何忠明，蔡軍，王利軍，羅欣，衛(wèi)曉波

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地鐵隧道爆破開挖引起地表位移沉降的數(shù)值模擬

何忠明1,2，蔡軍2，王利軍3，羅欣3，衛(wèi)曉波3

(1. 長沙理工大學特殊環(huán)境道路工程湖南省重點實驗室，湖南長沙，410114；2. 長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410114；3. 廣州市地下鐵道總公司建設總部，廣東廣州，510380)

以珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程隧道為依托工程，針對地表受到隧道開挖及爆破的影響引起的沉降問題，運用有限差分軟件FLAC3D建立隧道開挖的數(shù)值模型，模擬隧道在爆破荷載作用下引起的地表沉降并分析其沉降規(guī)律。研究結果表明：在隧道單線洞壁施加爆破荷載后，隧道掌子面和一定范圍內的開挖區(qū)地表位移沉降對隧道爆破開挖的響應較大，其地表沉降最大值為21.48 mm；在單線隧道爆破開挖引起地表沉降穩(wěn)定后，進行第2條線隧道爆破開挖時，隨著隧道已開挖區(qū)至隧道掌子面的距離增大，隧道地表最大位移沉降位置由兩線隧道中心向兩線隧道地表轉變，沉降幅度與到隧道掌子面的距離有關；距隧道開挖掌子面越近，沉降量越大，最大沉降為32.99 mm。

隧道；爆破開挖；地表沉降；沖擊荷載

建設地鐵不僅能釋放城市地面空間、優(yōu)化交通結構、美化城市環(huán)境，而且對市民的出行交通帶來便利。然而，在城市隧道建設過程中勢必會對隧道地表的土層造成一定的擾動，使土基發(fā)生變形。建筑物直接與地表土層相連，所以，施工過程會對土層產生擾動引起土基變形，會使地表建筑物產生不均勻沉降、沉陷、傾斜、開裂等危害[1?3]，對人們的日常生活帶來很大影響，故在進行爆破開挖施工時，嚴格控制地層變形是城市隧道建設施工過程首要考慮的問題。地鐵建設是一個極其復雜的施工工程，在施工之前需要研討相關施工方案。然而，隧道周圍的土體是極其復雜的，以至于在施工過程中會引發(fā)各種工程問題，并且施工過程帶來的地表位移沉降對周圍的環(huán)境、建筑物的影響難以估計，所以，在地鐵隧道爆破施工前，應通過數(shù)值模擬等相關手段[4?5]，計算分析地鐵隧道爆破施工對地表位移沉降的影響。有關學者對地鐵隧道爆破震動效應進行了研究[6?7]，但大多數(shù)集中于研究隧道爆破施工過程中地表質點振動速度[8?9]以及盾構施工開挖法開挖隧道引起的地表位移沉降的規(guī)律[10?12]，而對地鐵隧道爆破開挖引起的地表位移沉降規(guī)律的數(shù)值研究較少。為此，本文作者通過珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程的實際地質情況，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計算模型，對隧道爆破施工過程進行數(shù)值模擬，分析隧道爆破施工時隧道上方地表位移沉降規(guī)律，以便為工程實踐提供參考。

1 計算模型的建立

1.1 工程地質概況

在珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程沙園站至燕崗站區(qū)間，采用礦山法施工。該區(qū)間段左線起止里程為ZDK24+728.176~ZDK25+504.591；右線起止里程為YDK24+728.176~YDK25+505.630。路面距隧道拱頂約23 m，隧道的寬高均為6 m，雙向，左右兩線隧道間距為18 ｍ。隧道下穿昌崗路立交橋、鶴洞大橋樁基、廣州供電局河南變電站、居民建筑物等。隧道基巖為泥(砂) 質粉砂巖中風化層，隧道底板位于泥質粉砂巖微風化層，從地面至隧道頂端的地層情況分別是第四系全新人工填筑的雜填土、沖洪積層—粉質黏土、硬塑狀殘積層—粉質黏土、巖石強風化層。隧道巖土體的物理力學參數(shù)根據(jù)試驗和已有資料進行確定，如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)彈性力學中的圣維南原理，數(shù)值計算模型的長度取隧道洞跨的8倍，模型的垂直方向從隧道底端至模型底部取洞跨的4倍。結合圣維南原理以及實際工程地質情況，利用FLAC3D軟件建立長×寬×高為120 m×50 m×60 m的數(shù)值計算模型，并劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

整個數(shù)值模擬計算過程分為靜力分析和動力分析2部分。靜力分析時，前、后、左、右邊界條件設置為水平約束；模型的底部設置為固定端約束；模型的上表面為地表，設為自由邊界，計算收斂準則為不平衡力比率小于等于10?5。進行動力分析時，去除靜力分析模型前、后、左、右、底部5個邊界的原有靜力邊界條件并且施加黏性邊界和自由場邊界條件，動力計算時間主要依據(jù)動力荷載時間來確定。

1.3 模擬隧道開挖過程

采用FLAC3D軟件模擬隧道爆破開挖施工。在施工過程中，采用分臺階開挖掘進的方式進行隧道開挖，臺階開挖的長度為5 m(小于隧道的跨度)，采用FLAC3D軟件監(jiān)測隧道整個斷面開挖形成之后的地表監(jiān)測點累計沉降位移。模擬隧道爆破開挖監(jiān)測地表位移沉降總共分2個工況進行：工況1，隧道未進行開挖時，在重力荷載作用下形成初始應力場，對隧道左線(右線)進行爆破開挖；工況2，左線(右線)爆破開挖之后再進行隧道右線(左線)開挖，分析計算隧道地表在不同工況下的沉降規(guī)律。

2 數(shù)值模擬方案確定及監(jiān)測點布設

2.1 爆破震動荷載的輸入

為了能較準確地模擬隧道爆破施工時隧道孔壁的沖擊荷載，采用段寶福[13]提出的爆破荷載作用時間以及美國高速公路研究所提出的爆破沖擊荷載的經驗公式所得荷載[14]分別作為施工過程的荷載時間和沖擊荷載。

其中：D()為爆破沖擊荷載；為荷載常量；為荷載作用時間；B為爆破所采用的炸藥的實測爆速為、炸藥密度為0的炸藥爆轟壓力；e為爆轟速度；為爆心距與藥包直徑之比即比距離；為巖石泊松比；為爆孔裝藥質量；ge為炸藥密度。各個參數(shù)的實測值如下：為3.6 km/s，0為1 g/cm3，為0.23，為28 kg。通過實測參數(shù)繪出的爆破沖擊荷載時程曲線如圖2所示。

圖2 爆破沖擊荷載時程圖

2.2 阻尼比等參數(shù)的確定

由于巖土材料內部的摩擦以及接觸表面的滑動阻尼會迫使地表質點振動的幅值隨時間的增大而不斷衰減，此外，數(shù)值模擬軟件FLAC3D采用求解動力問題的方法需要使用阻尼來解決動力問題，所以，阻尼的確定對于解決動力問題至關重要。然而，典型結構體系的阻尼特性難以確定，為此，采用自由振動條件下具有相同衰減率的等效黏滯阻尼比來表示實際阻尼。在采用FLAC3D軟件進行計算動力荷載分析時可采用瑞利阻尼。瑞利阻尼的2個參數(shù)分別為最小臨界阻尼比和最小中心頻率。

對自振頻率下的位移時程曲線選取相鄰的峰值作為1個振動周期，通過位移時程曲線可以確定阻尼比和中心頻率，計算式為[15]：

式中：D0為阻尼比；A和A+1分別為第和第+1周的幅值；為振動周期；為振動頻率。利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計算模型，不設置阻尼，在重力作用下求解。模型產生振蕩，記錄模型地表面關鍵節(jié)點的位移時程圖，并輸出自振頻率計算得到的位移時程曲線，如圖3所示。從圖3可以確定最小臨界阻尼比為2.01%，最小中心頻率為11.44 Hz。

圖3 重力荷載下地表位移時程圖

2.3 監(jiān)測點的布設

在隧道爆破開挖時，隧道開挖區(qū)上方地表沉降幅度大，遠離開挖區(qū)的地表沉降較小，所以，在進行地表位移沉降監(jiān)測時，采用如圖4所示的監(jiān)測點布設方式布設，即以隧道左右兩線的中點為對稱點，在對稱點左右兩端12 m的范圍內，每相隔1 m設置1個監(jiān)測點；在距對稱點12～24 m范圍內，每隔2 m設置1個監(jiān)測點；在距離對稱點24以外的范圍，每隔5 m設置1個監(jiān)測點。

圖4 地表監(jiān)測點的布設形式

3 分析與討論

3.1 隧道單線爆破開挖地表位移沉降分析

對隧道的左、右兩線單獨進行爆破開挖，將圖4所示監(jiān)測點的布設形式分別布設在隧道爆破開挖的掌子面、距爆破開挖掌子面的未開挖區(qū)和已開挖區(qū)各 5 m的地表處，對地表位移沉降進行數(shù)值模擬分析，所得地表各點的位移沉降如圖5~7所示。左右兩線爆破開挖的沉降關于軸線對稱。

從圖5~7可見：隧道單線爆破開挖時地表位移沉降規(guī)律呈現(xiàn)單峰形式，左右兩側并不對稱，地表沉降最大值均發(fā)生在隧道爆破開挖處上方，與隧道爆破開挖處的距離越大，地表的位移沉降越不明顯；當距隧道爆破開挖處3倍洞跨時，地表位移沉降出現(xiàn)拐點。伴隨沉降拐點的出現(xiàn)，隧道開挖基本上不會引起地表的位移沉降。

1—左線開挖掌子面上方豎向位移；2—右線開挖掌子面上方豎向位移

1—左線開挖距掌子面5 m開挖區(qū)豎向位移；2—右線開挖距掌子面5 m開挖區(qū)豎向位移

1—左線開挖距掌子面5 m未開挖區(qū)豎向位移；2—右線開挖距掌子面5 m未開挖區(qū)豎向位移

沿著隧道掘進方向，隧道開挖引起的沉降有所不同：在隧道爆破開挖區(qū)距掌子面5 m處地表位移沉降最大值為21.48 mm，掌子面上方的地表沉降最大值位移為18.48 mm；未開挖區(qū)距掌子面5 m處地表位移沉降最大值為11.26 mm。這說明隧道爆破開挖對隧道已開挖區(qū)上方和掌子面地表沉降的影響較大。

3.2 隧道雙線爆破開挖引起地表位移累計沉降

對于本文研究的城際快速軌道依托工程，隧道設計為左、右2線，所以，隧道施工引起的地表位移沉降是兩線隧道施工引起的地表變形相互疊加而形成的。雙線隧道施工引起的地表變形要比單線隧道施工引起的地表變形復雜得多。雙線隧道施工順序是先對其中1條線隧道施工，完工后待其沉降穩(wěn)定，再對第2條線的隧道進行施工。第2條線的隧道在施工時會對第1條線的隧道地表沉降產生一定影響，所以，在對隧道施工引起的地表位移沉降進行分析時，需要考慮隧道雙線爆破開挖施工引起的地表位移累計沉降。隧道雙線爆破開挖施工引起地表位移累計沉降如圖8~11所示。從圖8~11可見：從隧道未開挖區(qū)至隧道開挖區(qū)地表位移沉降規(guī)律由“單峰”形式逐漸向“雙峰”形式轉變，即地表位移最大沉降由兩隧道中線向隧道洞口上方轉移。

分別對比圖5與圖9以及圖6與圖10可知：左線開挖引起的地表沉降比待其沉降穩(wěn)定后進行右線開挖引起的沉降更加明顯；在左線開挖沉降穩(wěn)定后的一段時間內，隧道圍巖逐漸穩(wěn)定；進行右線開挖時，引起的地表沉降較小。這符合工程實際情況。

圖8 隧道雙線爆破未開挖區(qū)距掌子面5 m處地表累計沉降

圖9 隧道雙線爆破掌子面地表累計沉降

圖10 隧道雙線爆破開挖區(qū)距掌子面5 m處豎向位移

圖11 隧道雙線爆破開挖區(qū)距掌子面10 m處豎向位移

雙線隧道在進行爆破開挖時對地表位移沉降影響較大區(qū)域位于隧道掌子面上方以及距掌子面一定范圍內的隧道已開挖區(qū)上方，累計位移沉降值均在30 mm以上。隨著離掌子面距離的增大，隧道爆破施工影響區(qū)的地表沉降變?。划斁嗨淼勒谱用嬖?0 m以上時開挖區(qū)地表沉降在20 mm左右，其沉降遠小于掌子面上方的地表沉降。

綜上所述，在進行隧道爆破施工時，在隧道掌子面兩端的開挖區(qū)和未開挖區(qū)的地表沉降對隧道爆破施工的響應不一致，開挖區(qū)的地表沉降大于未開挖區(qū)的地表沉降，并且在距離掌子面5 m處左右，沉降位移達到最大；隨著開挖區(qū)距掌子面的距離增大，其地表的最大位移沉降點由隧道左、右兩線中心向隧道左右兩線上方轉變。

3.3 隧道開挖地表水平位移分析

地表水平位移對建筑物、管線等也具有一定影響，尤其是水平位移對建(構)筑物的拉伸變形的影響，易使建筑物地基破壞、管線接頭斷裂等，因此，地表的水平位移監(jiān)測及控制在施工過程中不容忽視。在隧道掌子面地表布設如圖4所示的監(jiān)測點監(jiān)測地表水平位移，所得地表各點水平位移如圖12所示。

圖12 隧道雙線爆破掌子面地表水平位移

從圖12可知：隧道爆破開挖后，隨著與左右兩線隧道中線距離減小，隧道上方地表水平位移先緩慢增大，在距隧道開挖上方2倍洞跨處水平位移達到最大值7.5 mm；隨后迅速減小，直至在隧道中線地表處減小為0 mm，并在隧道中線兩端呈現(xiàn)左右兩邊反向對稱，即隧道上方的土體向隧道兩線的中線運動。

4 結論

1) 隧道在進行單線隧道爆破開挖時，沿隧道掘進方向，地表位移沉降較大區(qū)域位于隧道掌子面以及距掌子面10 m內開挖區(qū)上方；垂直于隧道掘進方向，地表位移沉降較大區(qū)域位于隧道開挖區(qū)上方，沉降位移最大值達到21.48 mm，并且整個沉降規(guī)律呈現(xiàn)“單峰”形式。

2) 在單線隧道爆破開挖引起地表沉降穩(wěn)定后進行第2條線隧道爆破開挖時，垂直于隧道掘進方向，從隧道掌子面到隧道開挖區(qū)上方，地表位移沉降的規(guī)律由“單峰”形式逐漸轉變?yōu)椤半p峰”形式，即最大位移沉降點由兩隧道中線上方向隧道開挖的上方轉變，沉降位移最大值達到32.99 mm。

3) 雙線隧道施工引起地表位移沉降與單線隧道施工引起的地表位移沉降相比，雙線隧道施工引起的地表位移沉降規(guī)律更加復雜，地表沉降對其影響更加明顯。

4)在隧道爆破開挖時，直至爆破開挖完成之后的一段時間，需要著重監(jiān)測在距隧道開挖上方2倍洞跨處建(構)筑物的水平位移。在監(jiān)測期間，若水平位移超過爆破規(guī)程的警戒值，則需要對建筑物采取加固 措施。

[1] 胡斌, 劉永林. 武漢地鐵虎—名區(qū)間隧道開挖引起的地表沉降研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(5): 908?913. HU Bing, LIU Yonglin. Study on ground subsidence due to the tunnel excavation in Hu—Ming section of Wuhan subway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(5): 908?913.

[2] 賀農農, 李攀, 邵生俊, 等. 西安地鐵隧道穿越飽和軟黃土地段的地表沉降監(jiān)測[J]. 地球科學與環(huán)境學報, 2012, 34(1): 96?103. HE Nongnong, LI Pan, SHAO Shengjun, et al. Ground displacement monitoring above Xi’an Metro tunnel through the saturated soft loess[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2012, 34(1): 96?103.

[3] 繆林昌, 王非, 呂偉華. 城市地鐵隧道施工引起的地面沉降[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2008, 38(2): 293?297. MIAO Linchang, WANG Fei, Lü Weihua. Ground surface displacement due to urban tunnel construction[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2008, 38(2): 293?297.

[4] 楊福麟, 劉永林, 胡斌. 武漢地鐵隧道開挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[J]. 工程地質學報, 2013, 21(1): 85?91. YANG Fulin, LIU Yonglin, HU Bin. Numerical simulation of ground subsidence due to tunnel excavation for Wuhan subway[J]. Journal of Engineering Geology, 2013, 21(1): 85?91.

[5] 肖欣欣, 李夕兵, 宮鳳強. 隧道開挖及爆破對地表高壓鐵塔影響的FLAC3D分析[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(6): 1401?1405. XIAO Xinxin, LI Xibing, GONG Fengqiang. Analysis of tunnel excavation and explosion influence on high-voltage tower with FLAC3D[J]. Chinese Journal of Underground Space Engineering, 2013, 9(6): 1401?1405.

[6] 張頂立, 李鵬飛, 侯艷娟, 等. 淺埋大斷面軟巖隧道施工影響下建筑物安全性控制的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(1): 95?102. ZHANG Dingli, LI Pengfei, HOU Yanjuan, et al. Experimental study on safety control of buildings during construction of shallow-buried soft rock tunnel with large-section[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(1): 95?102.

[7] 張頂立, 李鵬飛, 侯艷娟, 等. 城市隧道開挖對地表建筑群的影響分析及其對策[J]. 巖土工程學報, 2010, 32(2): 296?301. ZHANG Dingli, LI Pengfei, HOU Yanjuan, et al. Influence due to urban tunnel excavation on ground buildings and its countermeasures[J]. Chinese Journal of Geo-technical Engineering, 2010, 32(2): 296?301.

[8] 王利, 王海亮. 隧道爆破不同類型最大振動速度對建筑物的影響研究[J]. 爆破, 2012, 29(4): 6?9. WANG Li, WANG Hailiang. Influence of different direction vibration peak velocity of tunnel blasting on building[J]. Blasting, 2012, 29(4): 6?9.

[9] 喻軍, 劉松玉, 童立元. 淺埋隧道爆破振動空洞效應[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2010, 40(1): 176?179. YU Jun, LIU Songyu, TONG Liyuan. Hollow effect induced by blasting vibration in shallow tunnels[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2010, 40(1): 176?179.

[10] 朱才輝, 李寧, 柳厚祥, 等. 盾構施工工藝誘發(fā)地表沉降規(guī)律淺析[J]. 巖土力學, 2011, 32(1): 158?164. ZHU Caihui, LI Ning, LIU Houxiang, et al. Analysis of ground displacement induced by workmanship of shield tunnelling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(1): 158?164.

[11] 李新志, 李術才, 李樹忱. 淺埋大跨度隧道施工過程地表沉降變形特征研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(1): 3343?3358. LI Xinzhi, LI Shucai, LI Shuchen. Ground displacement deformation characteristic study of shallow large-span tunnel in construction process[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(1): 3343?3358.

[12] 周丁恒, 曲海鋒, 蔡永昌,等. 特大斷面大跨度隧道圍巖變形的現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(9): 1773?1782. ZHOU Dingheng, QU Haifeng, CAI Yongchang, et al. In-situ test on surrounding rock deformation in super-large section and large-span tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(9): 1773?1782.

[13] 段寶福. 工程爆破[M]. 北京: 北京大學出版社, 2012: 137?140. DUAN Baofu. Engineering blasting[M]. Beijing: Peking University Press, 2012: 137?140.

[14] 王祥秋, 周岳峰, 周治國. 爆破沖擊荷載下隧道振動特性與安全性評價研究[J]. 中國安全科學學報, 2011, 11(5): 134?138. WANG Xiangqiu, ZHOU Yuefeng, ZHOU Zhiguo. Study on vibration characteristics and safety of tunnel under blasting impact load[J]. China Safety Science Journal, 2011, 11(5): 134?138.

[15] Clough R W, Penzien J. 結構動力學[M]. 王光遠, 譯. 北京: 高等教育出版社, 2013: 29?34. Clough R W, Penzien J. Dynamics of structures[M]. WANG Guangyuan, trans. Beijing: Higher Education Press, 2013: 29?34.

(編輯 陳燦華)

Numerical simulation of ground subsidence due to tunnel blasting excavation

HE Zhongming1, 2, CAI Jun2, WANG Lijun3, LUO Xin3, WEI Xiaobo3

(1. Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114, China;3. Construction Headquarters of Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510380, China)

Based on the project of intercity rapid track section of Guangzhou to Foshan in Pearl river delta, the FLAC3Dsoftware was used to build the model of tunnel excavation. Surface subsidence caused by tunnel blasting excavation was computed, and the regulation of the surface subsidence was analyzed. The results show that the tunnel blasting excavation has impact on the surface subsidence from a certain range of excavation area to excavated face after applying the blast load on the tunnel wall. When the second tunnel is excavated, the maximal displacement displacement position of tunnel surface moves from the center line of the two tunnels to the tunnel; after the surface subsidence of the first excavates tunnel reaches stable, the magnitude of displacement is related to the distance between the excavated zone and the excavated face. The shorter the distance, the larger the displacement of the surface.

tunnel; blasting excavation; ground subsidence; impact load

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.045

TU94+1

A

1672?7207(2015)09?3496?07

2015?01?07；

2015?03?22

國家自然科學基金資助項目(51478054)；廣州市地下鐵道總公司科研項目(HT141595)；長沙理工大學特殊環(huán)境道路工程湖南省重點實驗室開放基金資助項目(kfj140501) (Project(51478054) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(HT141595) supported by Guangzhou Metro Corporation; Project(kfj140501) supported by Open Fund of Key Laboratory of Special Environment Road Engineering, Changsha University of Science & Technology)

何忠明，博士(后)，副教授，從事道路工程、防災減災工程的教學研究工作；E-mail: hezhongming45@126.com