循环爆破对在建桥梁的振动影响研究

车云浩，池恩安，赵明生

(贵州大学矿业学院，贵阳 550000)

桥梁作为国家最为重要的建设项目之一，工程施工中产生的爆破振动会对桥梁结构的稳定性产生影响，在爆破振动载荷的反复作用下，若振动超过某一临界值，将不可避免的导致结构的损伤，结构裂纹及微裂纹的发生与扩展正是循环爆破振动效应的体现。当损伤累积到一定程度，将对建筑物的安全使用产生威胁。频繁的扰动将加重结构的受损程度，大大降低建筑物的使用期限，还可能造成建筑物的直接破坏[1-5]。现在关于爆破对桥梁影响的研究大多只关注单次爆破，没有考虑循环爆破的影响。

隧道爆破施工距离桥梁位置较近时，由于在建桥梁结构未成形，混凝土结构未完全凝固，桥梁的强度和稳定性不高，多次爆破作业对其产生的影响将尤为明显，本文以贵州晴隆战马田的泄洪隧道工程为背景，利用FLAC3D 6.0建立三维模型，探索循环爆破产生的振动对在建桥梁建筑结构、桥面、桥墩以及对凝固中的混凝土强度产生的影响。

1 工程概况

隧洞下穿在建晴隆至光照二级公路路基，隧洞与道路附近相交，交角79°，在建道路路面高程约1 204 m，与隧洞顶部开挖轮廓线标高1 110 m高差96 m；洞身轮廓线北侧距孔家庄大桥最近桥台43 m，轮廓线与桥台桩基底部距离约75 m；洞身轮廓线与桥台桩基底部距离约100 m；上部正在进行道路和边坡施工，交叉点西侧山坡表面 有路基开挖堆砌的松石。平均每天进行8次爆破。

2 隧道与桥梁模型的建立

2.1 隧道及桥梁材料的模拟

模型参数由现场数据可知：隧道开挖高4.4 m，宽4 m，断面面积17.2 m2。隧洞剖面如图1所示。建模时为了避免边界效应，模型宽度高于隧道洞径宽度5倍。由于下边界对隧道模型的爆破振动影响很大，模型高度高于3倍隧道高度，上边界为实际隧道的平均埋深[6]。隧道循环进尺为2～2.5 m，参考实际工程，设置掌子面已开挖段为100 m；为消除掌子面前方边界条件，设置掌子面未开挖段为50 m。

图1 战马田隧洞(剖面)Fig.1 Longitudinal section of Zhanmatian Tunnel

该段隧道围岩为块状角砾状白云岩，使用霍克布朗本构模型模拟山体，其中白云岩材料参数如表1所示。

表1 白云岩材料参数

桥梁模型长1 400 m，宽4.5 m，高11 m，模型总体尺寸为140 m×40 m×30 m，为进一步减弱边界效应，模型四周均设置为无反射边界。

桥梁采用钢筋混凝土打造，测量时桥墩桥柱已经铺设完毕，正在铺设桥面，本文探讨循环爆破对未凝固桥面混凝土的影响，因此桥面模型的混凝土强度低于桥柱，因为桥面属于在建部位，所以混凝土强度应该处于较低阶段，密度较低，而桥梁由钢筋混凝土制作而成，因此使用霍克布朗本构模型模拟桥梁的钢筋混凝土材料，由于还未完全凝固，材料参数略低于完全凝固的材料，根据对钢筋混凝土的模型参数研究进行参数设置，具体数值如表2所示[7]。

表2 钢筋混凝土材料参数

2.2 爆破的模拟

2.2.1 爆破基本参数的确定

爆破所用的炸药是2号岩石乳化炸药，爆速D为3 500～5 000 m/s，炮泥采用与介质一样的材料。爆破参数如表 3所示。

表3 爆破参数

主要爆破方案如下，掌子面爆破布孔位置如图2所示，掏槽孔位于断面的下部，4个或6个，装药密度为0.33 kg/t或0.42 kg/t，最终根据实际工程监测结果选择，其他炮孔均为0.3 kg/m；掏槽孔距开挖断面底部0.6～0.8 m，为最先起爆的炮孔。周边孔共20个，孔距E取0.50～0.55 m，炮孔向轮廓线方向适当倾斜，装药密度为0.25 kg/t。辅助孔共23个，底板孔共有8个。

图2 掌子面爆破布孔Fig.2 Blastholes layout of face

2.2.2 爆破参数的优化

影响爆炸产生荷载的影响因素有很多，根据公式及现场条件选取经济、重要且便于操控的参数作为研究变量[8]，即掏槽孔数量、掏槽孔内装药量及不同的延时分段；通过4种实际的现场实验方案对比实际峰值振速测量选择方案：方案1(4掏槽孔，装药密度为0.33 kg/t)，方案2(4掏槽孔，装药密度为0.42 kg/t)，方案3(6掏槽孔，装药密度为0.33 kg/t)，方案4(6掏槽孔，装药密度为0.42 kg/t)。对比4种爆破方案对桥面产生的最大峰值振速，选择最佳的施工参数方案，对比结果如图3所示。

图3 不同爆破方案峰值振速Fig.3 Peak vibration velocities of different blasting schemes

由图3可以看出4个方案中方案1及方案2的峰值振速整体最低，而方案4的爆破振动使得桥面峰值振速最高，对桥面安全影响最大。由于施工应当追求效率，方案1的每循环进尺为1.7 m/次，方案2的每循环进尺为1.9 m/次，因此施工建议采用方案2进行隧道挖掘。

在隧道施工采用方案2的基础上研究不同的分段延时对隧道附近桥面的影响情况，沿桥梁轴向进行振速分布分析，不同延时分段在桥面轴向上的三向峰值振速如图4～图6所示。

图4 方案2横向峰值振速Fig.4 Lateral peak vibration velocity of scheme 2

图5 方案2纵向峰值振速Fig.5 Longitudinal peak vibration velocity of scheme 2

图6 方案2垂向峰值振速Fig.6 Vertical peak vibration velocitiy of scheme 2

由图4～图6可知：①随着爆破延时时间的递增，在距离爆破点的横向距离50 m的桥面范围内，不同延时分段的爆破方案在桥面的横向峰值振速降低较快，然后不同延时分段之间的差距逐渐减小，纵向和垂向交叉影响难以分辨振速影响最低的延时，而延时30 ms爆破荷载产生的横向峰值振速数值最大。②在桥面50～250 m范围内，延时30、40 ms的同一次和同一监测点的横向和纵向峰值振速相互波动超越。延时30 ms的纵向最大峰值振速在3者中最大，远大于其他3个延时分段的峰值振速；在200 m以后峰值振速基本没有发生变化，因此延时30、40 ms对于桥梁的振动影响最高，延时50 ms比延时60 ms振速低。③250～400 m范围内延时50、60 ms的振速差别不大。④综合比较3段范围内的桥面轴向的三向振速可以发现，峰值振速最大的是延时30 ms，最小的是延时50、60 ms，由于延时50 ms的振动速度比延时60 ms在中段更占优势，同时为了保证爆破效果，选取延时50 ms进行施工和模拟。

2.3 隧道开挖轮廓面上的荷载模拟

使用FLAC3D中的动荷载模拟爆破产生的振动，在进行数值模拟时，需要将等效后的爆破荷载施加到有限元单元网格节点上。爆破动态荷载等效计算公式为

P(t)=pmf(t)

(1)

式中：pm为脉冲峰值，在不耦合连续装药条件下，初始应力峰值如下进行计算:

(2)

(3)

(4)

爆炸荷载所作用时间，按照炸药参数和文献[10]的处理办法，升压时间取为100 μs，正压作用时间为600 μs，爆破地震波的持续时间取为0.6 s。三角形冲击波荷载如图5所示。根据表1和公式(1)和(2)计算的爆破峰值压力pm为1.258 GPa。

图7 简化三角形爆破荷载Fig.7 Simplified triangle blasting load

3 频繁爆破模拟及监测结果分析

3.1 爆破振动测点布置

振动监测点布置在桥面与桥墩上，桥面布置监测点11个，编号1～11，地面上的桥墩处布置监测点11个，编号12～22(见图8)。桥桩处监测点设置为模型中的历史监测点，设置于最靠近隧道的桥柱中部，编号为测点23。由于贵州雨季降雨量大，即将有山水汇聚产生洪水的风险，工期时间短任务重，因此隧道爆破次数频繁，一天内能达到8～11次之多。隧道采用光面爆破，在模型中使用动态荷载，即在FLAC3D动荷载情况下采用变动的环向应力起爆模拟炸药在隧道爆炸，使用历史记录观察桥梁监测点的变形、位移速度和应力状态[11]。

图8 振动测点布置Fig.8 Layout of vibration measuring points

3.2 循环爆破振动对桥梁模型应力云图分析

由隧道应力云图(见图9)可知，在爆破初期炸药产生的能量使隧道内部围岩受到冲击，炸药产生的环向应力从隧道拱形表面向四周开始扩散，由于应力波向掌子面围岩传播，使得周围的岩土层应力平衡状态得到破坏，周围岩层得到卸压，隧道顶部应力扩散速度明显比隧道底部区域快，在扩散过程中岩层内产生的应力互相影响，使得掌子面附近应力状态迅速恢复平衡状态，但应力波在山体岩石中得到迅速传递。

图9 隧道应力云图Fig.9 Cloud of tunnel stress

由桥台及桥面应力云图(见图10)可知，随着振动波传递到位于隧道上方的桥台，桥台受力引发振动产生的应力最为剧烈，说明峰值振速高且振动也最为剧烈。接着振动波将传导向桥面，使得桥面变成整个桥梁结构中峰值振速最明显的区域。

图10 桥台及桥面应力云图Fig.10 Stress cloud of abutment and bridge deck

由桥柱应力云图(见图11)可知，振动由桥面向桥柱传导后，使得桥柱中部峰值振速升高。对比模型发现隧道爆破对邻近桥梁振动较为明显的区域是桥柱中部的浅蓝色区域，说明这里振动明显。

图11 桥柱应力云图Fig.11 Stress cloud of bridge column

3.3 循环爆破对桥梁振动速度影响分析

在桥梁建造时，要求保证在桥梁混凝土的强度大于95%时6 h内振动允许值在2 cm/s以下，72 h以后低于6 cm/s，而此施工桥梁外的产生的最高振速为0.235 cm/s，说明此次隧道爆破最大峰值振速是在安全范围内的[12]。

3.3.1 峰值振速的实测值分析

通过对桥梁振动进行监测，得出桥梁的桥面和桥桩底部的峰值振速时程分别如图12、图13所示。

图12 桥面测点峰值振速实测Fig.12 Measured peak value of vibration velocity at bridge deck measuring points

图13 桥桩测点峰值振速实测Fig.13 Measured peak value of vibration velocity of bridge pile measuring points

由图12、图13可知，桥面的最高峰值振速为0.235 cm/s，桥桩底部峰值振速为0.095 cm/s；可以看出在0.2 s左右桥面和桥桩底部的峰值振速达到最高，分别是距离爆破隧道最近的测点1和测点12，0.5 s左右，由于桥梁各部分应力波反弹、抵消，桥梁的整体峰值振速降到谷底开始反弹，重新升高，直到1 s之后逐渐衰弱。

3.3.2 峰值振速的模拟值分析

由FLAC3D模拟的桥面和桥桩底部的峰值振速波形(见图14和图15)可以看出，桥面测点1的峰值振速模拟值最高，为0.250 cm/s，桥桩模拟的峰值振速为0.095 cm/s，两者整体呈现出规律的变化，和实际检测值的最大峰值振速误差较小，说明数值模拟结果可以接受。模拟值的峰值振动相较实测值而言，最大峰值振速出现的时间在0.3 s左右。

图14 桥面测点峰值振速模拟Fig.14 Simulation of peak vibration velocity of bridge deck measuring points

图15 桥桩测点峰值振速模拟Fig.15 Simulation of peak vibration velocity of bridge pile measuring points

根据FLAC3D的模拟，预测位于桥柱中部的测点23～33的最大峰值振速为0.209 cm/s。

由此可以得出和云图类似的结果：隧道爆破引起在建桥梁的峰值振速最高的是桥面的0.235 cm/s，然后是桥柱的0.209 cm/s和是桥桩底部的0.095 cm/s。

3.3.3 多次爆破振动对在建桥梁状态的监测值分析

为了对桥梁整体状态进行宏观分析，选取桥头、桥中、桥尾位置测点峰值振速数据进行分析，对桥面测点1、桥柱底部桥墩测点12、桥柱中部测点23进行多次测量，峰值振速如图16所示。

图16 桥面、桥桩、桥台测点峰值振速实测Fig.16 Measured peak value of vibration velocity of bridge deck, bridge pile and abutment

由图16可以看出前5次振速峰值3个测点不规律，但是从第5次开始，累计爆破3个测点的峰值振速逐渐稳定，并且可以看出总体呈现出逐渐稳定上升继而平缓的趋势，处于0.25 cm/s以下。因此循环爆破产生的峰值振速低于桥梁建设安全标准(2.5 cm/s)的要求。

由于桥梁测点振速总体都处于0.05～0.25 cm/s间，这对短期内未完全凝固的混凝土可能产生轻微影响；而在桥梁建造时，要求桥梁混凝土的强度保证大于95%时需要6 h内振动允许值在2 cm/s以下，72 h以后低于6 cm/s；在此次工程中隧道爆破点距离桥梁43 m，爆破施工对桥梁产生的最高振动强度为0.1 cm/s，处于振动安全标准2 cm/s以下，因此爆破施工对桥梁的钢筋混凝土材料产生的振动影响处于安全标准内[13]。

4 结论

1)优化过的爆破方案(4掏槽孔，0.42 kg/t装药密度及50 ms延时)在此次工程中是既保证了工程效率又符合安全标准的较佳爆破方案。

2)经过实测数据和模型计算结果对比发现桥梁峰值振速最高的地方是桥面的0.235 cm/s(模拟值0.250 cm/s)，然后是桥柱的模拟值0.209 cm/s和桥桩底部的实测值0.081 cm/s(模拟值0.095 cm/s)。

3)在隧道爆破点距离桥梁43 m时，爆破施工对桥梁产生的峰值振速处于0.05～0.1 cm/s间，参考《爆破安全规程》(GB 6722-2014)关于“爆破振动安全允许标准”，累计爆破产生的峰值振速低于桥梁建设峰值振速所要求的标准，6 h内桥梁振速允许值需在2 cm/s以下，因此在建桥梁隧道爆破振动对桥梁混凝土的振动是在安全范围内。

4)采用优化设计的爆破方案后，隧道内每日8次循环爆破产生的振动对43 m外的桥梁结构(即桥面、桥柱、桥柱底部的桥墩)和材料(混凝土)不会产生安全影响，不会影响桥梁的建设施工。