浅埋隧道爆破振动空洞效应

喻 军 刘松玉 童立元

(东南大学交通学院,南京 210096)

随着高速公路的迅速发展,隧道成为不可或缺的一种构筑物.在隧道施工中,新的施工技术不断出现,如盾构法、浅埋暗挖法、沉管法等.而钻爆法因其所具有的易操作、成本低等优点依然独具优势,但其不足之处是爆破引起的振动对居民生活和建筑物产生不同程度的影响,尤其在城市和闹市区施工.

在隧道进出口段一般埋深较浅,振动效应明显,尤其在成洞区地表振动效应(空洞效应)更大.空洞效应指已开挖区形成的空洞导致其上部地表振动速度大于未开挖部分的地表振动速度的现象.振动空洞效应导致地表振动速度存在区域性变化的特点：成洞区地表振动速度具有放大现象;掘进后方的爆破地震波不符合萨道夫斯基公式给出的衰减规律[1-2].如果不了解振动空洞效应及其规律,会影响到地表振动预测的准确性,进而影响到建筑物的安全预估和爆破方案的制定.对振动空洞效应及其规律进行研究,有助于提高地表振动预测和建筑物的安全预估准确性,为爆破方案的制定提供可靠的依据[3-7].本文采用现场监测的方法研究爆破振动空洞效应的影响因素及其影响规律,并分析空洞效应对方案选择过程中的振动安全评判和安全距离确定的影响.

1 空洞效应衡量指标及现场监测

1.1 空洞效应衡量指标

为了方便评价空洞效应影响程度,即在成洞区地表的放大效应,以掌子面为分界点,对成洞区和非成洞区地表离掌子面相等距离的振动速度进行比较(2个点的比值和差值),其衡量指标分别为振动速度放大系数和振动速度差值.

以掌子面为对称面,隧道轴线上方地表距离相等点的振动速度比值(放大系数)为

式中,Vc为成洞区地表振动速度;Vs为非成洞区地表振动速度.

以掌子面为对称面,隧道轴线上方地表距离相等点的振动速度差值为

1.2 工程概况和实验过程

后云台山隧道是连云港港东疏港高速公路的控制性工程,为六车道双线隧道,左右洞各长约3.7 km,进口位于连云区,人口、房屋密集,出口位于东崖屋村.该地区岩石完整性好,岩性为变粒岩,强度高,爆破引起的应力波在岩体中衰减较慢,传播距离长.在施工中进行跟踪监测,固定成洞区上地表的一个监测点不变,随着掌子面向前推移,非成洞区上的监测点向前移动,保证关于掌子面对称,且每次爆破炸药总量和单段量一致,如图 1所示.其中,p0为掌子面地表监测点,p1为成洞区地表监测点,p′1为非成洞区地表监测点.

图1 振动监测点布置示意图

2 监测数据

从图 2可以看出,在成洞区 5～20 m范围内,掌子面后方振动速度大于掌子面前方振动速度,并且在离掌子面 10m处,二者的差值达到最大;远离掌子面后,二者差值趋近于 0,具有明显的空洞效应.

图2 地表振动速度随距离的变化曲线

由图 3可知,fv并不随 L的增大而单调增大或单调减小,而是随着 L的增大,先有一个增大的过程,然后再有一个减小的过程.此外,在 L=10～20m范围内,fv较大,其值基本在 1.4以上.

图3 fv,ΔV随距离变化曲线

从图 3可以看出,ΔV与 fv随 L变化曲线相似.随着 L的增大,ΔV也是先增大至最大值,然后再逐渐减小.计算结果表明,在 L=5～10m范围内,ΔV从 1.4 mm/s增至 7.4 mm/s,在此区域内,ΔV增大幅值为 6.0mm/s;在 L=10～18 m范围内,ΔV从 7.4mm/s降至 4.4mm/s,在此区域内,ΔV降低幅值为 3mm/s.

3 振动速度影响因素

对于浅埋隧道而言,其地表振动不仅与爆破荷载有关,还与隧道的断面尺寸和埋深有关.选择不同埋深、断面面积、爆破荷载进行模拟分析.

采用 ANSYS/LS-DYNA程序,模型尺寸为沿隧道纵向50m,左右边界距隧道边缘 50m,下部边界距隧道底部 50m;上部边界到地表为自由边界,采用无反射边界条件.力学参数和模拟数据如表 1～表 4所示.

表1 模拟物理力学参数

表2 fv和 ΔV与埋深 H的关系

表3 ΔV与断面面积 S的关系

由表 2可知,隧道埋深的增加,地表振动速度减小,同时,fv和 ΔV随着埋深增加也减小,其中ΔV减小更大,这说明了爆破震动强度随距离逐渐衰减的特点.

由表 3可知,随着隧道断面的增大,地表振动速度也会有所增大,其中 fv和 ΔV也增大.

表4 ΔV与爆破荷载 P的关系

由表 4可知,随着隧道周壁爆破振动荷载的增大,fv和 ΔV逐渐变大.

4 安全判据和安全距离

隧道处于闹市区时,如果采用爆破方法开挖,为确保建筑物的安全,在选择爆破方案时,关键工作是爆破方案的振动安全评判和爆破方案的震动安全距离确定[8-10].

4.1 空洞效应对震动安全评判的影响

隧道爆破开挖时,由于爆破振动空洞效应的存在,成洞区和非成洞区地表的振动强度有较为明显的差异.在隧道掘进爆破过程中,如何考虑爆破振动空洞效应对振动安全评判的不利影响,将直接影响到评判结果的准确性.

由于隧道埋深和断面面积的影响,爆破引起地表振动速度可能大于或小于房屋振动速度的标准值,还有一种可能就是,在未成洞区的地表振动强度小于控制标准,而成洞区的地表振动强度大于控制标准.

从上面分析可知,在 L=5～20m时,成洞区和非成洞区地表的振动速度不一致,必须把最大振动速度控制在安全范围以内.砖房位于未成洞区和成洞区时的振动安全评判结果将会不同,如果忽视爆破振动空洞效应现象,仍然依据砖房位于未成洞区的评估结果来评价砖房位于成洞区时爆破振动对其的影响,会导致施工人员对爆破振动安全性产生错误的判断,所以应以成洞区的振动速度为依据进行判定.而在 L＜5m,或 L＞20 m范围内,忽视爆破震动空洞效应现象,不会导致施工人员对爆破振动安全性的误判.

4.2 空洞效应对振动安全距离的影响

隧道爆破施工时,离建筑物不同距离处,往往采用不同的爆破方案.在爆破方案优选的过程中,需要确定各爆破方案的安全距离.由于爆破振动空洞效应的存在,导致己成洞区上部地表振动速度大于未开挖部分的地表振动速度的现象,这将影响到成洞区和未成洞区安全距离的大小,此时应以成洞区地表振动速度确定的安全距离为依据.

5 结论

1)根据振动速度放大系数 fv和振动速度差值ΔV这 2个指标定量描述沿隧道纵向的变化规律.结果表明,ΔV和 fv随距掌子面水平距离的变化,均先有一个增大的过程,然后再有一个减小的过程.

2)分析了隧道爆破振动空洞效应受到隧道埋深、断面大小和周壁的爆破振动荷载等因素的影响,空洞效应随隧道埋深的增加而减小,随隧道断面增大和隧道周壁爆破振动荷载的增大而增大.

3)对爆破振动空洞效应现象导致判断准则和安全距离的失误进行了分析,如非成洞区的地表振动强度小于控制标准,成洞区地表振动强度大于控制标准,如果忽视空洞效应现象,依据未成洞区的地表振动安全评判来选择成洞区的爆破方案,有可能导致成洞区的爆破方案选择不符合振动安全的要求,进而使得爆破危及到建筑物的安全.

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