汽车行驶震动对浅埋暗挖施工的影响

刘 飞，贺 锋，吴杨勇，3，李欢秋，高永红

(1.军事科学院国防工程研究院，洛阳 471023；2.军事科学院国防工程研究院，北京 100850；3.安徽理工大学能源与安全学院，淮南 232001)

浅埋暗挖法常用于丘陵地区隧道建设或埋深比较大的城市地铁建设中[1]。人防工程商业街或地下连通道往往位于城市繁华地带道路或广场下，距离地表一般比较浅，采用明挖法施工虽然经济，但会影响道路通行和周边商业门面的正常经营，为了克服这一难题，采用浅埋暗挖法施工无疑是一种最佳的方案。由于人防工程地下结构顶板覆土层厚度薄，道路上汽车行驶引起的震动将对浅埋暗挖施工如顶板土方开挖、混凝土浇筑等造成较大的影响。

现有的对于车辆行驶震动的研究主要集中在行车荷载对路面和路基的影响。如陈页开等[2]考虑地基土的弹塑性，研究了柔性路面对行车荷载的动力响应；Liu等[3]通过改变不同的道路面层参数，模拟得出路面频率和应变的变化规律；韩文扬等[4]研究了不同车辆荷载对沥青路面动力响应规律。孙春光[5]利用空心扭剪仪研究了交通荷载对砂土路基力学性能的影响；崔兵等[6]基于低路堤软黏土地基模型，测试并获得了交通荷载对低路堤软黏土地基动力特性的影响；周捡平等[7]基于室内固结不排水动三轴试验研究了饱和软黏土地基在地铁列车荷载下的动态响应规律和长期累积变形；王新志等[8]通过监测某珊瑚礁场地道路路基在车辆动荷载作用下的土压力，得出了钙质砂路基在车辆荷载作用下的动态响应规律；孟上九等[9]通过进行路基在车辆荷载作用下动态加载-卸载试验，研究了路基动态变形响应规律；马林等[10]通过试验研究了车辆荷载对重塑黄土路基的动力特性响应。

对于车辆行驶震动影响结构震动响应的研究也仅仅聚焦于结构对结构内车辆行驶震动的动态响应。如邵珠山等[11]利用 ANSYS软件模拟了行车荷载对隧道洞口初期支护的震动响应；贾颖绚等[12]通过荷载数定法和解析公式法,计算地铁结构对地铁列车的震动响应；刘宪庆等[13]基于混凝土损伤塑性模型研究了地下车库对移动车辆荷载的响应规律。地下工程结构对地表车辆行驶震动的动态响应鲜有研究。

现利用ANSYS数值软件进行瞬态分析，定性地分析行车震动在路面下水平方向和竖直方向的传播规律；并且对洛阳市纱厂南路浅埋暗挖工程的加速度震动参数进行测试，获取道路下钢筋混凝土结构水平和竖直方向的加速度，研究汽车行驶引起的震动对地下浅埋暗挖施工的影响规律。

1 背景介绍

该浅埋暗挖工程位于洛阳市中州中路与纱厂路交叉路口,是在城市道路下建设的地下人防工程，浅埋暗挖主体结构部分覆土厚度为2.8 m，结构轴线跨度为7.5 m，周围商业繁华，车辆频繁。频繁的车辆往来引起的动荷载给工程施工带来了许多不利影响，是需重点监测的工程项目，监测测点工程背景如图1所示。通过对施工区域道路正常通行情况下地下结构及周围土体的加速度测定，研究有/无汽车通行条件下钢筋混凝土结构的震动情况，以及震动对施工土体稳定性的影响。

图1 工程路面环境图

2 行车震动在土中传播的数值模拟

2.1 模型简介

根据实际工程将计算模型进行适当简化，从而来定性分析行车震动在人防工程中水平方向和竖直方向的传播规律。计算模型宽度(x方向)为20 m，高度(y方向)为8 m，轴向(z方向)长度为60 m，土层共分为3层，工程断面图如图2所示。人防工程支护结构为钢筋混凝土，覆土厚度为3 m，高度为4 m，宽度为8 m，底板、顶板和墙体厚度均为0.5 m，计算模型如图3所示，模型参数如表1所示。

表1 模型参数

图2 工程断面图

图3 数值计算模型

2.2 汽车荷载

选用某型小汽车为研究对象，车重P0为15.2 kN，车长L为4.5 m，轮距为1.5 m，轴距为2.5 m，车速v为60 km/h。将汽车荷载简化为集中荷载，汽车荷载采用稳态正弦波振动来进行模拟，综合考虑车重和车速，汽车荷载计算表达式[14]为

P=P0+Pd

(1)

式(1)中：P0为汽车静载；Pd为汽车动载。

Pd=M0αω2sin(ωt)

(2)

式(2)中：M0为小客车车辆簧下质量，取值为120 N·s2/m；α为矢高，取值为2 mm；ω=2πυ/L。

将数值代入得出汽车荷载表达式为

P=15 200+129.9sin(23.27t)

(3)

汽车单只轮胎的荷载表达式为

P′=3 800+32.47sin(23.27t)

(4)

在人防通道跨中位置施加汽车荷载，汽车荷载为沿着轴向节点移动并且其值呈正弦变化的集中荷载，并均匀分布在4个轮胎处，数值计算加载示意图如图4所示，循环5次模拟5辆车依次通过该人防工程。

图4 数值计算加载示意图

2.3 模拟结果与分析

在水平方向上沿着顶板底部设置14个测点，在竖直方向上沿着墙体设置5个测点，测点布置如图5所示。

图5 数值模拟测点分布示意图

水平方向和竖直方向测点的数值计算结果分别如表2和表3所示，典型位移、速度和加速度时程曲线(测点8)如图6所示。

表2 水平方向上测点的结果

表3 竖直方向上测点的结果

由图6可以看出，在顶板跨中处测点的位移、速度和加速度均最大，由跨中向两侧墙体方向的测点位移、速度和加速度均逐渐减小，并且对于距跨中相同距离处的测点，位移、速度和加速度相等。

图6 典型位移、速度和加速度时程曲线

水平方向上不同测点的位移、速度和加速度对比如图7所示。

图7 水平方向上测点位移、速度和加速度的比较

竖直方向上不同测点的位移、速度和加速度对比如图8所示。由图8可以看出，在竖直方向上，随着测点由上至下，测点位移、速度和加速度均越来越小，并且呈线性分布。

图8 竖直方向上测点位移、速度和加速度的比较

3 现场测试方案

3.1 试验方案

由于震动结构各点的响应有很大的差别，因此选择适当的安装位置非常重要。一般情况下传感器需避免安装在震动的节点或节线上，应安装在结构响应信号较大的位置，以提高信噪比，提高测试的精度；对于测试结构总体模态特征为目的的试验中，传感器应该尽可能避免安装在局部模态贡献大的位置，传感器的选择要充分考虑传感器附加质量对安装结构局部的影响，如果安装局部较轻、较薄，则应该选用体积小、质量轻的传感器，或采用非接触式传感器进行测量。

(1)选择具有代表性的断面来布置测点，在已施工的钢筋混凝土柱上沿竖直方向选3个观测点，在已施工的钢筋混凝土顶板上沿水平方向选6个观测点，以研究分析道路汽车运行引起的震动在结构中竖向和横向的传播规律。钢筋混凝土结构顶板上的测点沿着人行道向道路中心方向布置，钢筋混凝土柱上的测点从上至下布置。钢筋混凝土结构顶板及柱上测点分布示意图如图9所示，传感器测点实际布置图如图10所示。钢筋混凝土表面上的各个观测点上预先用A/B胶粘贴一个铁块，以便于监测时固定加速度传感器。

图9 试验测点分布示意图

图10 传感器实际布置图

(2)测试时机应准确反映道路交通情况，宜在每天10:00—13:00进行测量，采集数据。测量周期两周，并将每次观测的信息准确的记录。

(3)通过监测数据，分析地面交通对超浅埋暗挖工程的施工影响。

3.2 测试仪器

监测使用6221动态数据采集仪。监测系统由加速度传感器、6221动态数据采集仪和计算机组成，现场监测数据采集设备如图11所示。各个观测点上预先用A/B胶粘贴一个铁块，用于固定加速度传感器。传感器选用宽频带的加速度型传感器，加速度型传感器灵敏度应大于100 mV/g。放大系统的增益应大于60 dB，长期变化量应小于1%。折合输入端的噪声水平应低于3 μV。频带宽度应为10～1 000 Hz，滤波频率可调整。数据采集时需要4名人员进行数据采集和现场工作，采集的内容包括稳态时数据采集和荷载影响时数据采集。

图11 现场监测数据采集设备图

4 监测结果与分析

4.1 监测结果

监测结果如表4所示，典型实测加速度时程曲线(测点6)如图12所示。

表4 震动监测结果

图12 典型实测加速度时程曲线

4.2 监测结果分析

从表4和图12可知，南北方向有汽车通过时，顶板上的加速度一般在±100～±200 mm/s2，震动周期在3～6 s，距离道路中心近处加速度比远处的稍大，南北方向没有汽车通行时，但由于受到东西方向汽车通行的影响，结构顶板上也有震动响应，有车通过时的加速度值是无车通过时的1.48～5.33倍，平均为2.92倍。

在水平方向上，分析水平布置测点的监测数据可知，道路中心近处的加速度值为112～172 mm/s2，道路中心远处的加速度值为50～96 mm/s2。从道路中心到人行道方向上测点的加速度值虽没有严格遵循越来越小的规律，但道路中心近处加速度值明显大于道路中心远处的加速度值，符合数值模拟得出的加速度在水平方向上的规律。

在竖直方向上，由上至下布置在钢筋混凝土柱上测点的加速度值整体上遵循越来越小的规律，但由于测点数较少，没有体现出数值模拟得出的线性减小规律。

土方开挖表明，在这样的震动条件下进行土方开挖，顶部有掉砂土现象，但是如果是晚上挖土，则顶部砂土掉落比白天大为减少，说明汽车通行引起的震动对浅埋暗挖土方开挖影响是比较明显的。当震动加速度小于±100 mm/s2时，则汽车通行对挖土影响较小。因此土方挖掘施工应尽量避开汽车高峰时段，安排在晚上车流量较少的时段进行洞室开挖，开挖后及时进行初支和喷射混凝土封闭，防止白天汽车高峰时段汽车震动对成型洞室的破坏。

5 结论

通过数值模拟定性分析行车震动在人防工程水平和竖直方向的传播规律，并对路面有车和无车行驶时的震动进行监测，分析震动监测数据和开挖过程情况，可得出如下结论。

(1)在水平方向上，道路中心近处的加速度值为112～172 mm/s2，道路中心远处的加速度值为50～96 mm/s2。从道路中心至人行道方向，加速度值虽然没有严格遵循逐渐增大的规律，但道路中心近处的加速度值明显大于道路中心远处的加速度值，与数值模拟的结果一致。

(2)在竖直方向上，由上至下布置在钢筋混凝土柱上测点的加速度值整体上遵循数值模拟得出的越来越小的规律，但由于测点数较少，没有体现出数值模拟得出的线性减小规律。

(3)路面汽车行驶对道路下浅埋暗挖土方开挖的不利影响比较明显。有车通过时的加速度值是无车通过时的1.48～5.33倍，平均为2.92倍。因此土方挖掘施工应尽量避开汽车高峰时段，安排在晚上等车流量较少的时段进行洞室开挖，并采取交通控制。开挖后及时进行初支和喷射混凝土封闭，防止汽车高峰时段汽车震动对成型的洞室破坏。

(4)当震动加速度小于±100 mm/s2时，则汽车通行对挖土影响较小，但加速度超过±100 mm/s2时，则影响比较明显。因此在进行土方开挖时，可以采取信息化施工，加强施工时对震动的监测，在震动超过±100 mm/s2时，通过调整施工来控制震动。