地鐵保護區(qū)內(nèi)爆破施工對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的振動影響

徐慶輝 吳 軍 李 耀 閆 兵

(1.青島地鐵集團有限公司,266011,青島; 2.上海勘察設(shè)計研究院(集團)有限公司青島分公司,266199,青島;3.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,266101,青島∥第一作者,高級工程師)

在青島、大連等地質(zhì)條件較好的地區(qū),地鐵保護區(qū)內(nèi)進行基坑爆破開挖的情況逐年增多[1-3]。爆破會不可避免地對鄰近的地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[4-5]。探究爆破振動對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,是保障地鐵運營安全的首要問題。

目前,隧道結(jié)構(gòu)爆破振動響應規(guī)律的研究在工程監(jiān)測、數(shù)值模擬和理論研究三方面均有一定成果[6-8]。在工程監(jiān)測方面,文獻[9]通過分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),指導現(xiàn)場裝藥施工,降低了掏槽孔爆破產(chǎn)生的地面振動效應。在數(shù)值模擬方面,文獻[10]采用LS-DYNA有限元軟件研究了球狀藥包爆破振動的特征,并給出了爆破振動助陣頻率和平均頻率的衰減規(guī)律;文獻[11]通過數(shù)值模擬,探究了既有隧道擴建爆破過程中特征點的振動速度(下文簡稱“振速”)和衰減規(guī)律。在理論研究方面,文獻[12]推導了爆破地震波作用下圓形地下洞室圍巖的應力和位移表達式,求出了不同條件下圍巖周圍的應力和振速分布規(guī)律。

本文以青島地鐵保護區(qū)內(nèi)基坑爆破施工具體案例為背景,采用數(shù)值模擬方法,研究基坑爆破開挖時既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)對爆破地震波的動態(tài)響應規(guī)律,探索空間位置對該隧道襯砌結(jié)構(gòu)振動響應的影響規(guī)律,以期在工程實踐中對地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動響應規(guī)律有更為深入的了解,對爆破振動監(jiān)測在監(jiān)測點布設(shè)位置、監(jiān)測范圍等方面有所指導。

1 工程背景

擬建的青島市某地下工程項目二期在建基坑(以下簡稱“二期基坑”)與既有地鐵隧道(以下簡稱“隧道”)結(jié)構(gòu)外邊線的最小水平距離約為10 m,如圖1所示。

結(jié)合青島市特殊地質(zhì)狀況,該基坑擬采用爆破開挖方式。本工程所處場區(qū)內(nèi)基巖以花崗巖為主,煌斑巖、細?；◢弾r呈脈狀穿插其間,局部地段發(fā)育碎裂巖等構(gòu)造巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值計算模型

基于項目工程資料,運用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了顯動力數(shù)值計算模型。如表1所示,擬設(shè)置四種工況,分別計算不同的爆源與隧道結(jié)構(gòu)的距離(以下簡稱“爆距”),以及隧道與爆破中心(以下簡稱“爆心”)的夾角(以下簡稱“爆破角度”)下,爆破振動對隧道結(jié)構(gòu)的影響。其中:工況一為實際施工工況;其余工況為虛擬假定工況。

表1 四種工況的設(shè)定

四種工況對應的數(shù)值計算模型如圖2所示。模型尺寸為40 m(長)×5 m(寬)×30 m(高),隧道軸向長度為5 m。將模型上、下表面的右側(cè)邊界設(shè)為無反射邊界,并在前后面施加法向約束。

圖2 四種工況對應的數(shù)值計算模型

2.2 參數(shù)選取

為簡化計算,不考慮炮孔的布設(shè)方式,假定炸藥為球狀炸藥。計算模型采用八節(jié)點實體單元,巖石材料和隧道襯砌結(jié)構(gòu)使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。模型的計算參數(shù)如表2所示。

表2 模型的計算參數(shù)

炸藥采用ANSYS/LS-DYNA軟件中內(nèi)置的高性能炸藥,關(guān)鍵字為MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,炸藥狀態(tài)方程使用JWL狀態(tài)方程。模型的炸藥參數(shù)取值分別為:重度取1.63×103kg/m3;爆速取5 500 m/s;爆破壓力取1×1010Pa。

工況一采用的爆破藥量(以下簡稱“藥量”)為工程實際藥量(0.36 kg)。由于工況二、工況三及工況四為虛擬假定工況,本文基于實際爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)修正后的薩道夫斯基公式,以及運營期地鐵爆破振速允許值控制在1.0 cm/s的要求,綜合考慮地鐵線路運營期間乘客的心理承受度,計算得到工況二、工況三及工況四下所需的藥量分別為1.68 kg 、0.36 kg及1.68 kg。

2.3 隧道監(jiān)測點選取

分別選取隧道環(huán)向的8個特征點(A1—A8)、縱向的8個特征點(B1—B8)進行振速及應力分析,各特征點的位置分布如圖3所示。

圖3 隧道監(jiān)測點的位置分布

3 模擬結(jié)果分析

3.1 環(huán)向隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速與頻率響應特征分析

爆破產(chǎn)生的振動波經(jīng)非常短暫的傳播時間后對隧道產(chǎn)生影響。本文以工況二下的A7特征點為例進行分析。與其他環(huán)向特征點相比,A7為距離爆心最近的特征點,其振速衰減和變化幅度最大。設(shè)ti為振動波的傳播時間,vmax,i為第Ai個特征點的振動速度峰值。

工況二下A7的振速時程曲線如圖4所示。由圖4可知:由于爆破振動波的影響,A7會在極短時間內(nèi)到達振動峰值vmax,7,然后迅速衰減。直至下次振動波到來時,才會再次重復此規(guī)律。但是隨著炸藥能量釋放完畢,襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點振動波的峰值會逐漸衰減,直至爆炸完畢。

圖4 工況二下A7的振速時程曲線

各工況下,環(huán)向各特征點Ai的ti及vmax,i存在一定差異。為展現(xiàn)隧道襯砌振速響應規(guī)律,將四種工況下各特征點的振速峰值繪制于隧道輪廓外側(cè),如圖5所示。

圖5 四種工況下環(huán)向各特征點的振速峰值

對圖5的四種工況進行對比,可知:

1) 各工況下,因爆心與襯砌結(jié)構(gòu)的相對方位不同,環(huán)向8個特征點的振速峰值有所差異,各特征點振速峰值的最大值出現(xiàn)在距離爆心最近的部位(即A7處)。

2) 環(huán)向8個特征點中,振速峰值的最大值和最小值呈對角線分布,即:振動對迎爆面影響最大,對背爆面影響最小。

3) 爆破藥量不同,爆破振速從迎爆面到背爆面的衰減幅度有所不同,小爆破藥量條件(工況一及工況三)下背爆面的振速峰值為迎爆面的20%～30%,大爆破藥量條件(工況二及工況四)下背爆面的振速峰值約為迎爆面的50%。

3.2 環(huán)向隧道襯砌結(jié)構(gòu)應力響應

爆破振動會使隧道結(jié)構(gòu)受到動態(tài)的壓縮和拉伸,不同位置對爆破振動的響應時間和響應程度也不盡相同。圖6為工況二爆破過程中A1及A7處的拉應力變化情況。由圖6可知:爆破振動最先對迎爆面產(chǎn)生影響;隨著時間的推移,爆破振動逐漸影響拱頂和拱底, 最后影響背爆面; 受爆破振動的影響,隧道襯砌結(jié)構(gòu)2個特征點處的拉應力均呈現(xiàn)迅速增大至峰值后逐漸衰減的規(guī)律。

圖7描述了整個爆破過程中四種工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向各特征點的拉應力分布變化情況。如圖7所示,以工況二為例,分析如下:

1) 迎爆面的拉應力普遍高于背爆面的拉應力,背爆面的結(jié)構(gòu)拉應力值約為迎爆面的40%～50%。

2) 隧道結(jié)構(gòu)受到的最大拉應力為0.92 MPa。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,C50混凝土抗拉設(shè)計強度值為1.89 MPa,隧道結(jié)構(gòu)的拉應力未超過混凝土設(shè)計強度值,這說明爆破振速為1.0 cm/s時,隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生拉裂破損的可能性很小。

3.3 縱向隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速與應力響應分析

對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的縱向8個特征點(見圖3 b))對應的8個斷面進行分析。其中,B4—B5的中點處與爆源的距離最近。每個測點斷面均選取四個環(huán)向特征點開展分析,其中:工況一及工況二選取A1、A3、A5、A7的四個環(huán)向特征點;工況三及工況四選取A2、A4、A6、A8四個環(huán)向特征點。各測點斷面選取特征點的振速及應力數(shù)值計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 各測點斷面選取特征點的振速及應力數(shù)值計算結(jié)果

由圖8可知:

1) 振速和應力總體呈現(xiàn)由爆距最小處向兩側(cè)衰減的規(guī)律,且二者分布規(guī)律呈現(xiàn)出一致性;工況一、工況二的振速峰值出現(xiàn)在B5斷面A7處,分別為1.01 cm/s和0.92 cm/s,其應力最大值也出現(xiàn)在B5斷面A7處,分別為0.69 MPa和0.52 MPa;工況三、工況四的振速峰值出現(xiàn)在B4斷面A8處,分別為0.97 cm/s和0.93 cm/s,其應力最大值出現(xiàn)在B5斷面A8處,分別為0.52 MPa和0.57 MPa。

2) 隧道兩端個別特征點的振速和應力值出現(xiàn)了較小幅度的增加,這主要是因邊界條件限制,振動波和應力波在模型邊界處的正常傳播受到了一定的影響。

3.4 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結(jié)果擬合度分析

對工況一開展了現(xiàn)場監(jiān)測,以獲取爆破施工過程中隧道襯砌結(jié)構(gòu)的振動數(shù)據(jù),進而驗證數(shù)值模擬計算結(jié)果的準確性。工況一下,取與爆心距離最近B5斷面,在斷面上設(shè)了兩個監(jiān)測點(測點1位于隧道右拱腰A3處,測點2位于隧道左拱腰A7處),這兩個測點在B5斷面的兩拱腰處正對布設(shè),得到的實測振速值如圖9所示。

圖9 工況一下B5斷面A3及A7處的振速實測值

仍以工況一為例,取B3、B5、B7三個斷面A3、A7處振速的模擬值與實測值進行對比,其結(jié)果如表3所示。

表3 工況一下B3、B5、B7斷面監(jiān)測點振速的模擬值與實測值對比

由表3可知:各測點的振速差值率均在8.77%～13.10%范圍內(nèi),這說明模擬結(jié)果能夠較好地反映實際施工爆破對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。模擬值較實測值偏高,其主要原因為數(shù)值模擬時將地層設(shè)為均一、連續(xù)地層,而現(xiàn)實地層中可能存在破碎帶、軟弱面等不良地質(zhì)體,因此爆破振動波在現(xiàn)實地層中傳播時振速有所減弱。

4 結(jié)語

本文運用ANSYS/LS-DYNA軟件,結(jié)合工程實踐,模擬了基坑爆破開挖對鄰近既有地鐵隧道的動態(tài)影響,分析了爆破荷載條件下隧道結(jié)構(gòu)的爆破振動響應規(guī)律,得到結(jié)論如下:

1) 受鄰近爆破影響,隧道襯砌結(jié)構(gòu)各點在極短時間內(nèi)達到振速峰值,然后振速迅速衰減;振速峰值均出現(xiàn)在距離爆心最近的襯砌結(jié)構(gòu)部位。

2) 振速最大值和最小值總體呈對角線分布,隧道襯砌結(jié)構(gòu)迎爆面振速最大、背爆面振速最小;爆破藥量越大,爆破振速從迎爆面向背爆面衰減幅度越大。

3) 在爆破荷載作用下,隧道襯砌混凝土應力場呈現(xiàn)動態(tài)變化,背爆面結(jié)構(gòu)拉應力值約為迎爆面結(jié)構(gòu)拉應力值40%～50%。

4) 振速曲線和應力曲線總體上均呈現(xiàn)從爆距最小處向兩側(cè)衰減的規(guī)律,且振速分布規(guī)律與應力分布規(guī)律具有一致性。

5) 開展保護區(qū)地鐵隧道結(jié)構(gòu)爆破振動監(jiān)測時,監(jiān)測點的位置宜選取在距爆心最近處,并隨著爆心方位的變化及時更換監(jiān)測點的布設(shè)位置;在爆破振速控制指標(1.0 cm/s)下,隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應力對襯砌結(jié)構(gòu)帶來損傷的可能性較低;對于已開通運營的地鐵隧道,考慮到乘客的舒適度與心理接受度,建議采用更為嚴格的爆破振速控制指標。