爆源，其峰值越大且達(dá)到峰值的時(shí)間越短。