路堑爆破开挖对既有铁路路基振动影响研究

陈永伟

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300450)

随着我国公路建设不断发展,新建公路与运营线路近接的情况日趋普遍,而路堑爆破施工会对既有运营公路和铁路会产生较大影响。因此,研究路堑爆破施工对既有铁路的影响很有必要[1-4]。

目前,许多学者研究爆破振动对既有结构物的影响,苗博宇等采用萨道夫斯基经验公式研究路堑爆破后既有结构物的最大质点振动速度[5-6];朱永学等利用有限元分析爆破振动的传播规律[7-10];徐海等应用非连续变形分析法(DDA)研究垮塌区隐患资源在爆破动荷载作用下的变形响应[11]。

在路堑或基坑近接既有建筑物爆破施工的研究中,张天宇基于故障树法分析路堑爆破影响既有建筑物的因素,并提出相应爆破施工对策[12];刘明杰等提出减少装药量、采用电子数码雷管等方法可减小对周边居民区的影响[13];叶明班等基于背景工程结合岩质边坡下部台阶爆破开挖进行现场振动监测,建立岩质边坡动力响应数值计算模型,系统分析了边坡岩体质点峰值振速、应力场及位移场的变化和分布规律[14]。然而,针对路基开挖爆破对近邻既有路基的振动影响研究十分有限。

依托延安-延川高速公路(简称“延延高速”)连接线路基扩堑工程,利用数值模拟计算分析爆破对近接既有线路基的振动影响,并结合经验公式对爆破振动峰值速度进行计算,以期对爆破振动的影响进行研究。

1 工程概况

基于延延高速连接线设计速度为60km/h,双向六车道,路基宽32.0m,设计汽车荷载等级为公路Ⅰ级。

延延高速连接线工程落位于延安市市区东北部,地貌上属黄河南岸高阶地区,总体地势南高北低,中间高两侧低,地形起伏较大,部分地段地形陡峭。延延高速连接线K13+813.000～K14+481.427段为路堑,其底部花岗岩需采用控制爆破施工,该处与包西铁路营业线最小间距为8m。

炮眼爆破方向应沿公路走向,设计开挖梯段高度(台阶高度)H不超过2m,其炮眼排距b<1/2H,炮眼间距a为1.1b。为便于清方,取H=1.5m,b=0.6m,a=0.7m,炮眼深L=1.1H。

路堑与既有线近接关系见图1。图1中,监测点1～3分别位于坡脚外3m、6m、9m。

图1 路堑与既有线近接关系(单位:m)

2 数值计算与分析

根据岩土工程特性,利用三维数值模拟计算分析路堑爆破开挖对路基振动影响。

2.1 计算模型和参数

路堑工程近接既有铁路路基的三维数值模型中,地层岩土均采用弹塑性实体单元模拟,服从摩尔库伦准则。

根据地勘报告,地层物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数

数值计算模型范围为:横向取143m,模型底部取拟建路基下方90m,顶面取地表。四周为自由场边界,用于吸收振动能量。模型中,采用六面体单元,计算模型共5039个节点、9198个单元。路堑工程三维数值模型见图2。

图2 计算模型

模型采用实体单元,岩土体采用摩尔库伦本构模型。采用Flac3D进行动力计算时,采用局部阻尼,阻尼参数取0.16。

2.2 爆破参数计算

将爆炸荷载以等效应力的方式作用于边界,荷载时程为

Pb为爆破最大值,有

f(t)为指数型时间滞后函数,有

式中,n、m为爆炸脉冲起始位置和脉冲波形参数;P0为使f(tg)成为最大的系数(当t=tg时);v为炮孔速度函数,有

式中,cp为振动波纵波波速;a为炮孔直径。

tg为峰值时间,有

P0的表达式为

调整m、n,使得升压时间为10ms,降压时间为90ms。爆破计算参数如表2所示,爆破荷载时程曲线如图3所示。

表2 爆破计算参数

图3 爆炸脉冲荷载作用时程曲线

将图3爆炸脉冲荷载进行傅里叶变化如图4所示,得到荷载主要集中在0～0.4Hz之间。建模时,单元尺寸需满足

其中,l为单元最大尺寸;λ为脉冲波长;f为脉冲波频率。计算得到l=359m,本模型最大尺寸为2.1m,满足要求。

2.3 计算结果

监测既有线铁路路基的振动响应时程曲线如图4、图5所示。其中,坡脚外6m为铁路线路中心线。由图4、图5可知,路基振动速度先快速增大,再逐渐衰减。其中,既有铁路线路基振动响应最大时刻为60ms,路基中心位置的振速为1mm/s。

图4 路基的振动响应时程曲线

图5 路基振动最大速度俯视示意(60ms)

3 经验公式验算

根据GB6722—2014《爆破安全规程》[15],最大爆破振动速度计算公式为

式中,K为反映爆破夹制作用的系数;α为反应围岩衰减作用的系数,结合爆破区工程地质条件进行选取;Q为掏槽单段装药量;R为药包中心距离被保护物的水平距离。

计算参数与根据经验公式计算得到,爆破振动速度如表3所示。由表3可知,随着距离的增大,PPV也逐渐增大。但经验公式计算得到质点峰值速度略大于数值模拟所得结果。其不一致的原因可能为:①经验公式中,K与α的取值会对计算结果有较大影响,而目前计算并没有通过现场监测获取;②在水平距离为23m时,两种方法计算得到质点峰值速度较为接近,但另两种距离的质点峰值速度有较大差别,可能是由于岩土体衰减阻尼的取值与经验公式不匹配造成的差异。因此,采用规范经验公式与数值模拟共同计算质点峰值速度更加精准。

表3 爆破振动速度

根据《爆破安全规程》,路基安全质点振动速度应小于10cm/s。数值计算得到质点振动速度最大为1mm/s,根据经验公式计算得到质点峰值振动速度为2.8mm/s,均小于规程要求的10cm/s,故既有铁路路基安全。

4 结论

依托延延高速公路连接线路基扩堑工程,利用数值模拟计算分析爆破对近接既有线路基的振动影响,并结合经验计算对爆破振动影响进行研究,得到以下结论。

利用三维动力数值计算,得到路堑开挖爆破施工对既有铁路路基的质点振动速度最大为1mm/s;根据《爆破安全规程》中经验公式计算,得到路堑开挖爆破施工对既有铁路路基的质点振动速度为2.8mm/s;两种方法计算结果均小于规程要求的10cm/s,故判断既有铁路路基安全。所采用数值计算与经验公式相结合的方法可为类似工程爆破施工提供借鉴。