石偉民 何 方 陳士海 揭海榮 李海波

(1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 廈門 361021;2.中鐵二十四局集團福建鐵路建設(shè)有限公司,福州350013;3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,武漢 430071)

在實際隧道工程建設(shè)中,由于場地和周邊環(huán)境的限制,難免會使新建隧道通過下穿鐵路結(jié)構(gòu)等方式進(jìn)行爆破開挖,在這種空間地層聯(lián)系緊密的環(huán)境下進(jìn)行爆破施工,極易因爆破產(chǎn)生振動而對既有鐵路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生威脅和影響,進(jìn)而影響鐵路結(jié)構(gòu)的運營和安全[1].制定合理的振動控制標(biāo)準(zhǔn),能將新建隧道爆破開挖對鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動影響控制在安全和合理范圍內(nèi),根據(jù)彈性力學(xué)波動理論[2],既有建筑物、構(gòu)筑物受到的爆破拉、壓應(yīng)力主要受質(zhì)點的振動速度、彈性模量、泊松比和密度的影響,而隧道爆破施工中,彈性模量、泊松比和密度是常量,因此可采用振動速度作為評價振動影響的控制指標(biāo).關(guān)于鐵路振速控制標(biāo)準(zhǔn)的確定,爆破安全規(guī)程僅給出表1[3-4]一般施工環(huán)境下鐵路路基的爆破振動安全允許值,顯然對于下穿鐵路工程爆破不具有適用性,因此有必要對下穿鐵路工程爆破制定合理的振動控制標(biāo)準(zhǔn).

表1 鐵路路基爆破振動安全允許值

由于實際施工中無法進(jìn)行破壞性試驗來尋找安全振速和變形的臨界值或極限值,而采用數(shù)值模擬能較好地預(yù)測和解決臨界值問題.曹正龍[5]等以青島地鐵新建2、3號線區(qū)間隧道呈立體交叉狀為工程背景,通過FLCA3D 動力模型分析驗證當(dāng)振動控制標(biāo)準(zhǔn)為5 cm/s時近距離交疊工程采用鉆爆法施工是安全的;葉宇[6]等應(yīng)用MIDAS/GTS-NX 對滬昆某鐵路隧道下穿滬昆高速公路進(jìn)行數(shù)值模擬,得出新建隧道與既有高速公路不同相對位置的峰值曲線變化規(guī)律;朱正國[7]等人以南京地鐵超小凈距隧道為工程背景,通過數(shù)值分析得出背爆側(cè)峰值振動速度最大為4.8 cm/s;薛里[8]等人利用埋地管道材料的Von-Mises屈服準(zhǔn)則確定爆炸荷載作用下管道的臨界振動速度,并將臨界振動速度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為190 mm/s;于建新[9]等對爆破施工開挖區(qū)進(jìn)行爆破振動監(jiān)測,計算得出走馬崗地區(qū)爆破質(zhì)點峰值振動速度(PPV)的Sadovsk公式,并反演出整個爆破振動控制范圍內(nèi),振速控制在4.5 cm/s時能滿足振動安全控制要求;袁良遠(yuǎn)[10]等結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析,理論計算出上行鐵路隧道的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)為8.0 cm/s;劉建友[11]等為對京張鐵路左右到發(fā)線采用微振爆破跨主振周期,中洞采用干擾降振法,得出圍巖及噴射混凝土的振動控制標(biāo)準(zhǔn)為37 cm/s、25 cm/s;胡英國[12]等為了確定巖石高邊坡爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn),以上臺階振動允許最大振速和當(dāng)前爆破梯段巖體損傷深度作為計算依據(jù),通過理論計算和應(yīng)力波衰減機制分析,結(jié)果表明振動安全標(biāo)準(zhǔn)的確定與允許開挖損傷深度、臺階高度等密切相關(guān);劉建友[13]等采用經(jīng)驗總結(jié)法和理論分析法,建立振動波速與材料強度之間的關(guān)系,提出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn);曲云騰[14]通過在調(diào)研分析國內(nèi)外不同使用功能建筑物的振動控制的基礎(chǔ)上,預(yù)測了既有鐵路站線的振動影響值.

上述學(xué)者對爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)的制定開展了一定研究,但基于鐵路結(jié)構(gòu)的安全性和敏感性高于一般建筑物,應(yīng)結(jié)合鐵路線路變形展開振動控制標(biāo)準(zhǔn)研究.目前根據(jù)鐵路線路變形來制定振動控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較少,本文從鐵路線路水平、高低、路基受振變形保護(hù)角度出發(fā),提出以鐵路線路變形作為爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)的計算依據(jù)展開研究.對于下穿鐵路爆破施工的振動控制標(biāo)準(zhǔn)研究,多數(shù)研究僅建立在一般性爆破安全規(guī)范和依托于類似的工程案例進(jìn)行分析,并沒有明確和嚴(yán)格的理論計算依據(jù).本文將鐵路軌道結(jié)構(gòu)和鐵路路基看成整體柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析,通過數(shù)值分析,探究爆破振動對鐵路結(jié)構(gòu)水平、高低和路基變形的影響程度,得出路基變形是爆破振動后鐵路線路的主要變形方式,最后給出本工程的鐵路結(jié)構(gòu)振動控制標(biāo)準(zhǔn),為下穿鐵路工程爆破提供一定的借鑒和指導(dǎo).

1 下穿鐵路爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)計算依據(jù)確定

1.1 鐵路線路保護(hù)要求

隧道下穿既有鐵路爆破開挖時,爆破振動將使鐵路結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,鐵路結(jié)構(gòu)變形的主要方式是軌道的水平、高低變位以及鐵路路基的沉降變形.表2[15]給出一般爆破施工環(huán)境下鐵路結(jié)構(gòu)水平、高低及路基變形的控制值.表2給出鐵路結(jié)構(gòu)在一般爆破施工環(huán)境下的線路變形保護(hù)要求,而下穿鐵路路基的變行沉降可以通過沉降槽計算近一步論證其沉降控制值.

表2 軌道動態(tài)幾何不平順容許偏差管理值

1.2 下穿鐵路路基沉降變形控制值確定

下穿鐵路路基由爆破振動引起的沉降并不等同于一般鐵路路基的工后沉降,路基工后沉降多為均勻沉降,而下穿工程引起的路基沉降多呈U 型漏斗狀[16],如圖1所示.

圖1 地鐵隧道施工地面沉降槽

由于鐵路軌道結(jié)構(gòu)和路基聯(lián)系緊密,為方便后續(xù)計算和開展研究,將鐵路軌道結(jié)構(gòu)和鐵路路基整體看成柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析,將鐵路路基的沉降變形等效為軌道結(jié)構(gòu)整體沉降變形.

設(shè)地表允許沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為Smax,則考慮回歸系數(shù)后Smax可表示為:

其中:F為最大等效應(yīng)力,取值見表3,a1～a5均為回歸系數(shù),取值見表4[17].

表3 最大等效應(yīng)力

表4 回歸系數(shù)

路基沉降計算可以根據(jù)Peck地表沉降理論計算得到,其中沉降槽寬度系數(shù)i與隧道埋深H關(guān)系,可采用式2[17]表示:

其中:Z為地表到隧道中心的距離;φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角.

由Peck公式[17-18]可知,沉降曲線反彎點處的地面沉降量等于隧道中心線上方地面最大沉降的60%,將x=i帶入得反彎點處沉降量為

設(shè)路基的允許最大沉降值為S路基根據(jù)Peck 沉降槽理論得,地面沉降槽10 m 弦長的最大沉降等同于路基沉降值,則可得路基沉降允許值與地面最大沉降的關(guān)系:

2 下穿鐵路爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

以廈門市地鐵3號線區(qū)間隧道建設(shè)為工程背景,區(qū)間隧道左線DK9+546.773～DK10+085.000,總長538.227 m,右線DK9+546.773～DK10+086.000,總長539.227 m,隧道斷面為單洞單線馬蹄形,洞徑約6.2 m,掘進(jìn)總長度約1077.4 m,區(qū)間左、右線間距16.5 m,隧洞拱頂至鐵路路基底面的豎向距離約15.1 m.區(qū)間隧道與鷹廈鐵路位置近似呈現(xiàn)空間下穿正交,夾角為83°,鷹廈鐵路為路基—擋墻式結(jié)構(gòu),設(shè)計限速＜120 km/h,為Ⅱ型軌道,隧道與下穿鐵路位置關(guān)系如圖2所示.

圖2 新建隧道與鐵路位置關(guān)系

2.2 土層參數(shù)

結(jié)合實際工程地質(zhì)勘探,新建隧道穿越主要土層物理力學(xué)參數(shù)見表5.

表5 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 鷹廈鐵路路基沉降最大允許值確定

3 下穿鐵路結(jié)構(gòu)爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值模擬研究

3.1 建立模型

鐵路結(jié)構(gòu)為鐵路路基形式,模型部分包含土層、隧道、道砟、鐵路路基及鋼軌部分.考慮邊界影響模型尺寸取40 m×40 m×100 m,其中掌子面開挖方向100 m,上方鐵路結(jié)構(gòu)位于掌子面開挖方向45～55 m處,隧道拱頂距離鐵路路基底15.1 m,隧道左右中心距16.5 m 均按實際工程情況設(shè)計.建立模型采用單元為Solid185和3DSolid164實體單元,模型網(wǎng)格劃分單元數(shù)為1 906 564,節(jié)點數(shù)為2 026 708,最小單元網(wǎng)格為2 cm,模型整體示意圖如圖3所示.

圖3 模型建立

路基、道砟及軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)主要根據(jù)實際工程地質(zhì)勘測報告及部分文獻(xiàn)[19-20]得到,見表6.鋼軌本構(gòu)采用各向同性線彈性模型,巖土體本構(gòu)選用塑性隨動硬化材料模型.

表6 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型考慮重力作用影響

考慮到實際施工中存在重力作用,為確保施加爆破荷載后動力計算結(jié)果準(zhǔn)確,模型應(yīng)考慮自重作用產(chǎn)生的位移影響,且鐵路結(jié)構(gòu)線路變形應(yīng)由爆破作用和自重作用共同產(chǎn)生,但考慮到爆破作用對鐵路結(jié)構(gòu)的振動變形影響是瞬態(tài)的,即爆破作用對鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響遠(yuǎn)比自重作用產(chǎn)生的變形大,因此在數(shù)值分析過程中,模型應(yīng)在鐵路結(jié)構(gòu)消除自重作用產(chǎn)生位移影響下進(jìn)行爆破動力計算,且計算結(jié)果可以視為由爆破振動產(chǎn)生形變.目前有學(xué)者[18-19]采用將自重作用產(chǎn)生的邊界節(jié)點反力施加于人工邊界,通過內(nèi)力平衡的方式消除自重作用產(chǎn)生位移,這樣模型在進(jìn)行爆破動力計算時基本沒有自重作用產(chǎn)生的位移影響.

3.3 ls-dyna施加等效爆破荷載的動力計算

ls-dyna進(jìn)行動力計算的關(guān)鍵是確定等效爆破荷載曲線、荷載大小、作用時間以及作用位置.

由于爆破開挖時[21-22],爆炸應(yīng)力波均勻地作用在隧道洞周上,爆炸作用剛開始時對圍巖的壓應(yīng)力急劇上升,達(dá)到峰值后又立刻衰減,整個爆炸過程都非常劇烈.因此選擇三角形峰值荷載來簡化替代實際爆破荷載模擬爆炸應(yīng)力波對圍巖的作用過程,荷載形式如圖4所示.

圖4 三角形爆破荷載峰值

已有研究表明[21-23],將爆破峰值荷載以壓力的形式均勻施加在開挖隧道的洞周,壓力方向垂直向里指向隧道洞周,通過這種簡化和施加爆破荷載的方式計算出的結(jié)果與直接將爆破荷載作用于炮孔壁的計算結(jié)果基本一致.爆破荷載應(yīng)力峰值按式(8)確定[21-23]:

式中:prmax為巖體沖擊波的初始波峰壓力;ρr為巖石密度;Cer為巖體縱波波速;ρ0 為炸藥密度;D為炸藥爆速;pe為炸藥爆轟壓力,可由式(9)確定[18-19]:

根據(jù)爆破荷載的作用時間[21-23],其中加載到峰值壓力的升壓時間為0～10 ms,卸載時間為10～110 ms,則本次模擬中加壓時間為10 ms,卸載時間取80 ms,總計算時間取200 ms.

結(jié)合工程實際圍巖密度、炸藥參數(shù)等將爆破理論峰值列于表7.爆破荷載峰值曲線如圖5所示.

表7 爆破峰值荷載理論計算結(jié)果

圖5 爆破荷載峰值曲線

3.4 爆破掘進(jìn)開挖下鐵路振動響應(yīng)的數(shù)值分析

為動態(tài)分析隧道爆破開挖對上方鐵路結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)機理,在數(shù)值分析過程中,選取爆破掘進(jìn)距離為控制變量,分析鐵路路基沉降變化趨勢和振動響應(yīng)規(guī)律,鐵路結(jié)構(gòu)位于爆破掘進(jìn)段45～55 m 上方,爆破掘進(jìn)距離0～100 m 內(nèi)間隔10 m 的10組模擬計算結(jié)果見表8.

表8 爆破掘進(jìn)距離變化下路基沉降模擬結(jié)果

結(jié)合圖6分析,結(jié)果表明:當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時,鐵路路基沉降值逐漸增大,當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段進(jìn)入鐵路結(jié)構(gòu)正下方時,路基沉降突然加劇,在鐵路中心線附近路基沉降達(dá)到最大值,當(dāng)爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離鐵路結(jié)構(gòu)時,路基沉降值又減小,最后趨于平緩,鐵路路基的沉降變形和振動速度存在一定范圍內(nèi)的正相關(guān)性.

圖6 不同爆破掘進(jìn)距離下鐵路路基沉降變化規(guī)律

3.5 基于鐵路路基沉降允許值的振動控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值分析

為得到合理的鐵路振動控制標(biāo)準(zhǔn)以控制鐵路路基的沉降允許值5 mm 為計算依據(jù),取9次不同爆破掘進(jìn)距離下的開挖工況數(shù)值計算結(jié)果分析,見表9.

表9 不同開挖工況下鐵路振速計算

結(jié)合圖7分析,當(dāng)鐵路路基沉降的控制值達(dá)到5 mm 時,鐵路結(jié)構(gòu)的振動速度在2.6～2.9 cm/s范圍內(nèi)浮動,基于施工安全考慮,取不同開挖工況下最小振速2.6 cm/s為本工程的振動控制標(biāo)準(zhǔn).

圖7 路基沉降控制值為5 mm 時振速計算結(jié)果

4 結(jié) 論

1)通過Peck沉降槽理論分析路基沉降與地面沉降的關(guān)系,計算得出下穿鐵路路基沉降的理論允許值為5 mm.

2)用ls-dyna計算得到爆破掘進(jìn)距離與鐵路路基沉降值的關(guān)系:當(dāng)爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時,鐵路路基沉降值逐漸增大,當(dāng)隧道爆破掘進(jìn)段進(jìn)入鐵路結(jié)構(gòu)正下方時,路基沉降突然加劇,在鐵路中心線附近路基沉降達(dá)到最大值,當(dāng)爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離鐵路結(jié)構(gòu)時,路基沉降值逐漸減小,最后趨于平緩.

3)隨著爆破掘進(jìn)段靠近上方鐵路結(jié)構(gòu)時,爆破峰值荷載值逐漸減小,爆破掘進(jìn)段遠(yuǎn)離上方鐵路結(jié)構(gòu)時,爆破峰值荷載值又逐漸增大,在鐵路結(jié)構(gòu)正下方爆破掘進(jìn)時,路基達(dá)到沉降允許最大值所需爆破峰值最小,但振動響應(yīng)最激烈,應(yīng)加強支護(hù)和監(jiān)控測量.

4)以本工程隧道下穿鐵路爆破施工為例.通過調(diào)整爆破掘進(jìn)距離和爆破峰值荷載,控制鐵路路基的沉降變形值在5 mm 左右時,振動速度范圍在2.6～2.9 cm/s內(nèi),取最小值2.6 cm/s為安全的爆破振動速度,即在這個振動控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)進(jìn)行施工,是安全合理的,能為下穿鐵路爆破施工提供借鑒和參考意義.