城市环境下浅埋隧道爆破振动对下穿建筑物影响分析

2018-05-09易志伟张志强王鸣冠

四川建筑 2018年2期

易志伟，张志强，王鸣冠

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

为缓解或从根本上解决人口增长对城市交通的压力和威胁，修建各种城市隧道呈急剧增长的趋势。但采用爆破方式修建浅埋隧道的经验还是不足。由于城市环境的复杂敏感性，采用爆破的方式在城市环境下修建隧道更为少见。由于城市周边环境复杂敏感，对振动及变形有较高要求，采用爆破施工往往难以保证爆区周边结构物及人员行为安全和不扰民。在爆区一定范围内，当地震动达到一定的强度时，很可能会出现地表开裂、沉降变形等现象，造成施工进度缓慢，经济损失严重等问题，其许多技术难题有待解决。考虑到近接施工的问题，易引起地表和建筑物、构筑物不同程度的破坏。

研究城市浅埋隧道在爆破过程中的力学性态也显得十分重要。一方面解决隧道建设中存在的问题，确保隧道施工安全；另一方面进一步完善和发展隧道设计理论与施工技术，为确定合理的控制爆破方案，制定相应的减震控制措施，最大限度地减小爆破产生的负面效应提供依据和经验。

1 隧道结构设计概况和爆破控制标准

本文以重庆东水门大桥～千厮门大桥渝中区连接隧道为研究背景，该隧道为城市公路隧道，设计行车速度40 km/h，为双向4车道连拱+小净距隧道，隧道左右线全线按洞口连拱隧道、洞身段小净距隧道布设(图1)。

图1 隧道横断面

渝中连接隧道初期支护拱顶距离华夏银行独立柱基础底部3.83 m，边柱、中柱与隧道外边墙的距离为0～8.85 m，空间距离非常接近，爆破施工对其上建筑基础的影响很大。根据GB 6722-2014《爆破安全规程》(以下简称《安全规程》)中的规定，各类建筑物的爆破震动安全允许标准如表1所示。

建筑物的爆破振动安全允许标准与建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素有关。基于《安全规程》中的规定，并同时考虑围岩参数和周边建筑物与隧道的相对位置关系，选取最大震速的临界值为30 mm/s。

表1 爆破振动安全允许标准

2 数值模拟分析

本文采用ANSYS显式动力有限元模拟软件进行三维数值模拟分析。隧道初期衬砌和二次衬砌采用实体单元，开挖方式采用中导洞+左右洞单侧壁导坑法。模型纵向长50 m，房屋前后各约18.5 m。华夏银行独立柱基础单独建立模型(实体单元)，桩基按平面图设7×4个(按线性排布)。土地分为三层，最上边为素填土，中间为泥岩，下层为砂岩(图2)。

图2 三维模型

计算中地表建筑自重及活荷载按GB 50009-2001(2006版)《建筑结构荷载规范》中的要求取值，各个桩基的荷载承受值按GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》进行取值。

由于采取了微差爆破，以及掏槽眼为后续创造了临空面，根据现场监测和数值分析，最大震速出现在掏槽时刻，故只对掏槽眼爆破进行研究。对于掏槽孔，由于采用加强装药，故计算时采用偶合装药，爆破荷载的峰值取为20.90 GPa(图3～图5)。

图3 独立桩基分布

图4 爆破临空面

图5 掏槽眼布置

3 时程分析结果

通过数值分析发现，中导洞和左导洞的爆破对桩基影响最大。为了选择合理的爆破震速，在保证邻近建筑物安全的基础上，获得最大的施工进度，分别研究2 m和1 m进尺爆破时，中导洞和左导洞爆破震速对建筑物影响，进而确定出合理的爆破施工参数。

3.1 中导洞爆破对独立基础的影响

爆破进尺分别为2 m和1 m时，掏槽爆破时桩顶和桩底各关键点震动速度如表2所示。

由表2可知，在掏槽爆破2 m进尺时，桩基振动速度最大值较大，大部分超过《安全规程》临界值30 mm/s。在掏槽爆破1 m进尺时，桩基的振动速度较大，最大震速值未超过《安全规程》临界值30 mm/s，因此应采用进尺1 m爆破。中导洞1 m掏槽起爆最大震速时程曲线如图6所示。

3.2 左导洞1 m掏槽眼爆破对独立基础影响

在中导洞爆破的基础上，再次进行左导洞爆破，四个掏槽眼同时起爆，没有临空面，因此爆破引起的桩体震速较大。

表2 爆破时各个关键点速度峰值 mm/s

在上述中导洞爆破的基础上，再次进行左导洞爆破，四个掏槽眼微差分段起爆，所引起的桩体震速较小。通过有限元瞬态动力分析，不同监测点位置的水平竖向最大振动速度如表3所示。

表3 左导洞掏槽爆破各个关键点速度峰值 mm/s

图6 中导洞1 m掏槽起爆最大震速时程曲线

由表3可知，在掏槽爆破1 m进尺掏槽眼同时起爆时，桩基的振动速度较大，部分最大值超过《安全规程》临界值30 mm/s，因此左导洞不适合进尺1 m掏槽眼同时起爆条件。在掏槽爆破1 m进尺掏槽眼分段起爆时，桩基的最大振动速度个别值超过《安全规程》临界值30 mm/s，因此左导洞适合进尺1 m掏槽眼分段起爆条件。左导洞1 m掏槽眼两次分段起爆最大震速时程曲线如图7所示。