孟靈鑫 陳德云

( 溫州信達(dá)交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,浙江溫州 325000)

采用鉆爆法施工的隧道對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)較大,巨大的空氣沖擊波易對(duì)周圍環(huán)境造成破壞[12]。 很多學(xué)者對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了研究:H.Dowdin[3]通過建立地面結(jié)構(gòu)的單自由度模型,研究了地震和爆炸振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。 R.P.Dhaka[4]認(rèn)為高頻振動(dòng)作用下加速度大,響應(yīng)小;在低頻振動(dòng)作用下,加速度小,但是響應(yīng)很大。 劉軍[5]等通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了爆破振動(dòng)影響函數(shù)關(guān)系式。 以往研究方法多為基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立某種關(guān)系,進(jìn)而進(jìn)行理論預(yù)測(cè)[67]。 以下通過數(shù)值模擬,利用FLAC3D 有限差分軟件中的動(dòng)力分析,研究金錢龍隧道施工爆破對(duì)鄰近高速公路下白巖橋的影響。

1 工程概況

金錢龍隧道進(jìn)口位于浙江省永嘉縣黃田鎮(zhèn)上白巖村,出口位于甌北鎮(zhèn)安豐村,采用上、下行分離的隧道形式。 金錢龍隧道與現(xiàn)狀S10 溫州繞城高速公路下白巖橋水平凈距為147 m,隧道進(jìn)口路面與下白巖橋面高差為5.67 m。 相對(duì)位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 金錢龍隧道與下白巖橋位置關(guān)系

2 隧道爆破理論分析

2.1 淺孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,金錢龍隧道進(jìn)口為Ⅴ級(jí)圍巖,主要為強(qiáng)-中風(fēng)化晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。

(1)進(jìn)口斷面參數(shù)

斷面中心高9.83 m;斷面寬度為12.46 m;

(2)炮孔直徑(D)

選用直徑為40 mm 的鉆頭,則取孔徑D=40 mm。

(3)鉆孔深度(L)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,有

式中 L——鉆孔深度/m;

H——臺(tái)階高度/m;

α——鉆孔傾角/(°);

h——超深/m(超深公式h=(0.1 ～0.15)H,實(shí)際情況取h=0.1 ～0.5 m)。

依據(jù)設(shè)備能力、作業(yè)條件、邊坡坡度要求,選擇合適的鉆孔角度。 已知臺(tái)階高度為1.0 ～4.5 m,則取L=1.1 ～5.0 m。 施工時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整炮孔深度參數(shù),以確?？椎孜挥谠O(shè)計(jì)的臺(tái)階平面上。

(4)底盤抵抗線(W底)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,有

在堅(jiān)硬難爆的巖體中,或臺(tái)階高度H 較高時(shí),計(jì)算時(shí)應(yīng)取較大的系數(shù)。

施工時(shí)一般取W底=0.8 ～1.5 m。

(5)標(biāo)準(zhǔn)單位炸藥消耗量(q)

根據(jù)本工程區(qū)內(nèi)巖石的性質(zhì)、構(gòu)造等因素,q 取0.4 kg/m3。 在實(shí)際操作過程中,應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)的改變及時(shí)進(jìn)行必要的調(diào)整。

應(yīng)根據(jù)開挖臺(tái)階高度、抵抗線、巖石堅(jiān)硬程度的不同,計(jì)算合理的裝藥量。 當(dāng)單位炸藥消耗量(q)為0.4 kg/m3時(shí),可參考表1 進(jìn)行參數(shù)選取。

表1 淺孔爆破參數(shù)(D=40 mm)

2.2 爆破振動(dòng)對(duì)高速橋的理論影響分析

隧道洞口所穿越地層為Ⅴ級(jí)圍巖,根據(jù)《爆破安全操作規(guī)程》[13],取K=150,α=1.5。 最大單響藥量為13.5 kg,按Q = 20 kg 計(jì)算,爆破區(qū)距繞城高速約147 m,有v=0.5 cm/s,小于允許振速v=8 cm/s。

從理論上分析,隧道爆破對(duì)于高速公路橋梁無安全性影響。

3 爆破施工對(duì)既有建筑動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值仿真分析

3.1 模型的建立

根據(jù)金錢龍隧道進(jìn)口周圍建筑物(主要考慮繞城高速下白巖橋橋面及橋樁)的相對(duì)位置關(guān)系(如圖2)及隧洞與周圍建筑物的實(shí)際尺寸,運(yùn)用FLAC3D 建立幾何模型。 模型尺寸為400 m×700 m×137 m,共 計(jì)718 604個(gè)單元。

圖2 金錢龍隧道入口幾何模型

本次數(shù)值計(jì)算中,假設(shè)巖體為均一、連續(xù)的彈性介質(zhì),采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,動(dòng)力計(jì)算邊界條件采用粘滯邊界條件,模型的前后、左右、底部邊界均施加粘滯邊界條件,上邊界采用自由約束條件。 巖石主要力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石主要力學(xué)參數(shù)

3.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分左右線布置,間隔25 m,左線布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)14 個(gè),右線布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 個(gè)。 橋樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于中間橋樁,對(duì)橋樁中部、底端兩個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)與橋面編號(hào)方向相同。 左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)2×14=28 個(gè),右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)2×5=10 個(gè)(如圖3)。

圖3 繞城高速下白巖橋橋樁

3.3 爆破荷載模擬

(1)爆破峰值荷載時(shí)間

爆破荷載以動(dòng)力加載的方式進(jìn)行模擬。 常用的加載方式有兩種:①按照炸藥爆轟理論計(jì)算炮孔壓力,直接將爆炸荷載作用于炮孔壁上;②利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算動(dòng)荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 考慮到隧道掘進(jìn)爆破的質(zhì)量要求,爆破一般不會(huì)造成開挖區(qū)邊界的圍巖破裂(圍巖屬于彈性變形)。 因此,在隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)模擬中,多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算動(dòng)荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 從形式上來看,三角形脈沖波動(dòng)荷載是爆炸沖擊簡(jiǎn)化荷載的一種延伸,常用的三角形脈沖波爆破動(dòng)荷載峰值較小,一般假定加載時(shí)間為8 ～12 ms,卸載時(shí)間為40 ～120 ms,即卸載時(shí)間為加載時(shí)間的3 ～15 倍。

(2)爆破峰值荷載

在隧洞爆破施工過程中,第一段位炸藥爆破僅基于一個(gè)臨空面的條件,能量損失較小,而后續(xù)爆破時(shí)臨空面較多,能量損失較大,故一般情況下,第一段位炸藥爆破作用在圍巖上的能量最大,產(chǎn)生的地震波效應(yīng)也最大。 以下主要模擬掏槽孔爆破對(duì)既有隧洞的影響。

根據(jù)Hsin yu low,Hong hao[14]對(duì)現(xiàn)有眾多爆破荷載峰值公式的統(tǒng)計(jì)分析,爆破荷載的應(yīng)力峰值Pmax(開挖邊界)可采用經(jīng)驗(yàn)公式求解,有

式中 Z——比例距離;

R*——爆心至荷載作用面的距離;

Q——炸藥量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)開挖邊界爆破荷載峰值進(jìn)行估算[15]。 Ⅴ級(jí)圍巖隧道進(jìn)口段采用預(yù)留核心土法施工:進(jìn)尺1.2 m 左右,單段最大藥量為13.5 kg,R*采用等效面積法,取4.51 m,得Z=1.894, 荷載峰值Pmax=625 580.9 Pa。 爆破時(shí)程如圖4 所示。

圖4 爆破時(shí)程

(3)爆破阻尼

本次計(jì)算采用瑞利阻尼,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),巖土體的阻尼比參數(shù)取0.5%,振動(dòng)主頻取100 Hz。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算中時(shí)間步長取0.001 s;共計(jì)算1 000步,計(jì)算時(shí)長為1 s。

(1)橋面數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果

隧道進(jìn)口處爆破對(duì)繞城高速下白巖橋橋面影響云圖如圖5 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖6 所示。

圖5 對(duì)繞城高速下白巖橋橋面的影響云圖

圖6 左線橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

繞城高速下白巖橋右線橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖7 所示。

(2)橋樁數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果

通過FLAC 數(shù)值模擬計(jì)算,隧道進(jìn)口處爆破對(duì)繞城高速下白巖橋橋樁的影響如圖8 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)如圖9 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖10 所示。

圖7 右線橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖8 對(duì)橋樁的影響云圖

繞城高速下白巖橋右線橋樁中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖11 所示。

繞城高速下白巖橋右線橋樁下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖12 所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知:

(1)爆破對(duì)繞城高速下白巖橋橋面產(chǎn)生的振速最大值為1.3 cm/s(左線)、 1.6 cm/s(右線),均處于安全設(shè)計(jì)振速(2.5 cm/s)以下。

(2)因承臺(tái)的固定作用,爆破對(duì)繞城高速下白巖橋橋樁中部和下部影響相對(duì)較小,爆破產(chǎn)生的振速不超過0.6 cm/s,遠(yuǎn)小于安全設(shè)計(jì)振速(2.5 cm/s)。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

選取了下白巖橋右線橋面3 個(gè)測(cè)點(diǎn)及3 個(gè)中下部橋樁測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),以爆破振動(dòng)速度的峰值來描述振動(dòng)強(qiáng)度。 現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)峰值速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值

圖9 左線橋樁中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖10 左線橋樁下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖11 右線橋樁中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖12 右線橋樁下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由表2 可知,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

對(duì)下白巖橋橋面及橋樁的振動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。 從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看,爆破振動(dòng)速度均小于安全設(shè)計(jì)振速,爆破振動(dòng)對(duì)下白巖橋安全影響不大,可通過控制炸藥量及優(yōu)化爆破參數(shù)保證其安全。