隧道爆破施工对邻近桥梁安全的影响

孟灵鑫 陈德云

( 温州信达交通工程试验检测有限公司,浙江温州 325000)

采用钻爆法施工的隧道对周围环境扰动较大,巨大的空气冲击波易对周围环境造成破坏[12]。 很多学者对爆破振动进行了研究:H.Dowdin[3]通过建立地面结构的单自由度模型,研究了地震和爆炸振动对建筑物的影响。 R.P.Dhaka[4]认为高频振动作用下加速度大,响应小;在低频振动作用下,加速度小,但是响应很大。 刘军[5]等通过实测数据建立了爆破振动影响函数关系式。 以往研究方法多为基于现场实测数据建立某种关系,进而进行理论预测[67]。 以下通过数值模拟,利用FLAC3D 有限差分软件中的动力分析,研究金钱龙隧道施工爆破对邻近高速公路下白岩桥的影响。

1 工程概况

金钱龙隧道进口位于浙江省永嘉县黄田镇上白岩村,出口位于瓯北镇安丰村,采用上、下行分离的隧道形式。 金钱龙隧道与现状S10 温州绕城高速公路下白岩桥水平净距为147 m,隧道进口路面与下白岩桥面高差为5.67 m。 相对位置关系如图1 所示。

图1 金钱龙隧道与下白岩桥位置关系

2 隧道爆破理论分析

2.1 浅孔爆破参数设计

根据设计资料,金钱龙隧道进口为Ⅴ级围岩,主要为强-中风化晶玻屑熔结凝灰岩。

(1)进口断面参数

断面中心高9.83 m;断面宽度为12.46 m;

(2)炮孔直径(D)

选用直径为40 mm 的钻头,则取孔径D=40 mm。

(3)钻孔深度(L)

根据经验公式,有

式中 L——钻孔深度/m;

H——台阶高度/m;

α——钻孔倾角/(°);

h——超深/m(超深公式h=(0.1 ～0.15)H,实际情况取h=0.1 ～0.5 m)。

依据设备能力、作业条件、边坡坡度要求,选择合适的钻孔角度。 已知台阶高度为1.0 ～4.5 m,则取L=1.1 ～5.0 m。 施工时,应根据实际情况适当调整炮孔深度参数,以确保孔底位于设计的台阶平面上。

(4)底盘抵抗线(W底)根据经验公式,有

在坚硬难爆的岩体中,或台阶高度H 较高时,计算时应取较大的系数。

施工时一般取W底=0.8 ～1.5 m。

(5)标准单位炸药消耗量(q)

根据本工程区内岩石的性质、构造等因素,q 取0.4 kg/m3。 在实际操作过程中,应根据岩石性质的改变及时进行必要的调整。

应根据开挖台阶高度、抵抗线、岩石坚硬程度的不同,计算合理的装药量。 当单位炸药消耗量(q)为0.4 kg/m3时,可参考表1 进行参数选取。

表1 浅孔爆破参数(D=40 mm)

2.2 爆破振动对高速桥的理论影响分析

隧道洞口所穿越地层为Ⅴ级围岩,根据《爆破安全操作规程》[13],取K=150,α=1.5。 最大单响药量为13.5 kg,按Q = 20 kg 计算,爆破区距绕城高速约147 m,有v=0.5 cm/s,小于允许振速v=8 cm/s。

从理论上分析,隧道爆破对于高速公路桥梁无安全性影响。

3 爆破施工对既有建筑动力响应的数值仿真分析

3.1 模型的建立

根据金钱龙隧道进口周围建筑物(主要考虑绕城高速下白岩桥桥面及桥桩)的相对位置关系(如图2)及隧洞与周围建筑物的实际尺寸,运用FLAC3D 建立几何模型。 模型尺寸为400 m×700 m×137 m,共 计718 604个单元。

图2 金钱龙隧道入口几何模型

本次数值计算中,假设岩体为均一、连续的弹性介质,采用摩尔-库伦准则对本构模型进行简化,动力计算边界条件采用粘滞边界条件,模型的前后、左右、底部边界均施加粘滞边界条件,上边界采用自由约束条件。 岩石主要力学参数见表2。

表2 岩石主要力学参数

3.2 爆破振动监测点的布置

桥面监测点分左右线布置,间隔25 m,左线布置监测点14 个,右线布置监测点5 个。 桥桩监测点布置于中间桥桩,对桥桩中部、底端两个位置进行监测,监测点编号与桥面编号方向相同。 左线监测点共计2×14=28 个,右线监测点共计2×5=10 个(如图3)。

图3 绕城高速下白岩桥桥桩

3.3 爆破荷载模拟

(1)爆破峰值荷载时间

爆破荷载以动力加载的方式进行模拟。 常用的加载方式有两种:①按照炸药爆轰理论计算炮孔压力,直接将爆炸荷载作用于炮孔壁上;②利用经验公式计算动荷载,按照三角形脉冲波施加于开挖边界。 考虑到隧道掘进爆破的质量要求,爆破一般不会造成开挖区边界的围岩破裂(围岩属于弹性变形)。 因此,在隧道爆破振动效应模拟中,多采用经验公式计算动荷载,按照三角形脉冲波施加于开挖边界。 从形式上来看,三角形脉冲波动荷载是爆炸冲击简化荷载的一种延伸,常用的三角形脉冲波爆破动荷载峰值较小,一般假定加载时间为8 ～12 ms,卸载时间为40 ～120 ms,即卸载时间为加载时间的3 ～15 倍。

(2)爆破峰值荷载

在隧洞爆破施工过程中,第一段位炸药爆破仅基于一个临空面的条件,能量损失较小,而后续爆破时临空面较多,能量损失较大,故一般情况下,第一段位炸药爆破作用在围岩上的能量最大,产生的地震波效应也最大。 以下主要模拟掏槽孔爆破对既有隧洞的影响。

根据Hsin yu low,Hong hao[14]对现有众多爆破荷载峰值公式的统计分析,爆破荷载的应力峰值Pmax(开挖边界)可采用经验公式求解,有

式中 Z——比例距离;

R*——爆心至荷载作用面的距离;

Q——炸药量。

根据经验公式,对开挖边界爆破荷载峰值进行估算[15]。 Ⅴ级围岩隧道进口段采用预留核心土法施工:进尺1.2 m 左右,单段最大药量为13.5 kg,R*采用等效面积法,取4.51 m,得Z=1.894, 荷载峰值Pmax=625 580.9 Pa。 爆破时程如图4 所示。

图4 爆破时程

(3)爆破阻尼

本次计算采用瑞利阻尼,根据经验,岩土体的阻尼比参数取0.5%,振动主频取100 Hz。

3.4 数值计算结果分析

数值计算中时间步长取0.001 s;共计算1 000步,计算时长为1 s。

(1)桥面数值仿真计算结果

隧道进口处爆破对绕城高速下白岩桥桥面影响云图如图5 所示。

绕城高速下白岩桥左线桥面监测点振动速度如图6 所示。

图5 对绕城高速下白岩桥桥面的影响云图

图6 左线桥面监测点振动速度时程曲线

绕城高速下白岩桥右线桥面监测点振动速度如图7 所示。

(2)桥桩数值仿真计算结果

通过FLAC 数值模拟计算,隧道进口处爆破对绕城高速下白岩桥桥桩的影响如图8 所示。

绕城高速下白岩桥左线桥桩中部监测点振动如图9 所示。

绕城高速下白岩桥左线桥桩下部监测点振动速度如图10 所示。

图7 右线桥面监测点振动速度时程曲线

图8 对桥桩的影响云图

绕城高速下白岩桥右线桥桩中部监测点振动速度如图11 所示。

绕城高速下白岩桥右线桥桩下部监测点振动速度如图12 所示。

根据数值模拟结果可知:

(1)爆破对绕城高速下白岩桥桥面产生的振速最大值为1.3 cm/s(左线)、 1.6 cm/s(右线),均处于安全设计振速(2.5 cm/s)以下。

(2)因承台的固定作用,爆破对绕城高速下白岩桥桥桩中部和下部影响相对较小,爆破产生的振速不超过0.6 cm/s,远小于安全设计振速(2.5 cm/s)。

4 数值计算结果与现场实测数据对比分析

选取了下白岩桥右线桥面3 个测点及3 个中下部桥桩测点进行现场监测,以爆破振动速度的峰值来描述振动强度。 现场爆破振动峰值速度监测数据与数值

图9 左线桥桩中部监测点振动速度时程曲线

图10 左线桥桩下部监测点振动速度时程曲线

图11 右线桥桩中部监测点振动速度时程曲线

图12 右线桥桩下部监测点振动速度时程曲线

计算结果对比如表2。

表2 数值计算结果与实测数据对比分析

由表2 可知,数值计算结果与现场实测结果基本吻合。

5 结论

对下白岩桥桥面及桥桩的振动情况进行了数值模拟分析及现场实测,模拟结果与现场实测数据基本吻合。 从现场实测数据看,爆破振动速度均小于安全设计振速,爆破振动对下白岩桥安全影响不大,可通过控制炸药量及优化爆破参数保证其安全。