鄭鵬武

0 引言

盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)在我國地鐵建設(shè)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用，然而對于一些大型的車站和巖層隧道而言，鉆爆法依然在被使用。而爆破振動對于周邊環(huán)境的影響早已受到人們的普遍關(guān)注。

重慶軌道交通紅旗河溝車站工程即采用鉆爆法施工，其周邊環(huán)境復(fù)雜，有部分未密實(shí)人工填土，而填土中管線密布?；诖?，采用數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS對這一工況進(jìn)行分析，旨在得出爆破施工對填土影響的一些結(jié)論。

1 工程概況

本車站位于紅旗河溝轉(zhuǎn)盤北側(cè)，西側(cè)有東和銀都、重慶汽車北站、理想大廈;東側(cè)有紅錦大道立交、和府飯店等建筑。其中理想大廈距離3號線約45m，距離6號線最近距離20.8m。

2 建立模型與參數(shù)選取

2.1 計(jì)算范圍與網(wǎng)格

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，建立模型長 ×寬×高為 143m×143m×97m，理想大廈處基坑槽填土深度 5m，其填土的其余部分按無填充考慮?；泳噍p軌3號線45m，距地鐵6號線為20.8m，模型如圖1所示。本模型采用摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，共 69 541個單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)取值

受隧道影響的圍巖共有 3層，為表層填土、中風(fēng)化砂巖、砂質(zhì)泥巖，為了考慮爆破對同性質(zhì)的基坑槽填土的影響，取 3種不同性質(zhì)的基坑槽填土分別進(jìn)行模擬，巖石抵抗動荷載的動強(qiáng)度約為靜強(qiáng)度的 5倍～10倍。在沖擊荷載下，軟巖的動抗壓強(qiáng)度和動彈性模量將以近10倍計(jì)高于靜載時的相應(yīng)值。所有地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)資料參數(shù)

2.3 重力荷載

本篇考慮的是隧道爆破開挖時，對爆破產(chǎn)生的地震波在地下的傳播，以及圍巖的動應(yīng)力場和震動場的模擬。認(rèn)為重力荷載對爆破荷載作用下的模型動應(yīng)力場影響不大，在所建立的模型中，不考慮圍巖的重力荷載。

3 爆破荷載的確定

在爆破動荷載的加載方面做了以下假定:

1)假設(shè)爆破荷載以壓力形式的均布荷載作用在隧道洞壁上，方向垂直于洞壁。根據(jù)計(jì)算的實(shí)際情況，將爆破荷載曲線簡化成三角形曲線。

2)沖擊荷載曲線典型的加載到峰值壓力的升壓時間為 8ms～12ms，卸載時間為 80 ms～100 ms。本次計(jì)算取加載時間為10ms，卸載時間為90ms，取計(jì)算時間為100m s。

3)掏槽爆破時，隧道的周邊處于爆破作用遠(yuǎn)區(qū)，施加在隧道周壁上的爆破動荷載不會造成圍巖破壞，此時圍巖在爆破作用下，處于彈性振動狀態(tài)。

4)三角形波峰壓力的最大值 Pmax，由以下方法確定即:沖擊波的初始峰值壓力就是爆轟波作用在巖石上的最初壓力，對于一個裝藥炮孔，炮孔上受到的初始波峰壓力由下式計(jì)算:

其中，Pr為體中沖擊波的初始波峰壓力;ρr為巖石的密度;Cer為巖石中縱波的波速;ρ0為炸藥密度;D0為炸藥爆速;P0為炸藥爆轟壓力。

炮孔壁上受到的壓力并不等于隧道洞壁的壓力。據(jù)分析，對于Ⅱ級圍巖取Pmax=10MPa時進(jìn)行線性插值，本工程的圍巖級別為Ⅴ級圍巖，因此Pmax=3.2MPa。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比

利用上述分析方法，將 6號線爆破后的理想大廈車庫西側(cè) 15m處的爆破振速進(jìn)行監(jiān)測并與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比(見圖 2，圖 3)。

從圖2，圖3可以看出，實(shí)際監(jiān)測的最大振速為0.968 cm/s，而模擬所得結(jié)果為0.842 cm/s，從數(shù)值上看相差較小。但振速時程曲線的形狀差別較大，其原因有多種:實(shí)際的爆破壓力時程曲線圖并不是模擬時所簡化的三角波形;實(shí)際的地層復(fù)雜多樣而且為不連續(xù)的介質(zhì)，模擬時對介質(zhì)的不連續(xù)無法考慮。所以實(shí)測的爆破振速形狀要比模擬的結(jié)果復(fù)雜的多。

因此，可以通過對比分析看出，模擬結(jié)果中最具參考價值的結(jié)果是峰值振速，持時與主頻方面誤差均較大。

4.2 3號線爆破對基坑槽填土的影響

根據(jù)施工資料，在穿過建筑物的時候 3號線采用0.8m～1m的小循環(huán)進(jìn)尺，本模擬遵循施工原則，爆破進(jìn)尺為 1m，選擇距離基坑槽最近段進(jìn)行爆破分析，基坑槽填土參數(shù)取表 1中最松軟的“基坑槽填土 1”。為直觀表現(xiàn)地表振速情況，特選基坑槽四個角點(diǎn)的振速時程進(jìn)行分析，測點(diǎn)布置情況如圖 4所示，得出的結(jié)果如圖 5～圖9所示。

結(jié)合實(shí)測結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)4個振動監(jiān)測點(diǎn)中，振速峰值為0.374 cm/s，發(fā)生在距離爆破點(diǎn)最近的第 4監(jiān)測點(diǎn)。此值與實(shí)測結(jié)果 0.32 cm/s較為接近，表明模擬中所應(yīng)用的基坑槽填土的參數(shù)“基坑槽填土 1”的參數(shù)取值與實(shí)際情況符合。

2)各點(diǎn)的振動持時較長，但振速在 0.2 s時減小明顯。

3)從地表豎向應(yīng)變看，爆破振動對基坑槽填土的影響不連續(xù)，填土計(jì)算變形為0.11mm，影響小。

4.3 6號線爆破對基坑槽填土的影響

從對 3號線的爆破模擬可以得出其施工對基坑槽填土影響較小的結(jié)論。因此本篇對距離基坑槽填土較近的 6號線爆破加以細(xì)致的分析。分別闡述不同填土性質(zhì)、同一裝藥量情況下填土的反應(yīng)。

因此分別對“基坑槽填土 1”“基坑槽填土 2”“基坑槽填土 3”幾種填土性質(zhì)進(jìn)行分析得出:

1)針對于同一測點(diǎn)的不同填土的振速峰值進(jìn)行分析可以看出，點(diǎn)1處的振速峰值分別為4.093 0 mm/s，5.387 4 mm/s，9.960 2mm/s，點(diǎn) 2處的振速峰值分別為 2.433 0 mm/s，6.425 0mm/s，4.087 0mm/s，點(diǎn)3處的振速峰值分別為4.852 2e-4m/s，1.381 1mm/s，1.200 8mm/s，點(diǎn)4處的振速峰值分別為1.688 6mm/s，3.750 7mm/s，1.383 4 mm/s，隨著基坑填土彈性模量的增大，同一測點(diǎn)處的振速逐漸增大。說明基坑槽內(nèi)填土性質(zhì)越好，安全振速越大。

2)針對于同一測點(diǎn)的不同填土的振速曲線可以看出，振速曲線的持時隨著基坑槽內(nèi)填土的彈性模量的增大而增大。說明填土性質(zhì)越好，即填土的阻尼系數(shù)越大，該填土內(nèi)的振速衰減越快，質(zhì)點(diǎn)振動的持時越短。

5 結(jié)語

結(jié)合以上分析，主要有以下結(jié)論:

1)3號線爆破施工對理想大廈基坑槽回填土影響小，采用設(shè)計(jì)的裝藥量進(jìn)行爆破不會影響坑槽回填土的安全。

2)由于理想大廈基坑槽填土較為軟弱，6號線爆破施工影響了靠近該線的基坑槽填土，由于持續(xù)時間較長的振動加之爆破開挖的反復(fù)振動，加大了基坑槽填土的變形范圍。

3)經(jīng)數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試對比，認(rèn)為本工程理想大廈處基坑槽填土的振速應(yīng)控制在4mm/s，以避免填土發(fā)生較大的變形。

4)經(jīng)過對不同性質(zhì)的基坑槽填土的模擬可以看出，基坑槽填土越密實(shí)，可承受的振動速度越高，甚至在爆破振速為1 cm/s時也不會發(fā)生破壞;基坑槽填土越軟弱，可承受的爆破振速越小。因此在回填基坑槽時一定要按標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真回填壓實(shí)以避免鄰近振動作用對其影響。

5)對于相似的工程，應(yīng)做好回填土的勘察。尤其對于爆破點(diǎn)距回填土較近的工程更應(yīng)勘察回填土的密實(shí)程度。對于回填土的控制振速視其密實(shí)度、距離爆破點(diǎn)的距離而定。

[1] 楊善元.巖石爆破動力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:60-62.

[2] 陽生權(quán)，周 健，陳秋南，等.爆破震動作用下的地下結(jié)構(gòu)及圍巖幅頻特性分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2006(3):27-28.

[3] GB 6722-2003，爆破安全規(guī)程[S].

[4] 胡高社.人工填土高邊坡爆破振動動力響應(yīng)分析研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2007(15):39-40.

[5] 謝定義.土動力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1988.

[6] 王俊平，陳寶心.爆破地震波作用下建筑物的動力響應(yīng)分析方法[J].西部探礦工程，2005(9):134-137.

[7] 張雪亮，黃樹棠.爆破地震效應(yīng)[M].北京:地震出版社，1981.