沉管隧道基槽爆破开挖作用下邻近地铁隧道力学响应

沈　可, 魏立新, 刘庭金, 杨春山

(1. 广州市中心区交通项目领导小组办公室， 广东 广州　510030； 2. 广州市市政工程设计研究总院， 广东 广州　510060； 3. 华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州　510641)

0　引言

沉管隧道以其诸多的优点在越江跨海通道中得到了越来越广泛的应用[1]，与此同时，其应用过程中存在的问题也日益受到人们的重视，不少专家学者开展了相关的研究。文献[2-3]借助模型试验和数值法，研究了地基沉降节段接头剪力键力学性状和剪力的分布情况； 文献[4-5]讨论了沉管隧道地震反应分析中建立三维精细化模型所需关注的问题； 文献[6-7]利用足尺模型试验，探索了沉管隧道砂流法砂盘形状及其扩展机制。上述研究大多集中在沉管结构受力与基础处理上，对于隧道建设引起的环境力学效应问题却鲜见报道。

随着沉管隧道建设的日益增多，不可避免地与邻近既有建(构)筑物相互影响；沉管隧道施工引起的环境效应主要源于基槽爆破开挖，因此，基槽爆破开挖作用下邻近结构的力学响应特征值得研究。基槽爆破开挖产生振动和卸载效应，其作用机制复杂，影响因素众多，通过理论分析异常困难，试验观察也极为复杂；相比之下，数值计算能够较好地刻画特殊点处的响应规律，得到在试验中无法获取或需很大代价才能测得的部分数据，从而得到较好的发展[8]。

以车陂路—新滘东路沉管隧道为依托，通过实测评价邻近既有地铁隧道运营现状，借助有限元软件ABAQUS与MIDAS GTS分别建立新建沉管隧道基槽爆破振动及开挖卸载三维计算模型，分析基槽爆破开挖作用下邻近地铁结构的力学响应特征，探索既有地铁结构安全判据并做出评价。

1　工程概况

车陂路—新滘东路隧道工程位于广州市天河区和海珠区，隧道南起新港东路，下穿珠江向北止于黄埔大道交叉口，全长2.1 km，越江段492 m采用了沉管隧道。隧道与地铁4号线车陂南—万胜围盾构区间隧道相邻，沉管结构、基槽边缘与地铁平面最小净距分别约为60、13 m，具体位置关系见图1。沉管隧道基槽底宽为34.4 m，采用爆破开挖，爆孔直径为105 mm，装药直径为72 mm，单孔最大装药量8～10 kg，装药密度1.0 kg/cm3。

根据现场勘察资料可得到表1所示隧址土层物理力学参数。针对基槽处不同地质情况，通过工程类比，结合强度折减法分析结果，设定淤泥和砂层、可塑—硬塑黏土层、全风化岩及强—中风化岩层基槽开挖坡率分别为1∶4、1∶3、1∶2、1∶1。既有地铁隧道为盾构区间段，衬砌管片直径为6 m，环宽1.5 m，衬砌厚为30 cm；盾构管片采用C50混凝土，弹性模量为3.45×107kPa，重度为24.5 kN/m3，泊松比为0.167。

(a) 平面关系　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 立面关系

土层代号岩土名称泊松比重度/(kN/m3)剪切强度内摩擦角/(°)黏聚力c/kPa压缩模量Es/MPa变形模量E0/MPa①2填土0.3618.010.010.0 ②1淤泥质粉质黏土0.3816.04.05.02.38③1粉质黏土0.3019.515.015.04.515④1粉质黏土0.3019.520.015.04.015⑤1全风化岩0.2719.025.020.050⑤2强风化岩0.2620.030.025.0100⑤3中风化岩0.2520.5150

2　既有地铁隧道运营现状评价

当前地铁隧道结构受影响分析中均未对既有隧道结构现状做评价分析，仅探讨了新建构筑物产生的环境效应；事实上，既有地铁隧道长期受到周围建筑环境和列车循环荷载的影响，其运营状况某种程度上决定着既有结构对新建(构)筑物的力学响应程度。

为了准确评价车陂路—新滘东路沉管隧道基槽爆破开挖的影响，确保既有地铁结构的安全，开展邻近地铁4号线隧道区间段过去5年实测位移分析。定义地铁隧道以南岸为0点，向北岸每隔30 m间距为一监控点，位移向下为负，反之为正。

江中段既有地铁隧道实测位移如图2所示。由图2可知： 邻近沉管隧道的江中地铁区间隧道现状累计最大沉降值为1.89 mm，最近半年的最大沉降速率为0.01 mm/d，累计沉降和沉降速度均远小于《城市轨道交通工程监测技术规范》[9]规定的10 mm和3 mm/d，结合当前该区间盾构隧道运营状况，认为该区间盾构隧道现状处于安全稳定状态。

(a) 左线隧道累计位移

(b) 右线隧道累计位移

Fig. 2Measured displacements of existing metro tunnel under river

3　基槽爆破开挖三维数值计算

3.1　计算模型的建立

基于运算精度、成本及必要性考虑，基槽爆破动力计算模型取江中段地铁隧道与沉管段最近(60 m)的部分区域，如图3所示。采用无爆孔模型(虚拟爆孔)，计算模型X、Y、Z方向尺寸分别为180、102、80 m，模型含68环管片。

图3　基槽爆破振动三维计算模型

Fig. 33D calculation model of foundation trench blasting vibration

模型利用黏弹性人工边界来吸收边界上的反射能量，黏弹性边界通过设置阻尼和地基弹簧来表征。由结构动力学知识可知阻尼系数Cs=ρvs、Cp=ρvp(式中vs、vp分别表示剪切波和纵波的波速)。 由弹性力学知识可知，介质中波的传播速度是常数，可表示为：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：E为弹性模量；ν为泊松比；ρ为介质密度。

通过式(1)和式(2)计算得到不同土层对应的阻尼系数，如表2所示。对于动力计算模型中的弹性边界，借助地基弹簧实现。目前对于地基弹簧的参数取值未获得统一的认识，主要采用经验公式法[10]、经验值总结[11]及理论分析法[12]确定，本文采用经验公式[10]

(3)

式中：k0为土层侧压力系数;Es为土层压缩模量。

通过计算得到不同土层的k值，见表2。

表2　岩土材料阻尼与地基系数

爆炸振动时的冲击波作用持续时间为1 μs～100 ms，爆孔压力大多持续数百μs衰减[13]，此次爆破振动分析持续的时间取1 ms。爆破振动荷载参考文献[14]，通过程序计算得到爆破荷载曲线，如图4所示，其中荷载系数为16 338。爆破荷载以等效压力形式作用于图4的虚拟爆孔。

图4　爆破荷载曲线

沉管基槽开挖完卸载应力扰动计算模型见图5，模型计算区域的选取充分考虑了基槽开挖边界效应，X、Y、Z方向尺寸为700、270、55 m。模型中土层、运营地铁隧道结构分别利用三维实体单元与壳单元模拟，土层采用理想弹塑性Mohr-Coulomb模型，地铁结构则用弹性模型。模型侧面约束水平位移，底面约束竖向位移，顶面为自由面不加约束。模型计算工况包括初始应力场分析(位移清零)、既有地铁隧道施作(位移清零)和沉管基槽开挖。

(a) 整体计算模型

(b) 地铁隧道与基槽位置

3.2　既有地铁隧道安全判据

对于爆破振动效应的安全判据尚未形成一致的认识，先后采用质点振动的最大位移、最大加速度、最大速度、频率及能量比等作为衡量标准。爆破振速与构筑物破坏的相关性最好，用爆破峰值振速描述振动强度具有较好的代表性，是估算爆破振动破坏等级的常见标准，如： 文献[15]采用最大振速2.5 cm/s作为安全判据，文献[16]则取振速2.7～3 cm/s作为安全阈值。该项目综合考虑现有规范限值，结合项目特点，取2.0 cm/s作为振速安全阈值。

由于岩土工程与地铁结构本身的复杂性，不同施工工艺和施工顺序引起的地铁结构的附加变形和内力大小也不相同，难以建立具有广泛适用性与合理性的控制标准。该项目主要参考文献[15]中预警位移限值10 mm作为安全判定标准。

3.3　数值计算结果与分析

爆破振动动力计算100 μs时隧道结构对应的振速云图见图6，最大振速为0.359 cm/s。为了考察动力计算模型的可靠性，采用理论振速公式[17]计算不同位置的振速，且与数值结果对比。

(4)

式中：v为地震运动质点最大速度， cm/s；α、β为与爆破场地有关参数，α=0.676～4.04，平均值为1.85，β=1.083～2.346，平均值β=1.536；Q为装药量， kg；R为测点至爆源的距离， m。

取与爆破点60 m距离的振速和爆破设计参数反演式(4)计算参数，并计算其他不同位置振速，结果见图7。由计算分析可得到如下认识： 1)数值计算结果反映了理论计算结果的趋势，因此采用的动力模型具备一定的合理性； 2)由沉管基槽爆破振动引起的既有隧道结构最大振速为0.359 cm/s，远小于设定的安全振速限值(2.0 cm/s)，说明隧道受爆破振动影响较小； 3)当距离爆破点约25 m以上时，基槽爆破引起的振速可满足稳定要求。

图6　100 μs对应的速度云图(单位： m/s)

图7　最大振速理论与数值计算结果

Fig. 7Maximum theoretical vibration velocity and numerically calculated results

基槽开挖卸载模型建立的思路与动力模型相近，差别在于静力模型计算范围更大且旨在分析基槽开挖完成后因卸载引起的应力扰动，基于上述考虑认为三维静力计算模型具备可靠性。基槽开挖完成后因卸载导致的隧道结构位移云图如图8所示，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。左右线隧道总体位移如图9所示。

(a) 水平位移

(b) 竖向位移

Fig. 8Displacements of metro tunnel after foundation trench excavation (unit: m)

图9　基槽开挖后地铁隧道总体位移

Fig. 9General displacements of metro tunnel after foundation trench excavation

由图8—9可知： 隧道最大水平、竖向位移分别为1.18 mm和1.27 mm，隧道左、右线总体位移最大分别为1.72 mm和1.68 mm，最大位移均出现在距基槽边缘相对较近的位置。数值计算结果为基槽开挖扰动引起的位移增量，计入前期累计沉降后，基槽开挖扰动后地铁隧道累计最大沉降为3.16 mm，小于位移预警值(10 mm)，隧道结构处于安全状态。

邻近既有地铁隧道结构最大主应力云图如图10所示。由图10可知： 基槽开挖前最大主应力为4.062 5 MPa，基槽开挖完成后对应的最大主应力4.072 MPa，故由基槽开挖引起的附加应力为9.5 kPa，小于规范[16]规定的20 kPa限值，即结构处于安全状态，与位移控制分析结果吻合。

(a) 基槽开挖前

(b) 基槽开挖后

图10基槽开挖前后地铁隧道最大主应力(局部显示)(单位： MPa)

Fig. 10Maximum principal stress of metro tunnel before and after foundation trench excavation (local) (unit: MPa)

4　结论与建议

1) 邻近沉管隧道江中地铁区间隧道现状累计最大沉降为1.89 mm，近半年的最大沉降速率为0.01 mm/d，两者均小于规范规定的控制值，故既有隧道结构现状处于安全状态；

2) 沉管隧道基槽爆破振动引起的隧道结构最大振速为0.359 cm/s，小于设定的振速安全阈值(2.0 cm/s)，既有隧道结构受爆破振动影响不明显，爆破振动的安全距离值为25 m；

3) 基槽开挖扰动后引起的地铁隧道累计最大沉降为3.16 mm，附加应力为9.5 kPa，均小于规范设定的位移预警值(10 mm)，且小于附加应力限值(20 kPa)，隧道结构处于稳定状态。

对邻近结构建设环境力学效应分析时，有必要开展既有构筑物使用力学现状评价，以更准确合理地评估既有结构受扰动后的运营状况；沉管隧道基槽爆破开挖前，需要借助有效分析手段寻求爆破开挖安全距离，从而设定基槽爆破与凿岩的范围。需要说明的是，爆破振动与天然地震作用特征不相同，单纯采用峰值振速评判隧道结构力学影响存在局限性，后续研究尚需建立耦合多个指标相对全面的判据，以提高振动安全评价的准确性和合理性。