劉 飛，賀 鋒，吳楊勇，3，李歡秋，高永紅

(1.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，洛陽(yáng) 471023；2.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100850；3.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，淮南 232001)

淺埋暗挖法常用于丘陵地區(qū)隧道建設(shè)或埋深比較大的城市地鐵建設(shè)中[1]。人防工程商業(yè)街或地下連通道往往位于城市繁華地帶道路或廣場(chǎng)下，距離地表一般比較淺，采用明挖法施工雖然經(jīng)濟(jì)，但會(huì)影響道路通行和周邊商業(yè)門面的正常經(jīng)營(yíng)，為了克服這一難題，采用淺埋暗挖法施工無疑是一種最佳的方案。由于人防工程地下結(jié)構(gòu)頂板覆土層厚度薄，道路上汽車行駛引起的震動(dòng)將對(duì)淺埋暗挖施工如頂板土方開挖、混凝土澆筑等造成較大的影響。

現(xiàn)有的對(duì)于車輛行駛震動(dòng)的研究主要集中在行車荷載對(duì)路面和路基的影響。如陳頁(yè)開等[2]考慮地基土的彈塑性，研究了柔性路面對(duì)行車荷載的動(dòng)力響應(yīng)；Liu等[3]通過改變不同的道路面層參數(shù)，模擬得出路面頻率和應(yīng)變的變化規(guī)律；韓文揚(yáng)等[4]研究了不同車輛荷載對(duì)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。孫春光[5]利用空心扭剪儀研究了交通荷載對(duì)砂土路基力學(xué)性能的影響；崔兵等[6]基于低路堤軟黏土地基模型，測(cè)試并獲得了交通荷載對(duì)低路堤軟黏土地基動(dòng)力特性的影響；周撿平等[7]基于室內(nèi)固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了飽和軟黏土地基在地鐵列車荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律和長(zhǎng)期累積變形；王新志等[8]通過監(jiān)測(cè)某珊瑚礁場(chǎng)地道路路基在車輛動(dòng)荷載作用下的土壓力，得出了鈣質(zhì)砂路基在車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律；孟上九等[9]通過進(jìn)行路基在車輛荷載作用下動(dòng)態(tài)加載-卸載試驗(yàn)，研究了路基動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)規(guī)律；馬林等[10]通過試驗(yàn)研究了車輛荷載對(duì)重塑黃土路基的動(dòng)力特性響應(yīng)。

對(duì)于車輛行駛震動(dòng)影響結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)的研究也僅僅聚焦于結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)車輛行駛震動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如邵珠山等[11]利用 ANSYS軟件模擬了行車荷載對(duì)隧道洞口初期支護(hù)的震動(dòng)響應(yīng)；賈穎絢等[12]通過荷載數(shù)定法和解析公式法,計(jì)算地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵列車的震動(dòng)響應(yīng)；劉憲慶等[13]基于混凝土損傷塑性模型研究了地下車庫(kù)對(duì)移動(dòng)車輛荷載的響應(yīng)規(guī)律。地下工程結(jié)構(gòu)對(duì)地表車輛行駛震動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)鮮有研究。

現(xiàn)利用ANSYS數(shù)值軟件進(jìn)行瞬態(tài)分析，定性地分析行車震動(dòng)在路面下水平方向和豎直方向的傳播規(guī)律；并且對(duì)洛陽(yáng)市紗廠南路淺埋暗挖工程的加速度震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，獲取道路下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水平和豎直方向的加速度，研究汽車行駛引起的震動(dòng)對(duì)地下淺埋暗挖施工的影響規(guī)律。

1 背景介紹

該淺埋暗挖工程位于洛陽(yáng)市中州中路與紗廠路交叉路口,是在城市道路下建設(shè)的地下人防工程，淺埋暗挖主體結(jié)構(gòu)部分覆土厚度為2.8 m，結(jié)構(gòu)軸線跨度為7.5 m，周圍商業(yè)繁華，車輛頻繁。頻繁的車輛往來引起的動(dòng)荷載給工程施工帶來了許多不利影響，是需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的工程項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)工程背景如圖1所示。通過對(duì)施工區(qū)域道路正常通行情況下地下結(jié)構(gòu)及周圍土體的加速度測(cè)定，研究有/無汽車通行條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震動(dòng)情況，以及震動(dòng)對(duì)施工土體穩(wěn)定性的影響。

圖1 工程路面環(huán)境圖

2 行車震動(dòng)在土中傳播的數(shù)值模擬

2.1 模型簡(jiǎn)介

根據(jù)實(shí)際工程將計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，從而來定性分析行車震動(dòng)在人防工程中水平方向和豎直方向的傳播規(guī)律。計(jì)算模型寬度(x方向)為20 m，高度(y方向)為8 m，軸向(z方向)長(zhǎng)度為60 m，土層共分為3層，工程斷面圖如圖2所示。人防工程支護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，覆土厚度為3 m，高度為4 m，寬度為8 m，底板、頂板和墻體厚度均為0.5 m，計(jì)算模型如圖3所示，模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

圖2 工程斷面圖

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 汽車荷載

選用某型小汽車為研究對(duì)象，車重P0為15.2 kN，車長(zhǎng)L為4.5 m，輪距為1.5 m，軸距為2.5 m，車速v為60 km/h。將汽車荷載簡(jiǎn)化為集中荷載，汽車荷載采用穩(wěn)態(tài)正弦波振動(dòng)來進(jìn)行模擬，綜合考慮車重和車速，汽車荷載計(jì)算表達(dá)式[14]為

P=P0+Pd

(1)

式(1)中：P0為汽車靜載；Pd為汽車動(dòng)載。

Pd=M0αω2sin(ωt)

(2)

式(2)中：M0為小客車車輛簧下質(zhì)量，取值為120 N·s2/m；α為矢高，取值為2 mm；ω=2πυ/L。

將數(shù)值代入得出汽車荷載表達(dá)式為

P=15 200+129.9sin(23.27t)

(3)

汽車單只輪胎的荷載表達(dá)式為

P′=3 800+32.47sin(23.27t)

(4)

在人防通道跨中位置施加汽車荷載，汽車荷載為沿著軸向節(jié)點(diǎn)移動(dòng)并且其值呈正弦變化的集中荷載，并均勻分布在4個(gè)輪胎處，數(shù)值計(jì)算加載示意圖如圖4所示，循環(huán)5次模擬5輛車依次通過該人防工程。

圖4 數(shù)值計(jì)算加載示意圖

2.3 模擬結(jié)果與分析

在水平方向上沿著頂板底部設(shè)置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，在豎直方向上沿著墻體設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬測(cè)點(diǎn)分布示意圖

水平方向和豎直方向測(cè)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示，典型位移、速度和加速度時(shí)程曲線(測(cè)點(diǎn)8)如圖6所示。

表2 水平方向上測(cè)點(diǎn)的結(jié)果

表3 豎直方向上測(cè)點(diǎn)的結(jié)果

由圖6可以看出，在頂板跨中處測(cè)點(diǎn)的位移、速度和加速度均最大，由跨中向兩側(cè)墻體方向的測(cè)點(diǎn)位移、速度和加速度均逐漸減小，并且對(duì)于距跨中相同距離處的測(cè)點(diǎn)，位移、速度和加速度相等。

圖6 典型位移、速度和加速度時(shí)程曲線

水平方向上不同測(cè)點(diǎn)的位移、速度和加速度對(duì)比如圖7所示。

圖7 水平方向上測(cè)點(diǎn)位移、速度和加速度的比較

豎直方向上不同測(cè)點(diǎn)的位移、速度和加速度對(duì)比如圖8所示。由圖8可以看出，在豎直方向上，隨著測(cè)點(diǎn)由上至下，測(cè)點(diǎn)位移、速度和加速度均越來越小，并且呈線性分布。

圖8 豎直方向上測(cè)點(diǎn)位移、速度和加速度的比較

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

3.1 試驗(yàn)方案

由于震動(dòng)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的響應(yīng)有很大的差別，因此選擇適當(dāng)?shù)陌惭b位置非常重要。一般情況下傳感器需避免安裝在震動(dòng)的節(jié)點(diǎn)或節(jié)線上，應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)較大的位置，以提高信噪比，提高測(cè)試的精度；對(duì)于測(cè)試結(jié)構(gòu)總體模態(tài)特征為目的的試驗(yàn)中，傳感器應(yīng)該盡可能避免安裝在局部模態(tài)貢獻(xiàn)大的位置，傳感器的選擇要充分考慮傳感器附加質(zhì)量對(duì)安裝結(jié)構(gòu)局部的影響，如果安裝局部較輕、較薄，則應(yīng)該選用體積小、質(zhì)量輕的傳感器，或采用非接觸式傳感器進(jìn)行測(cè)量。

(1)選擇具有代表性的斷面來布置測(cè)點(diǎn)，在已施工的鋼筋混凝土柱上沿豎直方向選3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在已施工的鋼筋混凝土頂板上沿水平方向選6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，以研究分析道路汽車運(yùn)行引起的震動(dòng)在結(jié)構(gòu)中豎向和橫向的傳播規(guī)律。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂板上的測(cè)點(diǎn)沿著人行道向道路中心方向布置，鋼筋混凝土柱上的測(cè)點(diǎn)從上至下布置。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂板及柱上測(cè)點(diǎn)分布示意圖如圖9所示，傳感器測(cè)點(diǎn)實(shí)際布置圖如圖10所示。鋼筋混凝土表面上的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上預(yù)先用A/B膠粘貼一個(gè)鐵塊，以便于監(jiān)測(cè)時(shí)固定加速度傳感器。

圖9 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

圖10 傳感器實(shí)際布置圖

(2)測(cè)試時(shí)機(jī)應(yīng)準(zhǔn)確反映道路交通情況，宜在每天10:00—13:00進(jìn)行測(cè)量，采集數(shù)據(jù)。測(cè)量周期兩周，并將每次觀測(cè)的信息準(zhǔn)確的記錄。

(3)通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析地面交通對(duì)超淺埋暗挖工程的施工影響。

3.2 測(cè)試儀器

監(jiān)測(cè)使用6221動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由加速度傳感器、6221動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖11所示。各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上預(yù)先用A/B膠粘貼一個(gè)鐵塊，用于固定加速度傳感器。傳感器選用寬頻帶的加速度型傳感器，加速度型傳感器靈敏度應(yīng)大于100 mV/g。放大系統(tǒng)的增益應(yīng)大于60 dB，長(zhǎng)期變化量應(yīng)小于1%。折合輸入端的噪聲水平應(yīng)低于3 μV。頻帶寬度應(yīng)為10～1 000 Hz，濾波頻率可調(diào)整。數(shù)據(jù)采集時(shí)需要4名人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)工作，采集的內(nèi)容包括穩(wěn)態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)采集和荷載影響時(shí)數(shù)據(jù)采集。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備圖

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示，典型實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線(測(cè)點(diǎn)6)如圖12所示。

表4 震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖12 典型實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從表4和圖12可知，南北方向有汽車通過時(shí)，頂板上的加速度一般在±100～±200 mm/s2，震動(dòng)周期在3～6 s，距離道路中心近處加速度比遠(yuǎn)處的稍大，南北方向沒有汽車通行時(shí)，但由于受到東西方向汽車通行的影響，結(jié)構(gòu)頂板上也有震動(dòng)響應(yīng)，有車通過時(shí)的加速度值是無車通過時(shí)的1.48～5.33倍，平均為2.92倍。

在水平方向上，分析水平布置測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，道路中心近處的加速度值為112～172 mm/s2，道路中心遠(yuǎn)處的加速度值為50～96 mm/s2。從道路中心到人行道方向上測(cè)點(diǎn)的加速度值雖沒有嚴(yán)格遵循越來越小的規(guī)律，但道路中心近處加速度值明顯大于道路中心遠(yuǎn)處的加速度值，符合數(shù)值模擬得出的加速度在水平方向上的規(guī)律。

在豎直方向上，由上至下布置在鋼筋混凝土柱上測(cè)點(diǎn)的加速度值整體上遵循越來越小的規(guī)律，但由于測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，沒有體現(xiàn)出數(shù)值模擬得出的線性減小規(guī)律。

土方開挖表明，在這樣的震動(dòng)條件下進(jìn)行土方開挖，頂部有掉砂土現(xiàn)象，但是如果是晚上挖土，則頂部砂土掉落比白天大為減少，說明汽車通行引起的震動(dòng)對(duì)淺埋暗挖土方開挖影響是比較明顯的。當(dāng)震動(dòng)加速度小于±100 mm/s2時(shí)，則汽車通行對(duì)挖土影響較小。因此土方挖掘施工應(yīng)盡量避開汽車高峰時(shí)段，安排在晚上車流量較少的時(shí)段進(jìn)行洞室開挖，開挖后及時(shí)進(jìn)行初支和噴射混凝土封閉，防止白天汽車高峰時(shí)段汽車震動(dòng)對(duì)成型洞室的破壞。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬定性分析行車震動(dòng)在人防工程水平和豎直方向的傳播規(guī)律，并對(duì)路面有車和無車行駛時(shí)的震動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和開挖過程情況，可得出如下結(jié)論。

(1)在水平方向上，道路中心近處的加速度值為112～172 mm/s2，道路中心遠(yuǎn)處的加速度值為50～96 mm/s2。從道路中心至人行道方向，加速度值雖然沒有嚴(yán)格遵循逐漸增大的規(guī)律，但道路中心近處的加速度值明顯大于道路中心遠(yuǎn)處的加速度值，與數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

(2)在豎直方向上，由上至下布置在鋼筋混凝土柱上測(cè)點(diǎn)的加速度值整體上遵循數(shù)值模擬得出的越來越小的規(guī)律，但由于測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，沒有體現(xiàn)出數(shù)值模擬得出的線性減小規(guī)律。

(3)路面汽車行駛對(duì)道路下淺埋暗挖土方開挖的不利影響比較明顯。有車通過時(shí)的加速度值是無車通過時(shí)的1.48～5.33倍，平均為2.92倍。因此土方挖掘施工應(yīng)盡量避開汽車高峰時(shí)段，安排在晚上等車流量較少的時(shí)段進(jìn)行洞室開挖，并采取交通控制。開挖后及時(shí)進(jìn)行初支和噴射混凝土封閉，防止汽車高峰時(shí)段汽車震動(dòng)對(duì)成型的洞室破壞。

(4)當(dāng)震動(dòng)加速度小于±100 mm/s2時(shí)，則汽車通行對(duì)挖土影響較小，但加速度超過±100 mm/s2時(shí)，則影響比較明顯。因此在進(jìn)行土方開挖時(shí)，可以采取信息化施工，加強(qiáng)施工時(shí)對(duì)震動(dòng)的監(jiān)測(cè)，在震動(dòng)超過±100 mm/s2時(shí)，通過調(diào)整施工來控制震動(dòng)。