何能方 曹曉川 張選龍 侯偉名 王李 雷飛亞 段明明

(1.中交隧道局第四工程有限公司，北京 100102；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；3.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

山嶺隧道在前期選線及后期施工建設(shè)過程中將不可避免地會(huì)遇到相關(guān)地質(zhì)難題，同時(shí)，隧道修建中與既有運(yùn)營鐵路、公路橋梁近接相交的情況也非常普遍[1-14]。

隧道下穿既有橋梁的施工過程中，會(huì)導(dǎo)致周邊一定范圍內(nèi)隧道圍巖發(fā)生形變和位移，當(dāng)周邊圍巖的應(yīng)力及變形傳遞到橋梁時(shí)，會(huì)打破樁基周圍土體原有的平衡應(yīng)力狀態(tài)，降低樁基及上部結(jié)構(gòu)的承載能力和自穩(wěn)能力，影響既有橋梁的正常使用，甚至?xí)?dǎo)致橋梁樁基結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞[15]。同時(shí)，由于既有橋梁上有移動(dòng)車輛，移動(dòng)荷載作用對(duì)橋墩的振動(dòng)影響也不容忽視。成昆鐵路擴(kuò)能改造工程埡口隧道以小凈距小角度的方式下穿京昆高速公路城門洞大橋百米高墩，14 100 t的上部結(jié)構(gòu)荷載使得隧道面臨極大的偏壓，加之連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)ψ冃蔚拿舾行?，使得工程難度和施工風(fēng)險(xiǎn)都大大增加。通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的手段展開新建隧道爆破和移動(dòng)車輛荷載作用下的既有百米運(yùn)營橋梁高墩振動(dòng)影響研究，研究結(jié)果可為橋墩正常運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 工程概況

埡口隧道下穿京昆高速公路D2K552+215～+400段屬剝蝕高中山地貌，地形起伏較大，溝槽切割較深；上覆第四系全新統(tǒng)人工堆棄碎石土夾塊石及坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏震旦系片巖夾石英巖；下穿段巖性主要為片巖夾石英砂巖。該地層變質(zhì)作用強(qiáng)烈，受多期構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體節(jié)理發(fā)育，較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差。埡口隧道洞門情況如圖1所示。

圖2為下穿段城門洞大橋橋墩實(shí)景，埡口隧道下穿段共穿越京昆高速公路城門洞大橋4個(gè)橋墩，分別為左線4號(hào)墩、5號(hào)墩，右線3號(hào)墩、4號(hào)墩。4個(gè)墩均為單樁基礎(chǔ)，且地面以下為實(shí)心結(jié)構(gòu)，橋墩尺寸為645 cm×680 cm。左線4號(hào)墩高123.5 m，埋入巖土層中約39 m；左線5號(hào)墩高137 m，埋入巖土層中約60 m；右線3號(hào)橋墩高123.5 m，埋入巖土層中約65 m；右線4號(hào)橋墩高138 m，埋入巖土層中約46 m。左線4號(hào)墩、5號(hào)墩的跨徑和右線3號(hào)墩、4號(hào)墩的跨徑均為110 m，橋面寬23 m。

圖1 埡口隧道

圖2 下穿段城門洞大橋橋墩實(shí)景

埡口隧道以30°斜交下穿京昆高速城門洞大橋，隧道開挖邊緣距左線4號(hào)墩水平凈距約7 m；距左線5號(hào)墩水平凈距約24 m；距右線3號(hào)墩水平凈距約33 m；距右線4號(hào)墩水平凈距約6 m。因此，本次監(jiān)測(cè)的橋墩主要為左線4號(hào)橋墩和右線4號(hào)橋墩。圖3和圖4分別為埡口隧道下穿京昆高速公路特大橋平面和埡口隧道與城門洞大橋位置關(guān)系示意。

圖3 埡口隧道下穿京昆高速公路特大橋平面

圖4 埡口隧道與城門洞大橋位置關(guān)系

埡口隧道拱頂開挖邊緣距左線4號(hào)墩豎向凈距33 m，距左線5號(hào)墩豎向凈距約20 m，距右線3號(hào)墩豎向凈距約31 m，距右線4號(hào)墩豎向凈距約19 m。圖5～圖8為埡口隧道與四個(gè)橋墩的相對(duì)位置關(guān)系。

圖5 埡口隧道與左線4號(hào)橋墩立面位置關(guān)系(單位：m)

圖6 埡口隧道與左線5號(hào)橋墩立面位置關(guān)系(單位：m)

圖7 埡口隧道與右線3號(hào)橋墩立面位置關(guān)系(單位：m)

圖8 埡口隧道與右線4號(hào)橋墩立面位置關(guān)系(單位：m)

2 監(jiān)測(cè)方案與控制標(biāo)準(zhǔn)

由隧道與百米橋墩相對(duì)位置可知，與隧道開挖方向最近的橋墩為右線4號(hào)墩和左線4號(hào)墩，隧道爆破點(diǎn)距左線4號(hào)墩最近。因此，選取左線4號(hào)墩和右線4號(hào)墩作為觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行了多次觀測(cè)，隧道爆破監(jiān)測(cè)方案和車輛移動(dòng)荷載監(jiān)測(cè)方案如表1和表2所示。通過對(duì)實(shí)測(cè)波形進(jìn)行時(shí)域分析和頻譜分析，獲得了觀測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值主頻率、振動(dòng)速度、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等用于評(píng)判爆破振動(dòng)的參數(shù)值，可為隧道爆破施工和橋面車輛限速管理等提供依據(jù)，從而確定隧道爆破及車輛移動(dòng)荷載對(duì)橋墩的影響。

理論研究表明，采用物體的振動(dòng)速度來表示振動(dòng)強(qiáng)度較為科學(xué)、合理，這一結(jié)論已逐漸被國內(nèi)外學(xué)者所肯定。

表1 隧道爆破監(jiān)測(cè)方案

表2 車輛移動(dòng)荷載監(jiān)測(cè)方案

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)

TP3V-10097型速度傳感器指標(biāo)見表3。

表3 速度傳感器指標(biāo)

NUBOX-8016爆破振動(dòng)記錄儀參數(shù)：精度為0.001 cm/s，頻帶寬為5～200 Hz。

該觀測(cè)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于方便攜帶，適用于在不良環(huán)境中工作，而且可長期保存并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所記錄的數(shù)據(jù)。

2.2 安全控制標(biāo)準(zhǔn)

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中給出了爆破振動(dòng)的安全影響標(biāo)準(zhǔn)(如表4所示)。

表4 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注：爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)同時(shí)測(cè)定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相互垂直的三個(gè)分量。

本項(xiàng)目振動(dòng)速度控制值按最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)選取，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》，選取0.1 cm/s作為城門洞大橋橋墩振動(dòng)速度控制值。

2.3 觀測(cè)點(diǎn)的布置

測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)實(shí)際隧道走向和隧道工作面與橋墩的位置關(guān)系確定。本次觀測(cè)主要目的是確定右線四號(hào)橋墩受隧道爆破振動(dòng)的影響程度，及時(shí)記錄并提供監(jiān)測(cè)結(jié)果，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)隧道爆破施工以及橋面車輛限速管理等。根據(jù)橋與隧的位置關(guān)系，布置2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于右線4號(hào)橋墩與左線4號(hào)墩。

右線4號(hào)墩和左線4號(hào)墩振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9和圖10所示，傳感器安裝如圖11所示，現(xiàn)場安裝及測(cè)量如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場安裝及測(cè)量

圖9 右線四號(hào)墩測(cè)點(diǎn)位置(單位：m)

圖10 左線四號(hào)墩測(cè)點(diǎn)位置(單位：m)

圖11 傳感器安裝示意(單位：m)

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 爆破對(duì)百米橋墩的振動(dòng)影響

爆破監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)隧道爆破時(shí)間提前布點(diǎn)，隧道爆破過程中，左線4號(hào)線橋墩的振速及合成振速如圖13和圖14所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隧道爆破過程中，百米橋墩出現(xiàn)瞬間峰值，而后逐漸平穩(wěn)。

圖13 隧道爆破過程中左線4號(hào)線橋墩振速

3.2 車輛移動(dòng)荷載對(duì)橋墩振動(dòng)影響

移動(dòng)荷載的數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)百米高墩上的傳感器。移動(dòng)荷載作用在百米橋墩上表現(xiàn)為比較連續(xù)的振速傳播，出現(xiàn)了多處峰值，且持續(xù)的時(shí)間較長，這與車輛的速度有一定的關(guān)系。移動(dòng)荷載作用下左線4號(hào)線橋墩的振速與合成振速如圖15和圖16所示。

圖14 隧道爆破過程中左線四號(hào)線橋墩合成振速

圖15 移動(dòng)荷載作用下左線四號(hào)線橋墩的振速

圖16 移動(dòng)荷載作用下左線四號(hào)線橋墩的合成振速

3.3 結(jié)果分析

對(duì)24次觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，選取較為典型的12次觀測(cè)結(jié)果，表5和圖17為隧道爆破對(duì)百米橋墩振動(dòng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。從結(jié)果可知，隧道爆破對(duì)距離較近的左線4號(hào)墩振動(dòng)影響遠(yuǎn)比右線4號(hào)墩大，其最大振速達(dá)0.095 cm/s(出現(xiàn)在上臺(tái)階裝藥量較大的時(shí)刻)。最小主振頻率出現(xiàn)在右線4號(hào)墩，其值為3.052 Hz。

表5 隧道爆破對(duì)百米橋墩振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

注：水平徑向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，傳感器的X方向?qū)?zhǔn)爆心。

圖17 隧道爆破對(duì)百米橋墩振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

表6和圖18為車輛移動(dòng)荷載對(duì)百米橋墩振動(dòng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。從結(jié)果可知，不同類型車輛對(duì)橋墩的影響不同，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離頂部的距離對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果也有影響。右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)高于左線，距離頂部車輛較近，故右線監(jiān)測(cè)的振動(dòng)強(qiáng)度比左線大，由重型移動(dòng)車輛荷載造成橋墩最大振速可達(dá)0.063 cm/s，最小主振頻率為3.454 Hz。

爆破振動(dòng)和車輛荷載對(duì)百米橋墩的影響觀測(cè)時(shí)間段為2017年4月6日～2017年4月14日，對(duì)監(jiān)測(cè)的典型波形進(jìn)行時(shí)域分析和頻譜分析，得到質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)速度、主頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。綜合以上結(jié)果可知，距離較近的左線4號(hào)橋墩受爆破影響最大，其振速達(dá)到最大值；上部車輛荷載對(duì)其影響較小。距離爆心290.76 m處觀測(cè)到的右線4號(hào)墩最大振速和主振頻率均小于左線4號(hào)墩，但車輛荷載對(duì)其影響較大，最大振速和最小主振頻率分別達(dá)到0.063 cm/s和3.454 Hz。從結(jié)果可以看出，實(shí)測(cè)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度值均小于振動(dòng)安全速度(0.1 cm/s)。因此，可以認(rèn)為此次埡口隧道爆破振動(dòng)和上部車輛移動(dòng)荷載不會(huì)對(duì)右線4號(hào)橋墩和左線4號(hào)墩造成損壞性影響(如墩面原有裂隙擴(kuò)張、墩體開裂、延伸及出現(xiàn)新裂縫等)。從主頻率結(jié)果可以看出，觀測(cè)點(diǎn)的最小主頻率為3.052 Hz，爆破振動(dòng)頻率大于構(gòu)筑物的固有頻率(構(gòu)筑物的固有頻率一般小于3 Hz)。因此，本次隧道爆破振動(dòng)不會(huì)和橋墩發(fā)生共振。

圖18 車輛移動(dòng)荷載對(duì)百米橋墩振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)次數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)荷載類型監(jiān)測(cè)日期1小型車2017-04-062右線四號(hào)墩中型車2017-04-093重型車2017-04-084小型車2017-04-115左線四號(hào)墩中型車2017-04-136重型車2017-04-14通道名最大振速/(cm/s)主振頻率/Hz振動(dòng)持續(xù)時(shí)間/sX-0.0123.4540.215Y-0.0103.8570.215Z0.0146.4420.215X-0.0239.6540.324Y-0.02812.0450.324Z0.03018.4560.324X-0.06324.9541.043Y-0.03826.1231.043Z0.05151.4251.043X-0.0013.6540.198Y-0.0034.6210.198Z0.0067.4540.198X-0.00610.6350.421Y-0.00813.5420.421Z0.01520.4870.421X-0.02526.5191.352Y-0.02619.6361.352Z0.04340.5641.352

注：水平徑向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，傳感器的X方向垂直向上。

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