趙利民,李 浩,2

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學 土建學院，北京 100044)

1 工程概況

根據(jù)國標GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》和TB 10002.1—2005《鐵路橋涵基本設計規(guī)范》，爆破作業(yè)時，由于爆破引起的鐵路路基、鐵路軌道結構、鐵路橋梁結構振動速度應<3.0 cm/s。根據(jù)《鐵路運輸安全保護條例》的規(guī)定，鐵路邊線外側20 m范圍屬于鐵路保護范圍，在鐵路邊線外側200 m范圍進行爆破作業(yè)時，應論證其對鐵路設施的影響。

河道沿線總體海拔較低，地勢起伏不大，經過的地貌單元主要為濱海沉積地帶、沖積地帶及風化剝蝕殘積丘陵區(qū)。山體自然斜坡較穩(wěn)定，天然坡度為10°～30°，局部較陡，坡角>50°。沿線場地內最大高差約為35.5 m。場地內主要土層如下。

素填土：上部主要由粉質黏土及粉土組成，含少量碎塊石，濕、松散狀，屬人工填土。下部主要由粉質黏土組成，含少量砂粒，稍濕、松散狀，屬山林種植土。

粉質黏土：主要由黏粒和粉粒組成，含少量砂粒，黏性較好，無光澤，搖震反應緩慢，干強度、韌性中等，濕、可塑狀，屬沖積土。

白堊系強風化砂礫巖：手捏可碎，遇水軟化、崩解，間夾中風化巖塊，巖體極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。建議地基承載力基本容許值[fa0]=450 kPa。

白堊系中風化砂礫巖：褐色、灰褐色，風化中等，裂隙較發(fā)育，砂礫狀結構，塊狀構造，礫石含量不均，礫石成分主要為砂巖、硅化砂巖、石英等。巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，錘擊聲脆，為較軟巖，較破碎，巖體基本質量等級為Ⅳ級。建議地基承載力基本容許值[fa0]=1 200 kPa[1]。

另一方面，分析小學數(shù)學教學期刊中有關方程意義的教學設計，可以發(fā)現(xiàn)，大致可以分為三類：（1）借助于天平，從“等價”以及“數(shù)量關系”著手生成方程，進而概括屬性特征；（2）借助于情境產生等式與不等式以及方程，經過兩次分類，進而篩選出課程學習的主題詞“方程”；（3）用以前接觸到的“20÷□=4”這樣的式子來引入。那么，這些設計是否反映教師已經理解方程的本質？

2 分析方法

采用二維FLAC有限差分法計算爆破作業(yè)對既有鐵路路基振動的影響。按照工程項目地勘資料，建立二維平面有限元模型，輸入地層參數(shù)，土層彈性模量等剛度參數(shù)采用小應變動態(tài)測試值，爆破藥量按相關經驗公式計算[2-3]。

FLAC軟件求解過程分3步：首先對求解域作有限差分網格剖分；然后選擇逼近方程定解問題的差分格式，并對內部節(jié)點和邊界節(jié)點建立起不同的差分方程；最后將計算機網格內所有節(jié)點的相應差分方程聯(lián)立，求解聯(lián)立方程組得到問題的解。它采用內部四邊形單元網格，用兩組對角的常應變三角形單元來代替，節(jié)點力為2組各自節(jié)點大矢量和的均值，采用三角形差分計算。該軟件在力學模型計算時容易控制不同類型的影響因素，對巖土工程研究非常有利。

2.1 爆破荷載

巖石爆破過程是一個瞬間動力過程，巖土體和結構體的受力和響應非常復雜。根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范，減少爆破施工對周邊工程結構的影響應控制爆破引起的振速[4-5]。本文通過在FLAC模型中施加瞬時脈沖荷載(爆破荷載)來計算爆破施工引起的周邊場地的振速。當采用的裝藥形式為耦合裝藥時，爆破荷載計算式[6]為

(1)

式中：P0為爆破荷載峰值壓力；ρe為炸藥密度；De為炸藥爆速；ρm為巖石密度；Cp為巖石彈性應力波波速；k為絕熱指數(shù)。

根據(jù)施工方案和文獻參考資料[6]，計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

因計算模型尺寸很大，為減少計算網格尺寸以減小計算時間，在不影響計算精度的條件下參考相關文獻作適當簡化。先根據(jù)式(1)計算出原始爆破荷載，再根據(jù)沖擊波在巖面?zhèn)鞑r波陣面的壓力衰減規(guī)律，計算出沖擊波傳導至r處的波峰壓力P。將P作為模型荷載,經驗公式為

(2)

式中：P為距炸藥的距離為r處的沖擊波波峰壓力；r0為爆孔半徑；r為距爆孔中心距離；n為指數(shù)，n=2+μ/(1+μ)，μ為泊松比，取0.2。

將模型荷載P輸入到一個直徑2.0 m、高度6.0 m(裝藥高度)圓柱面上，基于彈性力學圣維南原理計算的爆破孔近距離區(qū)域爆速有所差異，但稍遠處的計算值差異較小。根據(jù)擬用爆破方案，控制爆破爆孔直徑為140 mm，單排爆破或多排爆破的第1排孔的每孔藥量為83 kg，裝藥高度為6 m。采用該爆破參數(shù)作為計算條件，計算單孔爆破引發(fā)周邊場地的震動響應，計算荷載采用單脈沖荷載。

2.2 計算參數(shù)

爆破工程場地計算剖面如圖1所示。

圖1 爆破工程場地計算剖面(單位：m)

該段工程場地主要以強風化和中風化礫砂巖為主。廣東省DBJ 15-31—2003《地基基礎設計規(guī)范》推薦的殘積土和風化巖變形模量E0的計算公式為

E0=αN′

(3)

式中:α為計算系數(shù)，其取值見表2;N′為標準貫入擊數(shù)。

表2 計算系數(shù)取值

綜合勘察報告和工程實踐經驗確定強風化礫砂巖標準貫入擊數(shù)為55擊。按式(3)確定巖層變形模量，根據(jù)巖層變形模量和泊松比估算出巖土體的動體積模量和動剪切模量。中風化礫砂巖和微風化礫砂巖彈性模量根據(jù)地勘報告中描述的實際情況并參考文獻[1]確定。有限元計算力學參數(shù)見表3。

表3 有限元計算力學參數(shù)

3 計算模型

建模假定:假定試驗爆孔平行鐵路線路方向布置，縱向所有爆孔無時差爆破；爆破前場地巖土體為彈性狀態(tài)；不考慮爆孔近場區(qū)域的塑性破壞；爆破場地模型邊界設定為阻尼邊界，無窮遠場地全部吸收計算場地的振動能量。

根據(jù)巖土動力爆破數(shù)值計算實際要求，建立二維有限差分計算模型，同時將場地模型劃分為4個風化巖層并設立A,B兩個觀測點，如圖2所示。

圖2 風化巖層分布與觀測點位置示意

4 計算過程及結果分析

將新建河道施工過程分為2個階段，采用FLAC二維有限元分析時階段間內力和變形增量代數(shù)疊加。具體步驟：①初始應力階段，模擬計算工程場地初始應力狀態(tài)；②模擬計算河道未開挖，河堤未填筑初始爆破開挖階段；③模擬計算河道開挖、河堤填筑后爆破開挖階段。

爆破0.3 s后場地振速云圖見圖3。觀測點A，B水平與豎向振速時程曲線見圖4。

圖3 爆破0.3 s后場地振速云圖(m/s)

圖4 觀測點A,B水平與豎向振動速度時程曲線(m/s)

從各爆破工況計算結果來看，鐵路路基振速有超過3 cm/s的,不能滿足GB 6722—2003要求。因此調整了計算工況，分述如下。

1)減少單孔爆破藥量

將最大單孔爆破藥量由83 kg調整為40 kg，爆破對巖體的沖擊能大幅減小。爆破0.2 s后觀測點A的最大振速約1.5 cm/s，觀測點B的最大振速約0.5 cm/s。

2)增加鐵路與控制爆破點間距

將最近控制爆破點向遠離鐵路方向外移18 m左右，觀測點A的最大振速約2.1 cm/s，觀測點B的最大振速約0.6 cm/s。

各工況計算結果見表4。

表4 各工況計算結果

項目部根據(jù)咨詢意見，鄰近鐵路路基區(qū)域采取減少最大爆破藥量的方案，實施過程中觀測點A鐵路路基典型振速-時程曲線與工程咨詢分析結果相近。

5 結論與建議

1)采用原爆破方案施工，鐵路軌道的水平振速和豎向振速均超過3 cm/s,鐵路軌道個別測點最大振速為規(guī)范容許值的2.6倍，不能滿足鐵路設施安全控制要求。

2)鄰近鐵路側巖石爆破開挖時建議加大爆破開挖區(qū)與鐵路路基的距離，爆破點至鐵路路基邊線的距離應不小于65 m。建議每孔爆破藥量控制在40 kg以內，分多孔裝藥。

3)施工時，應做好炮孔封孔，巖面采用筋笆和砂包覆蓋，在鐵路側搭建臨時的防護排架，防止爆破飛石損害鐵路器材和設施。

[1]水利水電科學研究院，水利水電規(guī)劃設計總院，水利電力情報研究所.巖石力學參數(shù)手冊[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]劉世波，薛里，孫崔源，等.緊鄰運營地鐵安全保護區(qū)基坑爆破振動控制技術[J].鐵道建筑，2017,57(10):71-73.

[3]鄭明新，舒明峰，夏一鳴，等.爆破振動對既有高速鐵路隧道襯砌動力響應的影響[J].鐵道建筑，2017,57(1):94-97.

[4]劉殿中，楊仕春.工程爆破實用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]徐穎，宗琦新.地下工程爆破理論與應用[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2001.

[6]張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.