王 炎，沈曉莉，陳金苗，曹成杰

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江存真土木工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城際交通網(wǎng)日益發(fā)達(dá)，高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展，施工過程中通常伴隨著山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程。在隧道爆破掘進(jìn)過程中，隧道往往會(huì)臨近或下穿一些重要的地表敏感性建筑物，并在一定程度上引起地表建筑物的振動(dòng)，當(dāng)建筑物振速達(dá)到臨界值，會(huì)形成不同程度的損壞[1- 5]。針對(duì)隧道爆破對(duì)周邊建筑物的影響問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。如王佳輝等[6]結(jié)合某隧道爆破工程，采用Midas/GTS建立有限元模型，對(duì)引水渠振速進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并將結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：引水渠豎直方向振動(dòng)速度最大，水平垂向最小。武澤等[7]結(jié)合某隧道爆破工程，利用LS-DYNA建立有限元模型，研究爆破施工對(duì)周圍埋地管道的影響，結(jié)果表明：相比于國外類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，埋地管道的振動(dòng)速度較低，且數(shù)值模擬得到的管道各項(xiàng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)小于管道強(qiáng)度。樊浩博等[8]結(jié)合某隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)臨近建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明：建筑物的豎直方向振動(dòng)速度遠(yuǎn)大于水平方向，且隨著時(shí)間和爆心距的增大，振動(dòng)速度迅速衰減。茶增云等[9]結(jié)合某隧道工程，通過將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，研究連拱隧道中后行洞爆破施工過程中對(duì)先行洞的影響。結(jié)果表明：建立的離散元模型可以反映工程實(shí)際，且后行洞施工會(huì)對(duì)先行洞產(chǎn)生一定影響，需在施工中控制炸藥量。

上述研究均是針對(duì)低層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)于例如高壓鐵塔這種的高聳建筑研究較少。當(dāng)隧道臨近高壓輸電鐵塔時(shí)，爆破會(huì)使地表的高壓鐵塔塔基產(chǎn)生振動(dòng)，甚至導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，所以研究隧道爆破對(duì)臨近高壓鐵塔的影響有重大意義。肖欣欣等[10]結(jié)合某隧道工程，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究分析了鐵塔塔基的沉降及振動(dòng)速度；伍岳等[11]結(jié)合某高速公路隧道工程，對(duì)公路旁臨近的高壓鐵塔塔基振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，重點(diǎn)研究了高壓鐵塔的振動(dòng)響應(yīng)特征。上述研究對(duì)避免爆破誘發(fā)地表鐵塔塔基震動(dòng)失穩(wěn)有重大貢獻(xiàn)，但是目前國內(nèi)外針對(duì)多座、近距離、特高壓鐵塔爆破控制的研究較少，本文結(jié)合杭溫鐵路郎家畈隧道工程項(xiàng)目，根據(jù)薩道夫斯基公式，以鐵塔與爆源直線距離最近、單響炸藥量最大為最不利工況，采用Midas/GTS有限元軟件建立二維模型，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測振速，研究隧道爆破對(duì)臨近兩座特高壓鐵塔和一座高壓鐵塔的影響，為今后類似研究提供一些理論依據(jù)。

1 工程概況

新建杭溫鐵路郎家畈隧道段位于金華市浦江縣檀溪鎮(zhèn)上河村，正線施工里程DK91+675.19～DK92+143.27，全長467.18m，隧道圍巖Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)分布。進(jìn)出口洞門分別長19.81、18m，隧道進(jìn)口靠近壺源江大橋，出口連接上河中橋。從進(jìn)口掘進(jìn)施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用鉆爆法開挖。各作業(yè)面分別配備大型機(jī)械作業(yè)。開挖采用鉆爆法掘進(jìn)，Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法施工，Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法施工，Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

隧道線路東南側(cè)有1000kV電力鐵塔2座，500kV電力鐵塔1座，1#—2#電力鐵塔屬于浙北-福州特高壓交流輸變電線路，塔型為酒杯塔，塔高91.6m。3#電力鐵塔塔型為干字塔，塔高66m(為表示方便本文沿隧道施工方向?qū)?座電力鐵塔記為1#—3#)，隧道和鐵塔具體相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。1#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為38.92m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為32.47m，與隧道的最小直線距離約為58.79m；2#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為84.78m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為62.55m，與隧道的最小直線距離約為105.36m；3#鐵塔與隧道頂垂直凈距約為41.16m，開挖邊線距塔基最小水平距離約為18.94m，與隧道的最小直線距離約為45.31m。隧道與鐵塔相對(duì)位置關(guān)系剖面圖如圖2所示。

圖1 隧道與鐵塔位置示意圖

圖2 電力鐵塔與隧道相對(duì)位置剖面圖

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

實(shí)際工程中在3座鐵塔塔基上分別布置1個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，安裝三軸振動(dòng)傳感器。監(jiān)測使用的是L20-N數(shù)據(jù)采集設(shè)備及配套軟件，采集精度高，可滿足本工程監(jiān)測需求。為了保證采集到的振動(dòng)信號(hào)的有效性和振動(dòng)波形的完整性，設(shè)置的觸發(fā)電平為0.5mm/s，采樣頻率2000Hz，監(jiān)測周期2s。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示，R為鐵塔塔基測點(diǎn)和隧道爆心的直線距離，即爆心距。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

由于1#鐵塔剖面圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，在施工設(shè)計(jì)中，下臺(tái)階爆破單響藥量設(shè)計(jì)值最大，故考慮1#鐵塔正下方、下臺(tái)階爆破時(shí)為最不利工況。2#鐵塔和3#鐵塔剖面圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，在施工設(shè)計(jì)中，上臺(tái)階爆破單響藥量設(shè)計(jì)值最大，故考慮2#鐵塔和3#鐵塔正下方、上臺(tái)階爆破時(shí)為最不利工況。因此提取1#鐵塔下臺(tái)、2#鐵塔和3#鐵塔上臺(tái)爆破時(shí)，3座鐵塔水平爆心距為50、40、30、20、10、0m處塔基的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 鐵塔最大振速結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1可看出在爆心距為50m時(shí)，1#鐵塔塔基振動(dòng)速度為0.0625cm/s，在爆心距為0m時(shí)，1#鐵塔塔基振動(dòng)速度最為0.1929cm/s；2#鐵塔塔基振動(dòng)速度為0.1381cm/s，在爆心距為0m時(shí)，2#鐵塔塔基振動(dòng)速度最為0.4721cm/s；3#鐵塔塔基振動(dòng)速度為0.4033cm/s，在爆心距為0m時(shí)，3#鐵塔塔基振動(dòng)速度最為1.2657cm/s；3座鐵塔的塔基振速均遠(yuǎn)小于GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許振速2.5cm/s，可知爆破振動(dòng)對(duì)高壓鐵塔的影響較小，3座鐵塔處于安全狀態(tài)證明爆破方案合理可行。

爆破振動(dòng)速度隧爆心距的變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知隨著爆心距的增大，各塔塔基最大振動(dòng)速度均呈減小趨勢(shì)，說明各塔塔基振動(dòng)速度隨水平爆心距的減小而增大。水平爆心距越近，振動(dòng)速度衰減越快，水平爆心距越遠(yuǎn)，振動(dòng)速度衰減越慢。相比1#鐵塔、2#鐵塔，3#塔最大振速隨爆心距變化趨勢(shì)較為明顯;同時(shí)，在相同炸藥量的情況下，距離隧道爆破掌子面直線距離更近的3#鐵塔塔基振速明顯大于2#鐵塔塔基，表明在現(xiàn)場應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3#電力鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 數(shù)值模型及荷載

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)

為進(jìn)一步分析郎家畈隧道爆破振動(dòng)對(duì)高壓鐵塔的影響，采用Midas/GTS對(duì)隧道爆破開挖進(jìn)行二維模擬。計(jì)算剖面選取各電力鐵塔與郎家畈隧道對(duì)應(yīng)橫斷面，模型尺寸根據(jù)隧道及輸電鐵塔的斷面尺寸確定，邊界超出計(jì)算構(gòu)筑物或隧道的距離不小于30m。在保證計(jì)算精度的情況下，采用混合網(wǎng)格法劃分模型，對(duì)隧道周圍進(jìn)行尺寸控制，網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。二維有限元模型如圖5所示。

圖5 二維有限元模型圖

1#鐵塔橫斷面隧道周圍圍巖主要以Ⅴ級(jí)圍巖為主，2#鐵塔和3#鐵塔橫斷面隧道周圍圍巖主要以Ⅲ級(jí)圍巖為主，因此二維模型巖土采取Ⅲ、Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖采用基于莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬。鐵塔為Q235鋼材，模型采用桁架單元進(jìn)行模擬，樁基為C25混凝土，模型采用梁單元進(jìn)行模擬。模型具體參數(shù)取值見表2。

表2 有限元模型參數(shù)表

3.2 邊界約束

對(duì)于動(dòng)力分析，建立一般的邊界條件會(huì)由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差；因此時(shí)程分析時(shí)采用黏性邊界條件。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側(cè)約束條件對(duì)于爆破動(dòng)力計(jì)算采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界(viscous Boundary)。為了定義粘性邊界需要計(jì)算相應(yīng)的土體x，y，z方向的阻尼比。計(jì)算阻尼的公式如下。

(1)

(2)

式中，λ—體積彈性系數(shù)，kN/m2；G—剪切彈性系數(shù)，kN/m2；E—彈性模量；v—泊松比；A—截面積，m2。

3.3 爆破荷載

二維計(jì)算采用張玉成[12]提出的爆破數(shù)值模擬方法，即在炮孔壁之上直接施加半理論半經(jīng)驗(yàn)的指數(shù)衰減型荷載爆破荷載壓力曲線，結(jié)合爆轟理論和爆腔膨脹理論，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試爆破時(shí)實(shí)測結(jié)果來確定衰減函數(shù)的部分參數(shù)。基于圣維南原理[12- 15]，在建模時(shí)不考慮等效荷載炮孔形狀，爆破荷載時(shí)程曲線以壓力的形式施加在炮孔或者隧道周邊，荷載作用方向?yàn)榕诳谆蛘咚淼乐苓叺拇怪狈较?。此時(shí)的荷載峰值用International Society of Explosive Engineers(2000)里提及的公式。計(jì)算中各參數(shù)取值見表3。

PD=2.5×10-6×S×V

(3)

(4)

式中，PD—爆破壓力，kbar；PB=孔壁面上的壓，kbar；V—爆破速度，m/sec；dc—火藥直徑，mm；dh—孔眼直徑，mm；S—炸藥密度，g/cm3。

表3 不同圍巖的爆破沖擊荷載

根據(jù)是否考慮爆破孔周長的影響，最大爆破壓力可按P′=PB×W計(jì)算，W為最大裝藥量，單位為kg。上式?jīng)Q定了爆破時(shí)發(fā)生的空氣動(dòng)力壓力的大小，及實(shí)際上作用在孔壁的動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化狀態(tài)。時(shí)程動(dòng)壓力PD可按照Statfiled和Pugliese(1968)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，具體如下:

(5)

式中，B=1000—荷載常數(shù)，控制荷載隨時(shí)間衰減的快慢程度。

與現(xiàn)場實(shí)際一致，1#鐵塔二維模型取下臺(tái)階進(jìn)行驗(yàn)算分析，下臺(tái)階底板孔總計(jì)14個(gè)，單孔最大裝藥量為0.7kg，最大等效爆破荷載為0.88MPa，數(shù)值模型中荷載作用于下部臺(tái)階底板孔孔壁上。2#鐵塔和3#鐵塔二維模型取上臺(tái)階進(jìn)行驗(yàn)算分析。上臺(tái)階周邊孔總計(jì)40個(gè)，單孔最大裝藥量為0.70kg，最大等效爆破荷載為2.20MPa，數(shù)值模型中作用于上部臺(tái)階周邊孔孔壁上。最終得到如圖6—7所示的爆破時(shí)程荷載函數(shù)曲線。

圖6 1#鐵塔剖面脈沖荷載時(shí)程曲線

圖7 2#和3#鐵塔剖面脈沖荷載時(shí)程曲線

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在最不利工況下，分別提取3座鐵塔的振速、位移、應(yīng)力，分析隧道爆破對(duì)電力鐵塔的影響。

3.4.1鐵塔振速分析

在數(shù)值模型中，分別對(duì)1#鐵塔下臺(tái)、2#鐵塔和3#鐵塔施加上臺(tái)施加爆破荷載，通過有限元時(shí)程分析，得出3座鐵塔的振速，結(jié)果如圖8所示，見表4。分析結(jié)果可知，1#鐵塔塔基最大振速為0.13cm/s；2#鐵塔塔基最大振速為0.41cm/s；3#鐵塔塔基最大振速為1.12cm/s；3座鐵塔振速均小于GB 6722—2014規(guī)定的安全允許振速2.5cm/s；其中，3#鐵塔振速最大，在實(shí)際爆破過程中，要著重保護(hù)與監(jiān)測3#鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

圖8 鐵塔振速結(jié)果云圖

表4 鐵塔振速結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

將模擬后的最大振速與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為接近；在相同炸藥量的情況下，爆心距更小的3#鐵塔振速明顯大于2#鐵塔，這與薩道夫斯基公式相符。故二維數(shù)值模型可靠，具有較高的模擬精度，可用于隧道爆破振動(dòng)影響分析。

圖9 實(shí)測與模擬振速對(duì)比

3.4.2鐵塔位移分析

通過有限元時(shí)程分析，得出3座鐵塔在最不利工況下的位移和傾斜率，結(jié)果如圖10所示，見表5。分析可知，①1#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為-0.0015mm，塔基傾斜率為9.1×10-9；2#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為0.0077mm，塔基傾斜率為4.9×10-7；3#鐵塔塔基豎直方向上最大位移為0.0035mm，塔基傾斜率為6×10-8；根據(jù)DLT 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，3座鐵塔的塔基傾斜率均遠(yuǎn)小于不均勻沉降的允許值0.005，可知鐵塔在隧道爆破過程中處于安全狀態(tài)。②3座鐵塔中，2#鐵塔傾斜率最大。數(shù)值模型中，2#鐵塔和3#鐵塔所用炸藥量相同，但爆心距更小的3#鐵塔傾斜率小于2#鐵塔，說明鐵塔高度對(duì)鐵塔塔基的傾斜率影響較大，在實(shí)際施工過程中應(yīng)關(guān)注2#鐵塔的傾斜位移情況。

圖10 鐵塔位移結(jié)果云圖

表5 鐵塔位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.4.3鐵塔應(yīng)力分析

通過有限元時(shí)程分析，得出3座鐵塔的在爆破荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力，結(jié)果如圖11所示，見表6。分析可知，1#鐵塔塔基最大拉應(yīng)力大小為0.07MPa，最大壓應(yīng)力大小為0.07MPa；2#鐵塔塔基最大拉應(yīng)力大小為0.23MPa，最大壓應(yīng)力大小為0.20MPa；3#鐵塔塔基最大拉應(yīng)力大小為0.57MPa，最大壓應(yīng)力大小為0.59MPa；3座鐵塔最大應(yīng)力均出現(xiàn)在塔基處，且均小于鋼材的許用應(yīng)力，因此可知實(shí)際爆破施工過程中控制炸藥量合理，能夠保證鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

表6 鐵塔最大應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖11 鐵塔振速結(jié)果云圖

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析，研究在鐵塔和爆源直線距離最近、單響最大炸藥量的最不利工況下隧道爆破對(duì)臨近3座特高壓電力鐵塔的影響，得到如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，3座塔塔基振動(dòng)速度均隨水平爆心距的減小而增大，3座鐵塔振速均未超過GB 6722—2014規(guī)定的安全允許振速2.5cm/s，鐵塔處于安全狀態(tài)。其中，3#塔最大振速隨爆心距變化趨勢(shì)較為明顯；且在相同炸藥量的情況下，爆心距更小的3#鐵塔振速明顯大于2#鐵塔，說明在實(shí)際爆破過程中，要著重保護(hù)與監(jiān)測3#鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，3座鐵塔塔基的最大傾斜率均小于0.005，滿足DLT 5219—2014規(guī)范要求，3座鐵塔處于安全范圍。其中，爆心距相對(duì)較大2#鐵塔塔基傾斜率最大，說明塔高對(duì)鐵塔塔基傾斜率影響較大，在實(shí)際施工過程中應(yīng)著重關(guān)注2#鐵塔的傾斜位移情況。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，3座鐵塔的最大應(yīng)力均為未超過鋼材的許用應(yīng)力，表明實(shí)際爆破施工中控制炸藥量合理，可保證鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果誤差較小，可知本文建立的有限元模型合理，說明采用數(shù)值軟件模擬隧道爆破對(duì)臨近特高壓鐵塔的影響是可行的。