地铁下穿既有铁路桥的爆破动力响应分析

2020-05-07于德海秦凯凯

科学技术与工程 2020年8期

于德海，秦凯凯

(1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，大连 116026；2.云南省建设投资控股集团有限公司，昆明 650217)

地下空间的开发与利用，由于其特殊的地下环境，将会给工程带来很大的难度与未知的破坏。尤其是在城市地铁隧道工程中，隧道上部一般都是城市道路、房屋建筑以及立交桥等既有构筑物，施工方法的选择稍有失误，就会造成不可估量的损失。爆破法在隧道工程中被广泛应用，但这种施工法由于爆破振动会对周围建(构)筑物产生很大影响，严重者会造成塌方、伤亡等重大事故。因此，合理控制爆破开挖对构筑物的影响已成为近接施工中急需解决的问题。

有关学者对隧道爆破振动效应进行了研究。龚建伍等[1]对福州国际机场鹤上三车道小净距隧道工程进行了研究，对小净距隧道中间岩柱在爆破荷载作用下的振动响应进行了相关模拟与监测，分析了振动波在不同级别围岩、不同监测位置的传播及分布规律。张国华等[2]结合大帽山大断面隧道群的数值模拟与声波监测的现场对比，研究了推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围。刘明高等[3]对国内小净距隧道的爆破现状进行了系统分析，认为其设计施工关键技术主要在于小净距隧道的合理净距、爆破参数、施工方法、加固技术等。郑大榕[4]对南京城市地铁隧道的爆破开挖与振动控制进行了研究，详细介绍了南京地铁隧道工程施工中所采用的开挖方法，以及所采取的控制爆破振动措施，其经验可为同类工程提供借鉴。迟明杰等[5]结合爆破作用下微裂纹扩展机理的分析，将爆破振速耦合到裂纹损伤断裂条件中，并给出了不同条件下岩溶区隧道爆破开挖安全控制的建议标准。这些研究者都是结合数值模拟从控制振速影响因素和振速在空间分布特性和衰减规律这两方面来进行研究，而在实际工程中，通过振动速度的反馈分析研究各种爆炸性冲击作用下如何有效地防护各种建筑物和构筑物免遭严重破坏、最大限度地降低损失才是最能直观体现工程价值的。为此，将振速与爆破振动影响的构筑物结合起来，从数值模拟分析与实际工程研究中分析波的传播规律及衰减特性，这是一项重要而现实的研究课题。综上所述，由于大多数研究主要集中于隧道爆破施工过程中的影响因素[6-9]以及振速在空间的分布特性和衰减规律[10-12]，而对地铁隧道爆破对既有构筑物的影响效应研究较少。因此，以大连地铁2号线208标马湾区间浅埋暗挖隧道下穿魏台桥特殊地段为研究对象，通过三维有限元程序仿真模拟以及工程现场动态监测对比，研究爆破振动对既有构筑物的动力响应问题，以便为工程实践提供参考。

1 工程概况

大连地铁2号线208标马湾区间为下穿西部大通道高架桥及魏台桥的浅埋隧道，线间距为13.513 m，区间隧道为马蹄形断面，矿山法施工。区间穿魏台桥里程范围长度为90 m，桥面宽度为22 m。桥下有5排桥桩，沿长度方向每排桥桩间距为15 m，沿宽度方向桥桩间距为6.5 m。隧道基岩为钙质板岩，从地面至隧道顶端的地层情况分别是杂填土、冲洪积层—粉质黏土、硬塑状残积层—粉质黏土、岩石强中风化层。隧道岩土体的物理力学参数根据试验和已有资料进行确定，如表1所示。

表1 土体材料参数

2 计算模型的建立

2.1 数值模型

计算模型中，隧道最大断面直径为6.5 m，纵向长度取30 m，两隧道平均埋深取20 m，隧道间隔7 m；根据实际情况，桥梁模型宽度为22 m，长34 m，桩径为1.2 m，横向桩间距为6.5 m，纵向排桩间距为15 m。模型网格单元数为51 152个，节点数为12 047个，有限元模型如图1所示。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

整个数值模拟分为静力分析和动力分析两部分。静力分析时，前、后、左、右边界条件设置为水平约束，模型的底部设置为固定端约束，模型的上表面为地表，设置为自由边界。进行动力分析时，去除静力分析模型的原有静力边界条件，并且施加黏性边界和自由场边界条件。

2.2 阻尼比

为了定义黏性边界，需要计算相应的阻尼比，其计算公式为

(1)

(2)

式中：λ为体积弹性系数，kN/m2；G为剪切弹性系数，kN/m2；E为弹性模量，kN/m2；ν为泊松比；A为截面积，m2，ρ为密度，kg/m3；W为质量，kg。

2.3 爆破荷载

在动力分析中，采用人工计算爆破荷载来模拟，每1 kg的爆破荷载为

(3)

(4)

式中：Pdet为爆破压力，Pa；PB为孔壁面上的压力，Pa；Ve为爆破速度，m/s；dc为火药直径，mm；dh为孔眼直径，mm；Sg为密度。

这里不仅决定了爆破时发生的空气动压力的大小，而且也说明实际作用在孔壁上的动压力随时间的变化状态。

利用有关时程的Statfield动压力方程表示每1 kg装药量的动压力。

(5)

式(5)中：B=16 338，是荷载常数。

在实际工程中，取单孔最大装药量来模拟其最大影响效应。由此计算出爆破动力荷载PD(t)曲线，如图2所示。

图2 模拟爆破荷载Fig.2 Simulation of blasting load

3 数值模拟结果分析

3.1 爆破对土体及构筑物的影响分析

越来越多的工程实践和监测成果表明，爆破振速对建筑物的安全有着很重要的影响。为了更好地与现场实测数据进行对比，本次模拟的振速结果如图3所示。

从图3可以看出，爆破荷载在土体内部传播时，为圆环形向外辐射传播，隧道壁受爆破冲击荷载产生的最大振速为10×10-2m/s，符合GB 6722—2003《爆破安全规程》中的安全允许标准。在爆破振速波到达地表构筑物后，其传播频率受结构自有频率的影响出现差异性衰减趋势，由云图还可以看出，爆破地震波振动速度峰值在距爆源较近区域的衰减速度远大于爆源远区，同时沿深度方向的衰减速度大于水平方向。工程中最为关注的桥梁结构模拟最大振速出现在75 ms时，最大振速为1.97×10-2m/s。

此外，爆破对周围土体及构筑物产生的应力、应变如图4、图5所示。由图可知，在爆破力达到峰值时，开挖隧道最大拉应力为-0.907×102kN/m2。随着振动的传播，隧道上部、右侧及上部构筑物也开始出现拉应力，且应力值逐渐减小。当振动传播到上部结构时，桥桩最先出现应力集中，且应力值较大，在爆破隧道壁下部及桥桩处易出现塑性区，在现场施工中应注意其受力及变形。

3.2 爆破对衬砌及桩的影响分析

爆破对衬砌及桩的影响模拟结果如图6所示。由图6可以看出，最先受到爆破振动扰动的结构物为距离爆源最近的右侧隧道衬砌，且随着爆破卸载波的释放，对衬砌的扰动范围逐渐扩大，且最大振速出现在爆源侧X方向拱腰位置，最大振速为2.01×10-2m/s。对桩的影响表现为在10 ms时爆源最上方的桩受到爆破振动波扰动产生振动，桩受到的最大振速峰值为1.64×10-2m/s，随着爆破地震波的传播，受振动影响的桩增多，振速逐渐减小。且在图中90 ms时刻，爆源上方桩的最大振速峰值又增大为1.56×10-2m/s，即两次出现振速峰值，这说明爆破冲击波有比较强烈的多次反射性。在波的多次反射中，并不是只有距离爆源最近的桩容易出现振速峰值，当波在结构中反射时，距离爆源较远距离的桩有时也会出现振速峰值，因此，在具体施工中，需要对整个桥结构进行监测分析，尤其对旧桥结构薄弱区或应力集中处应进行加固保护措施。

3.3 不同深度处爆破振速波形的分析

在地基及构筑物上选取监测点，观测其振速数值并与实测值对比，如图7所示。在隧道正上方布设4个监测点，按照网格节点进行编号，分别为11 420、3 336、3 643、3 603，对应数值图中的绿色、粉色、蓝色、橙色点。

由定点监测数值分析可知，不同位置处的监测点其振速达到峰值的时间与峰值大小均不同。由图7可以看出，越靠近爆源附近，监测点的振动越早达到峰值，且振速峰值越大。说明越靠近爆源，其受振动波的扰动越明显，但其振动衰减也较快。其中点11 420为桥面Z向振速监测值，为1.1×10-2m/s，与实际Z向监测值0.98×10-2m/s对比可见，模拟值与实测值基本相符。

图3 爆破模拟结果Fig.3 Blasting simulation results

图4 最大主应力云图Fig.4 Maximum principal stress nephogram

图5 应变云图Fig.5 Strain nephogram

图7 定点Z向振速波型监测Fig.7 Z vibration velocity wave type of monitoring

图8、图9分别为实测的V值振速(水平振速)和Z值振速(垂直振速)。实测的Z值振速出现在38 ms时，最大振速为1.05 cm/s，比模拟振速小0.92 cm/s，原因可能为实测测点与爆源存在50 m左右的距离。既有隧道的最大振速出现在10 ms时的靠近爆源侧的隧道壁，最大振速为2.75 cm/s，说明近距离爆破会对既有隧道衬砌安全产生很大影响，在实际工程中需增加衬砌厚度。