趙建平 宋曉東

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城市地鐵爆破開挖對淺埋地下大直徑管道的安全影響研究1

趙建平 宋曉東

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083）

在城市淺埋地鐵爆破開挖中，經(jīng)常遇到地下管網(wǎng)、涵洞等構(gòu)筑物，而爆破地震效應(yīng)對其影響范圍和程度的正確評價就顯得尤為重要。本文以長沙地鐵爆破開挖為例，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用有限單元法，對爆破振動下大直徑混凝土污水管道的動力響應(yīng)、變形和動應(yīng)力等進(jìn)行了計算，評價了爆破地震對管道的安全影響。研究表明：管道在控制爆破作用下是偏于安全的；爆心距是影響管道受到爆炸作用力影響大小的最主要因素；對于以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用加速度激勵的時程分析方法以爆破振動對埋地管道的影響進(jìn)行評價，是一種可行且較為精確的方法。

爆破振動 有限元 時程分析 動力響應(yīng)

引言

隨著爆破技術(shù)在城市地下工程施工中的逐步應(yīng)用，爆破振動對埋設(shè)在其周圍的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件造成的危害也越來越受到關(guān)注。地下爆破施工產(chǎn)生的應(yīng)力波，可以通過土層對其上部埋設(shè)的管線結(jié)構(gòu)造成危害，一旦發(fā)生破壞將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和社會影響。管道通常埋在地下，爆破動力響應(yīng)無法通過實測數(shù)據(jù)得出，破壞后不易被發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，容易造成更嚴(yán)重的次生事故，因此如何對這種影響進(jìn)行正確的評價就顯得尤為重要?！侗瓢踩?guī)程（GB 6722-2003）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2003）指出，評價爆破振動對結(jié)構(gòu)安全的影響主要依據(jù)爆破地震動速度，即通過實測數(shù)據(jù)與規(guī)程允許速度做對比進(jìn)行評價，但是僅僅根據(jù)最大振速來評價對結(jié)構(gòu)安全的影響顯然是不夠的。宋光明等（2000）和史秀志等（2010）根據(jù)爆破振動實地監(jiān)測及質(zhì)點振速預(yù)測方程，結(jié)合現(xiàn)場損傷破壞調(diào)查，提出了一種爆破振動危害動態(tài)應(yīng)力比評價方法，然而這種方法對于地下埋地管線的研究還是有一定的局限性；婁建武等（2003）采用反應(yīng)譜方法研究爆破振動信號的振動速度和頻率特征，提出了采用反應(yīng)譜曲線積分值來評估爆破振動破壞效應(yīng)，但沒有完全分析出結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。該類問題實際上是結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題，要正確分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)最佳的分析方法是依據(jù)爆破地震實測數(shù)據(jù)，采用動力分析的方法準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)、變形、動應(yīng)力等（錢勝國等，2006）。

為了更科學(xué)精確地評價地下隧道爆破對埋地污水管道的影響，本文運用有限單元法，基于實測爆破地震動數(shù)據(jù)，對埋地管道進(jìn)行了動力時程分析。并以長沙地鐵2號線暗挖爆破工程為例，評價了控制爆破工程中爆破地震動對管道的安全影響。

1 結(jié)構(gòu)動力時程分析原理

時程分析法是基于地震動反應(yīng)數(shù)值仿真，模擬實際地震作用的方法，是反映建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的最直接的方法（吳小峰等，2011）。在計算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時，從地基處輸入實測爆破地震波，從爆破地震動初動開始，逐步對動力平衡方程積分，直至地震動波振幅為零的時刻停止，以求得地震動過程中任一時刻的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力，該方法能“再現(xiàn)”結(jié)構(gòu)在爆破地震動時的變形狀況，是非常精確的動力分析方法（陳穎，2009）。

把爆破振動作用下的土-結(jié)構(gòu)作為相互作用的體系進(jìn)行爆破地震反應(yīng)分析（裴星洙，2006），根據(jù)達(dá)朗貝爾原理可以建立該體系在地震作用下任一時刻的動力平衡方程：

式中，［］為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；［］為阻尼矩陣；［］為系統(tǒng)的剛度矩陣；、、分別為系統(tǒng)的加速度、速度和位移向量；為輸入地震加速度向量。

對該運動方程求解時，采用時程逐步積分法，將整個地震過程分為若干微小時間段，并假設(shè)在各微小時間段內(nèi)體系是線性變化，通過積分可得到體系在整個地震過程中各時刻的運動狀態(tài)及其變化情況。同時還可將式（1）轉(zhuǎn)變成增量方程：

2 工程概況

分析實例為長沙軌道交通2號線西湖公園站—溁灣鎮(zhèn)站區(qū)間隧道暗挖工程。區(qū)間隧道斷面形式采用分離式單洞斷面，區(qū)間暗挖段線間距13m，采用分離式單洞斷面形式，馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)，采用上下臺階法施工，開挖斷面寬6.30m，高6.60m，開挖面積34.5m2。本文主要分析區(qū)間隧道爆破開挖時，爆破振動對埋地污水管道的影響，故選取位于污水管道上方編號XYCD-4號監(jiān)測點，對3月25日到4月27日監(jiān)測到的5次爆破實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（以4月23日數(shù)據(jù)為例附圖）。實測數(shù)據(jù)見表1；實測振動波形如圖1所示。

表1 隧道爆破振動四號測點監(jiān)測數(shù)據(jù)表

續(xù)表

時間監(jiān)測點編號最大段量（kg）總藥量（kg）爆心距（m）垂直振動速度（cm/s）振動持續(xù)時間（s）振動主頻（Hz） 4月12日XYCD-411.83555.90.2871.51820.02 4月22日XYCD-49.661.444.70.2161.92441.62 4月23日XYCD-410.050.820.80.6281.82014.65 4月27日XYCD-49.254.672.60.2131.99218.56

圖1 4月23日實測垂直方向振動波形

圖2 物理模型圖

3 淺埋污水管動力響應(yīng)分析

3.1 有限元模型的建立

爆破地震作用下，埋地管道的動力響應(yīng)是土與管道結(jié)構(gòu)共同作用、相互影響的結(jié)果。對于污水管道，其埋在地下，爆破動力響應(yīng)無法通過實測數(shù)據(jù)得出，而借助數(shù)值模擬仿真可分析地下結(jié)構(gòu)在爆破地震動作用下的動力響應(yīng)。

實際場地為三維，為便于分析，截取管道橫斷面作為分析對象，把三維問題簡化為二維平面應(yīng)變問題。設(shè)模型中混凝土污水管道管芯外徑為2.40m，厚320mm，埋深4m，上邊界為自由地面，下邊界距上表面18.4m。結(jié)構(gòu)所處場地上表面距離地下10m為土體，往下8m為基巖，物理模型如圖2所示?；诰鶆蚧碚摷坝邢拊椒ǎㄩZ曉鵬等，2011），在ANSYS建模時，鋼筒按照與混凝土彈性模量之比，將鋼筒等效為混凝土。場地土、混凝土管芯、基巖均采用平面單元PLANE42模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絲采用LINK8模擬，采用初始應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土采用COMBIN14單元連接。根據(jù)工程項目提供的地質(zhì)資料并查閱相關(guān)資料，確定模型中材料特性如表2所示。邊界條件底邊和兩個側(cè)邊界均采用粘彈性人工邊界條件處理（劉晶波等，2006；2007；劉漢龍等，2001）。根據(jù)經(jīng)驗做法，通常取地下結(jié)構(gòu)寬度的5—10倍范圍作為計算區(qū)域（杜英杰，2008），有限元模型中左右兩側(cè)邊界取離地下管道25m，本文計算的有限元模型共23087個單元，23522個節(jié)點。ANSYS模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

表2 材料參數(shù)

3.2 動力響應(yīng)分析結(jié)果

實測數(shù)據(jù)表明，本次爆破以豎向振動為主，故輸入地震波采用實測豎向地震動。本文取離污水管道正上方約5m處四號監(jiān)測點實測豎直方向波形為例進(jìn)行分析，通過對實測速度波形進(jìn)行一元微分，得到了加速度時程曲線，然后采用加速度激勵的時程方法進(jìn)行加載求解。計算結(jié)果見圖4—圖6。

圖4 污水管道變形圖

計算結(jié)果表明，爆破振動對污水管道產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為370.49Pa，主要集中在管道上下兩側(cè)的內(nèi)側(cè)；爆破振動對于整個爆破模型產(chǎn)生的整體最大位移為1.476mm；爆破振動對于污水管道產(chǎn)生的最大位移為1.213mm，幾乎可以忽略不計。另外，取污水管道頂部2號節(jié)點做時間歷程后處理，分別得到了該節(jié)點的豎向位移、速度、加速度時程曲線，具體如圖7—圖10所示。

圖7 2號節(jié)點位置

圖8 2號節(jié)點豎直方向位移時程曲線

圖9 2號節(jié)點豎直方向速度時程曲線

圖10 2號節(jié)點豎直方向加速度時程曲線

從圖9中可以得到，2號節(jié)點最大速度為0.625cm/s，這與地表4號測點豎直方向?qū)崪y數(shù)據(jù)0.628cm/s相差不大。同時，分別輸入其他幾次爆破監(jiān)測實測波形，還可分別得到污水管道垂直方向的動力響應(yīng)位移、響應(yīng)應(yīng)力和2號節(jié)點的響應(yīng)速度，結(jié)果見表3。

表3 時程分析結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

從表3可知：①時程分析得到的最大振速與實測數(shù)據(jù)相差很小，都遠(yuǎn)小于爆破規(guī)程中規(guī)定的4cm/s。時程分析數(shù)值偏小，是因為四號測點比地下污水管道離爆源更近，但與實測數(shù)據(jù)很接近，說明時程分析結(jié)果基本可靠。筆者建議對地下污水管道的監(jiān)測可以采用管道上方附近地面實測數(shù)據(jù)作為重要參考依據(jù)。②爆破振動對污水管道產(chǎn)生的響應(yīng)位移非常小，最小位移為0.179mm，爆心距為20m時最大動力響應(yīng)位移才1.213mm，幾乎可以忽略不計。③爆破振動對管道產(chǎn)生的等效應(yīng)力最大值為680Pa，遠(yuǎn)小于混凝土管道MPa級的抗拉強度，也遠(yuǎn)小于按《室外給水排水和煤氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定方法的計算結(jié)果3MPa（薛景宏等，2005）。可以說，地鐵隧道爆破振動對管道影響甚小，管道基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

另外從表3還可以得出，并不是響應(yīng)速度越大，響應(yīng)位移就越大，這還與爆破振動持續(xù)時間有關(guān)。爆破振動持續(xù)時間越長，速度越大，則產(chǎn)生的響應(yīng)位移就越大。

比較裝藥量和爆心距對管道動力響應(yīng)的影響時，當(dāng)最大段藥量相差不大，隨著爆心距的減小，表3中第一次和第四次監(jiān)測動力響應(yīng)速度和位移增幅較大；在爆心距相差不大時，隨著藥量的增加，第一次和第五次監(jiān)測動力響應(yīng)速度和位移增幅并不明顯，位移幾乎無變化。時程分析表明，管道的受力及運動情況受爆心距的影響遠(yuǎn)大于裝藥量大小的影響。筆者建議在城市地下爆破開挖工程中，如遇到管道的安全問題，應(yīng)該首先考慮管道到爆源的距離大小，爆心距是影響管道受到爆炸作用力大小的主要因素。

4 結(jié)論

（1）對地下污水管道進(jìn)行的動力時程分析表明，數(shù)值計算的管道最大振速與實測數(shù)據(jù)相差不大，且都遠(yuǎn)小于爆破規(guī)程中規(guī)定的4cm/s。爆破對管道產(chǎn)生的動力響應(yīng)位移和應(yīng)力也都非常小，幾乎可以忽略不計。在地鐵控制爆破施工中，爆破振動對埋地管道影響甚小，管道是安全的。建議對于地下污水管道的監(jiān)測可以采用管道上方附近地面實測數(shù)據(jù)作為重要參考依據(jù)。

（2）地鐵控制爆破施工中，爆破振動持續(xù)時間也應(yīng)當(dāng)引起足夠重視；此外，管道的受力及運動情況受爆心距的影響遠(yuǎn)大于受裝藥量大小的影響。建議在進(jìn)行地下爆破時，對于管道的安全問題應(yīng)該首先考慮管道距爆源的距離大小，爆心距是影響管道受到爆破作用力影響大小的主要因素。

（3）以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用實測數(shù)據(jù)結(jié)合加速度激勵的時程分析有限元方法，就爆破地震對埋地污水管道的影響進(jìn)行了評價，計算出了實際變形、動應(yīng)力等。結(jié)果表明本文的計算方法是有效的和較為準(zhǔn)確的。

陳穎，2009. 某砌體房屋爆破地震動的實測及結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)時程分析. 工程抗震與加固改造，32（6）：117—120.

杜英杰，2008. 埋地預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的地震響應(yīng)分析. 天津：天津大學(xué)，39.

賈要紅，2011. 地鐵換乘車站多層結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析. 西安：西安科技大學(xué)，13—14.

婁建武，龍源，2003. 基于反應(yīng)譜值分析的爆破震動破壞評估研究. 爆炸與沖擊，23（1）：41—46.

劉晶波，谷音等，2006. 一致粘彈性人工邊界及粘彈性邊界單元. 巖土工程學(xué)報，28（9）：1070—1075.

劉晶波，杜義欣等，2007. 粘彈性人工邊界及地震動輸入在通用有限元軟件中的實現(xiàn). 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，27（增刊）：37—42.

劉漢龍，高玉峰等，2001. 邊界條件對土層粘彈性地震反應(yīng)的影響. 巖土力學(xué)，22（4）：408—412.

裴星洙，2006. 高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的時程分析法. 中國水利水電出版社，187—196.

錢勝國，陳玲玲等，2006. 爆破地震工程結(jié)構(gòu)動力分析. 北京：中國水利水電出版社，36—39.

宋光明，史秀志，陳壽如，2000. 露天礦邊坡爆破振動破壞判據(jù)新方法及其應(yīng)用. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），31（6）：485—488.

史秀志，周健等，2010. 爆破振動對民房破壞效應(yīng)預(yù)測的BDA模型及應(yīng)用. 振動與沖擊，29（7）：60—65.

吳小峰，孫啟國等，2011. 抗震分析反應(yīng)譜法和時程分析法數(shù)值仿真比較. 西北地震學(xué)報，33（3）：275—279.

薛景宏，逮廣東，2005. 埋地管道動力反應(yīng)時程分析結(jié)果與規(guī)范比較. 油氣田地面工程，24（11）：11—12.

閆曉鵬，牛衛(wèi)晶等，2011. 基于均勻化理論的混凝土等效彈性模量的數(shù)值模擬. 太原理工大學(xué)學(xué)報，42（2）： 212—214.

Security Impact of Blasting Excavation of Urban Subway on Shallow Buried Large Diameter Pipeline

Zhao Jianping and Song Xiaodong

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In the process of shallow buried underground blasting excavation, there often exists underground pipe network, culverts and other buildings. Therefore, the influence range and degree of accuracy evaluation for the blasting is particularly important. Taking Changsha subway tunnel blasting construction as an example, we used finite element method based on spot-measuring data to calculate the pipeline dynamic response on buried sewage pipeline under tunnel blasting vibration as well as deformation and stress, and to evaluate the safety effect of blasting vibration on pipeline. The results show that the pipelines are basically safe. Blasting distance is the main factor to pipeline affected by explosive force size. Finally, time-history analysis method of acceleration excitation is a feasible and accurate method for evaluating the impact on buried pipeline and blasting vibration.

Blasting vibration; Finite element; Time-history analysis; Dynamic response

國家自然科學(xué)基金青年基金（51104178）

2014-12-19

趙建平，生于1977年。博士，副教授。研究方向：工程爆破、巖土工程。E-mail：jpzcsu@126.com