沉管隧道基槽爆破開挖作用下鄰近地鐵隧道力學(xué)響應(yīng)

沈　可, 魏立新, 劉庭金, 楊春山

(1. 廣州市中心區(qū)交通項目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室， 廣東 廣州　510030； 2. 廣州市市政工程設(shè)計研究總院， 廣東 廣州　510060； 3. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州　510641)

0　引言

沉管隧道以其諸多的優(yōu)點在越江跨海通道中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]，與此同時，其應(yīng)用過程中存在的問題也日益受到人們的重視，不少專家學(xué)者開展了相關(guān)的研究。文獻[2-3]借助模型試驗和數(shù)值法，研究了地基沉降節(jié)段接頭剪力鍵力學(xué)性狀和剪力的分布情況； 文獻[4-5]討論了沉管隧道地震反應(yīng)分析中建立三維精細化模型所需關(guān)注的問題； 文獻[6-7]利用足尺模型試驗，探索了沉管隧道砂流法砂盤形狀及其擴展機制。上述研究大多集中在沉管結(jié)構(gòu)受力與基礎(chǔ)處理上，對于隧道建設(shè)引起的環(huán)境力學(xué)效應(yīng)問題卻鮮見報道。

隨著沉管隧道建設(shè)的日益增多，不可避免地與鄰近既有建(構(gòu))筑物相互影響；沉管隧道施工引起的環(huán)境效應(yīng)主要源于基槽爆破開挖，因此，基槽爆破開挖作用下鄰近結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征值得研究?；郾崎_挖產(chǎn)生振動和卸載效應(yīng)，其作用機制復(fù)雜，影響因素眾多，通過理論分析異常困難，試驗觀察也極為復(fù)雜；相比之下，數(shù)值計算能夠較好地刻畫特殊點處的響應(yīng)規(guī)律，得到在試驗中無法獲取或需很大代價才能測得的部分數(shù)據(jù)，從而得到較好的發(fā)展[8]。

以車陂路—新滘東路沉管隧道為依托，通過實測評價鄰近既有地鐵隧道運營現(xiàn)狀，借助有限元軟件ABAQUS與MIDAS GTS分別建立新建沉管隧道基槽爆破振動及開挖卸載三維計算模型，分析基槽爆破開挖作用下鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，探索既有地鐵結(jié)構(gòu)安全判據(jù)并做出評價。

1　工程概況

車陂路—新滘東路隧道工程位于廣州市天河區(qū)和海珠區(qū)，隧道南起新港東路，下穿珠江向北止于黃埔大道交叉口，全長2.1 km，越江段492 m采用了沉管隧道。隧道與地鐵4號線車陂南—萬勝圍盾構(gòu)區(qū)間隧道相鄰，沉管結(jié)構(gòu)、基槽邊緣與地鐵平面最小凈距分別約為60、13 m，具體位置關(guān)系見圖1。沉管隧道基槽底寬為34.4 m，采用爆破開挖，爆孔直徑為105 mm，裝藥直徑為72 mm，單孔最大裝藥量8～10 kg，裝藥密度1.0 kg/cm3。

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料可得到表1所示隧址土層物理力學(xué)參數(shù)。針對基槽處不同地質(zhì)情況，通過工程類比，結(jié)合強度折減法分析結(jié)果，設(shè)定淤泥和砂層、可塑—硬塑黏土層、全風(fēng)化巖及強—中風(fēng)化巖層基槽開挖坡率分別為1∶4、1∶3、1∶2、1∶1。既有地鐵隧道為盾構(gòu)區(qū)間段，襯砌管片直徑為6 m，環(huán)寬1.5 m，襯砌厚為30 cm；盾構(gòu)管片采用C50混凝土，彈性模量為3.45×107kPa，重度為24.5 kN/m3，泊松比為0.167。

(a) 平面關(guān)系　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 立面關(guān)系

土層代號巖土名稱泊松比重度/(kN/m3)剪切強度內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力c/kPa壓縮模量Es/MPa變形模量E0/MPa①2填土0.3618.010.010.0 ②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土0.3816.04.05.02.38③1粉質(zhì)黏土0.3019.515.015.04.515④1粉質(zhì)黏土0.3019.520.015.04.015⑤1全風(fēng)化巖0.2719.025.020.050⑤2強風(fēng)化巖0.2620.030.025.0100⑤3中風(fēng)化巖0.2520.5150

2　既有地鐵隧道運營現(xiàn)狀評價

當(dāng)前地鐵隧道結(jié)構(gòu)受影響分析中均未對既有隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀做評價分析，僅探討了新建構(gòu)筑物產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)；事實上，既有地鐵隧道長期受到周圍建筑環(huán)境和列車循環(huán)荷載的影響，其運營狀況某種程度上決定著既有結(jié)構(gòu)對新建(構(gòu))筑物的力學(xué)響應(yīng)程度。

為了準(zhǔn)確評價車陂路—新滘東路沉管隧道基槽爆破開挖的影響，確保既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全，開展鄰近地鐵4號線隧道區(qū)間段過去5年實測位移分析。定義地鐵隧道以南岸為0點，向北岸每隔30 m間距為一監(jiān)控點，位移向下為負，反之為正。

江中段既有地鐵隧道實測位移如圖2所示。由圖2可知： 鄰近沉管隧道的江中地鐵區(qū)間隧道現(xiàn)狀累計最大沉降值為1.89 mm，最近半年的最大沉降速率為0.01 mm/d，累計沉降和沉降速度均遠小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定的10 mm和3 mm/d，結(jié)合當(dāng)前該區(qū)間盾構(gòu)隧道運營狀況，認為該區(qū)間盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) 左線隧道累計位移

(b) 右線隧道累計位移

Fig. 2Measured displacements of existing metro tunnel under river

3　基槽爆破開挖三維數(shù)值計算

3.1　計算模型的建立

基于運算精度、成本及必要性考慮，基槽爆破動力計算模型取江中段地鐵隧道與沉管段最近(60 m)的部分區(qū)域，如圖3所示。采用無爆孔模型(虛擬爆孔)，計算模型X、Y、Z方向尺寸分別為180、102、80 m，模型含68環(huán)管片。

圖3　基槽爆破振動三維計算模型

Fig. 33D calculation model of foundation trench blasting vibration

模型利用黏彈性人工邊界來吸收邊界上的反射能量，黏彈性邊界通過設(shè)置阻尼和地基彈簧來表征。由結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識可知阻尼系數(shù)Cs=ρvs、Cp=ρvp(式中vs、vp分別表示剪切波和縱波的波速)。 由彈性力學(xué)知識可知，介質(zhì)中波的傳播速度是常數(shù)，可表示為：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：E為彈性模量；ν為泊松比；ρ為介質(zhì)密度。

通過式(1)和式(2)計算得到不同土層對應(yīng)的阻尼系數(shù)，如表2所示。對于動力計算模型中的彈性邊界，借助地基彈簧實現(xiàn)。目前對于地基彈簧的參數(shù)取值未獲得統(tǒng)一的認識，主要采用經(jīng)驗公式法[10]、經(jīng)驗值總結(jié)[11]及理論分析法[12]確定，本文采用經(jīng)驗公式[10]

(3)

式中：k0為土層側(cè)壓力系數(shù);Es為土層壓縮模量。

通過計算得到不同土層的k值，見表2。

表2　巖土材料阻尼與地基系數(shù)

爆炸振動時的沖擊波作用持續(xù)時間為1 μs～100 ms，爆孔壓力大多持續(xù)數(shù)百μs衰減[13]，此次爆破振動分析持續(xù)的時間取1 ms。爆破振動荷載參考文獻[14]，通過程序計算得到爆破荷載曲線，如圖4所示，其中荷載系數(shù)為16 338。爆破荷載以等效壓力形式作用于圖4的虛擬爆孔。

圖4　爆破荷載曲線

沉管基槽開挖完卸載應(yīng)力擾動計算模型見圖5，模型計算區(qū)域的選取充分考慮了基槽開挖邊界效應(yīng)，X、Y、Z方向尺寸為700、270、55 m。模型中土層、運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)分別利用三維實體單元與殼單元模擬，土層采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，地鐵結(jié)構(gòu)則用彈性模型。模型側(cè)面約束水平位移，底面約束豎向位移，頂面為自由面不加約束。模型計算工況包括初始應(yīng)力場分析(位移清零)、既有地鐵隧道施作(位移清零)和沉管基槽開挖。

(a) 整體計算模型

(b) 地鐵隧道與基槽位置

3.2　既有地鐵隧道安全判據(jù)

對于爆破振動效應(yīng)的安全判據(jù)尚未形成一致的認識，先后采用質(zhì)點振動的最大位移、最大加速度、最大速度、頻率及能量比等作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。爆破振速與構(gòu)筑物破壞的相關(guān)性最好，用爆破峰值振速描述振動強度具有較好的代表性，是估算爆破振動破壞等級的常見標(biāo)準(zhǔn)，如： 文獻[15]采用最大振速2.5 cm/s作為安全判據(jù)，文獻[16]則取振速2.7～3 cm/s作為安全閾值。該項目綜合考慮現(xiàn)有規(guī)范限值，結(jié)合項目特點，取2.0 cm/s作為振速安全閾值。

由于巖土工程與地鐵結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，不同施工工藝和施工順序引起的地鐵結(jié)構(gòu)的附加變形和內(nèi)力大小也不相同，難以建立具有廣泛適用性與合理性的控制標(biāo)準(zhǔn)。該項目主要參考文獻[15]中預(yù)警位移限值10 mm作為安全判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3　數(shù)值計算結(jié)果與分析

爆破振動動力計算100 μs時隧道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的振速云圖見圖6，最大振速為0.359 cm/s。為了考察動力計算模型的可靠性，采用理論振速公式[17]計算不同位置的振速，且與數(shù)值結(jié)果對比。

(4)

式中：v為地震運動質(zhì)點最大速度， cm/s；α、β為與爆破場地有關(guān)參數(shù)，α=0.676～4.04，平均值為1.85，β=1.083～2.346，平均值β=1.536；Q為裝藥量， kg；R為測點至爆源的距離， m。

取與爆破點60 m距離的振速和爆破設(shè)計參數(shù)反演式(4)計算參數(shù)，并計算其他不同位置振速，結(jié)果見圖7。由計算分析可得到如下認識： 1)數(shù)值計算結(jié)果反映了理論計算結(jié)果的趨勢，因此采用的動力模型具備一定的合理性； 2)由沉管基槽爆破振動引起的既有隧道結(jié)構(gòu)最大振速為0.359 cm/s，遠小于設(shè)定的安全振速限值(2.0 cm/s)，說明隧道受爆破振動影響較??； 3)當(dāng)距離爆破點約25 m以上時，基槽爆破引起的振速可滿足穩(wěn)定要求。

圖6　100 μs對應(yīng)的速度云圖(單位： m/s)

圖7　最大振速理論與數(shù)值計算結(jié)果

Fig. 7Maximum theoretical vibration velocity and numerically calculated results

基槽開挖卸載模型建立的思路與動力模型相近，差別在于靜力模型計算范圍更大且旨在分析基槽開挖完成后因卸載引起的應(yīng)力擾動，基于上述考慮認為三維靜力計算模型具備可靠性?；坶_挖完成后因卸載導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)位移云圖如圖8所示，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負。左右線隧道總體位移如圖9所示。

(a) 水平位移

(b) 豎向位移

Fig. 8Displacements of metro tunnel after foundation trench excavation (unit: m)

圖9　基槽開挖后地鐵隧道總體位移

Fig. 9General displacements of metro tunnel after foundation trench excavation

由圖8—9可知： 隧道最大水平、豎向位移分別為1.18 mm和1.27 mm，隧道左、右線總體位移最大分別為1.72 mm和1.68 mm，最大位移均出現(xiàn)在距基槽邊緣相對較近的位置。數(shù)值計算結(jié)果為基槽開挖擾動引起的位移增量，計入前期累計沉降后，基槽開挖擾動后地鐵隧道累計最大沉降為3.16 mm，小于位移預(yù)警值(10 mm)，隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可知： 基槽開挖前最大主應(yīng)力為4.062 5 MPa，基槽開挖完成后對應(yīng)的最大主應(yīng)力4.072 MPa，故由基槽開挖引起的附加應(yīng)力為9.5 kPa，小于規(guī)范[16]規(guī)定的20 kPa限值，即結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，與位移控制分析結(jié)果吻合。

(a) 基槽開挖前

(b) 基槽開挖后

圖10基槽開挖前后地鐵隧道最大主應(yīng)力(局部顯示)(單位： MPa)

Fig. 10Maximum principal stress of metro tunnel before and after foundation trench excavation (local) (unit: MPa)

4　結(jié)論與建議

1) 鄰近沉管隧道江中地鐵區(qū)間隧道現(xiàn)狀累計最大沉降為1.89 mm，近半年的最大沉降速率為0.01 mm/d，兩者均小于規(guī)范規(guī)定的控制值，故既有隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀處于安全狀態(tài)；

2) 沉管隧道基槽爆破振動引起的隧道結(jié)構(gòu)最大振速為0.359 cm/s，小于設(shè)定的振速安全閾值(2.0 cm/s)，既有隧道結(jié)構(gòu)受爆破振動影響不明顯，爆破振動的安全距離值為25 m；

3) 基槽開挖擾動后引起的地鐵隧道累計最大沉降為3.16 mm，附加應(yīng)力為9.5 kPa，均小于規(guī)范設(shè)定的位移預(yù)警值(10 mm)，且小于附加應(yīng)力限值(20 kPa)，隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對鄰近結(jié)構(gòu)建設(shè)環(huán)境力學(xué)效應(yīng)分析時，有必要開展既有構(gòu)筑物使用力學(xué)現(xiàn)狀評價，以更準(zhǔn)確合理地評估既有結(jié)構(gòu)受擾動后的運營狀況；沉管隧道基槽爆破開挖前，需要借助有效分析手段尋求爆破開挖安全距離，從而設(shè)定基槽爆破與鑿巖的范圍。需要說明的是，爆破振動與天然地震作用特征不相同，單純采用峰值振速評判隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)影響存在局限性，后續(xù)研究尚需建立耦合多個指標(biāo)相對全面的判據(jù)，以提高振動安全評價的準(zhǔn)確性和合理性。