趙立財(cái)

①臺(tái)灣科技大學(xué)營(yíng)建工程系(臺(tái)灣臺(tái)北，106)

②中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司(遼寧沈陽(yáng)，110136)

引言

立體化交通系統(tǒng)是城市發(fā)展重要的一環(huán)，而隧道工程又是其重要的組成部分[1-3]。隧道在爆破施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)不可避免地會(huì)對(duì)城市既有結(jié)構(gòu)物造成一定的損傷甚至破壞，產(chǎn)生一系列的安全問(wèn)題[4-6]。因此，采取行之有效的減振措施，減小隧道爆破對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)效應(yīng)，具有重要的工程意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，主要從爆源和傳播路徑兩個(gè)方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬提出了一系列有效的減振技術(shù)措施。高宇璠等[7]結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了減振措施和優(yōu)化爆破方案。張國(guó)勝等[8]對(duì)爆破產(chǎn)生的地震波信號(hào)進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的減振方法。在起爆方法上，石洪超等[9]采用掏槽炮孔間隔裝藥并采取孔內(nèi)分段毫秒延遲起爆的方法，有效地控制了爆破振動(dòng)強(qiáng)度。牛澤林等[10]提出，順層分段爆破較左右分塊爆破更具優(yōu)越性。張?jiān)甑萚11]利用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到加入緩沖孔的爆破降振率最高可達(dá)51%。Tian等[12]基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和振動(dòng)信號(hào)分析，提出了一種可控制爆破能量延遲釋放的減振方案。根據(jù)不同的爆破掘進(jìn)情況，人們還提出了一些比較新穎、有效的減振技術(shù)，如減小掘進(jìn)方向爆破振動(dòng)的氣墊法[13]、大孔鏜削切割爆破法[14]、先進(jìn)電子雷管起爆技術(shù)[15]等。然而，考慮既有結(jié)構(gòu)物自身所受載荷與隧道爆破耦合作用下結(jié)構(gòu)物的減振行為的研究卻鮮有報(bào)道。

以國(guó)家鐵路重點(diǎn)工程項(xiàng)目燕都隧道為例，針對(duì)下穿既有環(huán)城公路段隧道爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)考慮公路上方車輛瞬時(shí)載荷耦合作用，在隧道和公路之間合理布置有效的減振孔，綜合分析了環(huán)城公路的減振效應(yīng)。

1 工程背景

燕都隧道位于遼寧省朝陽(yáng)市雙塔區(qū)他拉皋鎮(zhèn)姜家窩鋪村境內(nèi)。隧道進(jìn)口里程DIK4＋868，出口里程DIK6＋000，全長(zhǎng)1 132 m，最大埋深為52.6 m。隧道DIK5＋250～DIK5＋450段200 m范圍內(nèi)依次下穿環(huán)城公路及人行天橋基礎(chǔ)。其中，DIK5＋337斷面下穿環(huán)城公路，與公路垂直相交。隧道埋深約18～22 m。公路等級(jí)為城市道路，路面寬24 m。隧道與環(huán)城公路位置如圖1所示。

研究區(qū)圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)，無(wú)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造。隧道爆破時(shí)采用中部超前小導(dǎo)洞先行爆破，先行5 m，隨后，光爆層開(kāi)始同步跟進(jìn)。小導(dǎo)洞爆破采用中部直眼掏槽方式，在2排掏槽眼之間，均勻布置3個(gè)空眼，最外側(cè)4個(gè)掏槽眼設(shè)置起爆時(shí)間為0、5、10、15 ms?，F(xiàn)場(chǎng)采用2＃巖石乳化炸藥，正向不耦合裝藥，起爆點(diǎn)為從外到內(nèi)，炮孔直徑42 mm，炮孔深度為1 m，單個(gè)炮孔裝藥量為0.56 kg，總裝藥量為3.36 kg?；谥胁砍靶?dǎo)洞先行爆破所產(chǎn)生的爆炸載荷作用，分別對(duì)設(shè)置減振孔和未設(shè)減振孔兩種工況下隧道爆破進(jìn)行了緩沖減振研究。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

在ANSYS/LS-DYNA中建立三維有限元數(shù)值模型，模型尺寸為100 m×50 m×60 m。隧道置于模型中部，走向?yàn)閦負(fù)向；公路在隧道上方，走向?yàn)閤正向，空間位置與隧道正交。減振孔布置在隧道及公路之間。隧道、公路、減振孔、炸藥及空氣均采用Solid164單元，設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，通過(guò)Sweep方式共劃分247 747個(gè)網(wǎng)格單元、265 781個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于模型對(duì)稱，測(cè)點(diǎn)布置在模型左半部分。減振孔周圍布置3個(gè)測(cè)點(diǎn):在路面的左、右兩側(cè)和中部位置各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)；且每隔10 m設(shè)置1組監(jiān)測(cè)路面，總共設(shè)置4組監(jiān)測(cè)路面。各測(cè)點(diǎn)在有限元數(shù)值模型中的布置如圖2所示。

2.2 減振孔布置

布置減振孔是為了阻隔和干擾隧道爆破產(chǎn)生的地震波向地表公路進(jìn)行傳播，加快地震波的衰減，降低其對(duì)公路的振動(dòng)效應(yīng)[16]。布置方案如下:減振孔共9個(gè)，距隧道頂板5 m，孔徑120 mm，孔深20 m，孔距1.2 m。選用一定比例的泡沫鋁和砂土混合，作為填充材料，并在端口處封堵密實(shí)。

2.3 參數(shù)設(shè)置

隧道圍巖主要是砂巖和礫巖，在LS-DYNA材料庫(kù)選擇*Mat_Plastic_Kinematic材料模型。實(shí)際測(cè)得圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical mechanics parameters of surrounding rock

減振孔填充材料選擇可壓扁泡沫材料模型

*Mat_Crushable_Foam。

炸藥選用*Mat_High_Explosive_Burn高能炸藥材料模型，并添加關(guān)鍵字*EOS_JWL對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行描述，具體參數(shù)如表2所示[17]。

表2 炸藥材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of explosives

空氣選用*Mat_Null材料模型。公路選用JHC材料模型*Mat_Johnson_Holmquist_Concrete。

2.4 流固耦合設(shè)置

在定義單元算法時(shí)，將圍巖、減振孔和上方公路設(shè)置為L(zhǎng)agrange單元算法，空氣和炸藥采用ALE單元算法，通過(guò)*ALE_Multi-Material_Group定義多物質(zhì)ALE單元，使得ALE單元之間能夠相互作用，Lagrange單元和ALE單元采用共節(jié)點(diǎn)的形式。通過(guò)*Constrained_Lagrange_in_Solid來(lái)控制流固耦合的相關(guān)設(shè)置。對(duì)圍巖四周采用無(wú)反射邊界條件，用來(lái)避免反射波對(duì)結(jié)果的影響。

2.5 車輛載荷設(shè)置

車輛載荷不同于地震等其他動(dòng)載荷，它具有時(shí)間短、頻率高等特點(diǎn)。在這種載荷形式作用下，公路的振動(dòng)響應(yīng)是不同的。汽車在正常行駛過(guò)程中對(duì)路面某一點(diǎn)產(chǎn)生的載荷時(shí)間非常短，一般在0.01～0.10 s之間。為真實(shí)地反映車輛動(dòng)載荷的特點(diǎn)，采用雙頻率正弦波[18]模擬交通載荷。

式中:p0為汽車載荷；ω1和ω2分別為動(dòng)載荷的振動(dòng)原頻率；k1和k2為兩個(gè)主頻的動(dòng)載荷分擔(dān)系數(shù)，k1＋k2為車輛的動(dòng)力放大系數(shù)。

對(duì)該路段上車輛進(jìn)行調(diào)查分析:考慮車輛兩軸作用，車輛空車質(zhì)量120 kN，滿載時(shí)載荷總質(zhì)量300 kN，選取滿載80%下的載荷作為主要載荷；輪胎分布面積取(30×24×4)cm，ω1和ω2分別為主頻4 Hz和10 Hz對(duì)應(yīng)的圓頻率；車速72 km/h時(shí)，動(dòng)載荷放大系數(shù)取0.28，相應(yīng)地，取k1=0.18、k2=0.10。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 減振孔部位振速分析

為了更好地反映減振孔的緩沖減振效果，分別對(duì)設(shè)置減振孔和未設(shè)減振孔兩種工況下隧道爆破進(jìn)行數(shù)值模擬。選取兩種工況下相同位置的測(cè)點(diǎn)，提取減振孔周邊測(cè)點(diǎn)的水平振速和垂直振速時(shí)程曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)H-1的振速時(shí)程曲線Fig.3 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-1

圖5 測(cè)點(diǎn)H-3的振速時(shí)程曲線Fig.5 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-3

從3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速時(shí)程曲線可以看出，在前0.005 s內(nèi)，未設(shè)減振孔和設(shè)減振孔兩種工況下的振速變化幾乎重合。隨著時(shí)間的增加，二者振速的振動(dòng)頻率、方向都高度相近，而振幅差異明顯。在測(cè)點(diǎn)H-1處，水平方向的減振率為41.7%，垂直方向的減振率為30.7%。在測(cè)點(diǎn)H-2處，水平方向的減振率為33.0%，垂直方向的減振率為26.1%。在測(cè)點(diǎn)H-3處，水平方向的減振率為31.4%，垂直方向的減振率為22.7%。減振孔的布置改變了地應(yīng)力的分布規(guī)律，使得爆破產(chǎn)生的地震波波速在傳播過(guò)程中受到阻隔和干擾，從而降低周邊圍巖的振速。水平方向減振率明顯高于垂直方向減振率。由于減振孔的位置相對(duì)于爆心較近，公路上方車輛載荷對(duì)其產(chǎn)生的作用較小。因此，減振孔周邊振速主要是受到地震波的影響。而地震波產(chǎn)生水平方向的擾動(dòng)大于垂直方向的擾動(dòng)，因此，設(shè)置減振孔較大程度降低了水平方向的擾動(dòng)影響。

3.2 公路路面振速分析

公路路面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速時(shí)程曲線不盡相同。以路面測(cè)點(diǎn)M-1為例，圖6顯示了在未設(shè)減振孔和設(shè)有減振孔兩種工況下水平及垂直方向上公路路面質(zhì)點(diǎn)的振速時(shí)程曲線。從圖6(a)和圖6(b)對(duì)比可以看出:未設(shè)減振孔，水平方向振速峰值的波動(dòng)主要發(fā)生在0.008～0.018 s和0.023～0.028 s時(shí)段；持續(xù)時(shí)間分別為0.010 s和0.005 s，分布不均，最大值為10.35 cm/s。而設(shè)有減振孔的振速極值波動(dòng)主要集中在0.010～0.018 s內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為0.008 s；整體波動(dòng)幅度降低，最大值為8.37 cm/s。水平方向減振率為19.1%。觀察圖6(c)和圖6(d):未設(shè)減振孔，垂直方向的振速波動(dòng)范圍較廣，大幅波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間為0.015 s，幅度變化較大，最大值為13.74 cm/s；而設(shè)有減振孔的振速波動(dòng)范圍減小，持續(xù)時(shí)間為0.008 s，最大值為11.38 cm/s，垂直方向減振率為17.2%。對(duì)比兩種工況，設(shè)有減振孔的公路路面大幅波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間減少了50%。

圖6 路面測(cè)點(diǎn)M-1的振速時(shí)程曲線Fig.6 Vibration velocity time history curves of monitoring point R-M-1 on highway pavement

圖4 測(cè)點(diǎn)H-2的振速時(shí)程曲線Fig.4 Vibration velocity time history curves of monitoring point H-2

公路路面距離爆心較遠(yuǎn)，其主要受到上方車輛載荷的作用。車輛載荷會(huì)對(duì)路面施加一個(gè)應(yīng)力波，應(yīng)力波會(huì)向巖層中傳播。當(dāng)爆破產(chǎn)生的地震波和應(yīng)力波相遇時(shí)，兩波會(huì)進(jìn)行一個(gè)疊加。減振孔的布置一方面減弱了地震波的傳播，另一方面也降低了兩波的疊加效應(yīng)。因此，在隧道爆破和公路車輛載荷作用下，減振孔可以有效降低路面振速大幅波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和幅度大小，使得公路的振動(dòng)效應(yīng)更趨于平穩(wěn)。

兩種工況下公路路面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速峰值的計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中可看出，實(shí)測(cè)振速峰值與數(shù)值模擬結(jié)果在同一量級(jí)，且二者相差不大，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的合理性。在爆破和車輛載荷耦合作用下，水平方向和垂直方向最大減振率均發(fā)生在監(jiān)測(cè)路面1＃的中部，減振率分別為19.1%和17.2%。沿著公路走向，即沿路面1＃至路面4＃，隨著與爆心距離的增大，減振率在逐漸減小。從4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面公路左、右兩側(cè)與中部位置振速的比較都可得出，公路兩側(cè)減振率相差不大，中部減振率要高于兩側(cè)的減振率。由于公路兩側(cè)為臨空面，振動(dòng)幅度較大，且兩側(cè)位置距離爆心較遠(yuǎn)，地震波衰減導(dǎo)致其振動(dòng)水平本身就比較小，故減振效果不及中部位置。

表3 兩種工況下公路路面測(cè)點(diǎn)的減振率Tab.3 Vibration reduction rate of monitoring points on highway pavement under two working conditions

3.3 公路路面應(yīng)力分析

以公路路面中部測(cè)點(diǎn)為例，其Mises等效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖7所示。從圖7(a)中可看出，未設(shè)減振孔時(shí)，路面中部的應(yīng)力大幅波動(dòng)的時(shí)間范圍主要集中在0.005～0.010 s和0.028～0.030 s之間，應(yīng)力最大值為3.9 MPa。而設(shè)有減振孔工況下[如圖7(b)所示]，應(yīng)力時(shí)程波動(dòng)曲線大致呈山字狀，即在中間時(shí)段0.010～0.020 s，應(yīng)力波動(dòng)較大，而在初始0～0.010 s和末尾0.020～0.030 s時(shí)段，應(yīng)力波動(dòng)較小，最大值為3.5 MPa。由于公路上方車輛載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力波與隧道爆破產(chǎn)生的地震波會(huì)在巖層中產(chǎn)生疊加，公路路面的等效應(yīng)力即是此疊加的結(jié)果。未設(shè)減振孔下，巖層中應(yīng)力狀態(tài)基本穩(wěn)定，疊加效應(yīng)明顯；在初期一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力大幅波動(dòng)，且在末尾時(shí)段產(chǎn)生二次波動(dòng)。設(shè)置減振孔改變了巖層中的應(yīng)力狀態(tài)，使應(yīng)力重新分布；同時(shí)，也適當(dāng)減弱了地震波的傳播速度。當(dāng)兩波疊加時(shí)，應(yīng)力大幅波動(dòng)的時(shí)間延后，且持續(xù)時(shí)間縮短，疊加后的應(yīng)力幅值也大幅降低。這說(shuō)明減振孔可改變應(yīng)力傳播的路徑，降低應(yīng)力波和地震波的疊加效應(yīng)，使得公路路面受到的應(yīng)力減小，并且降低應(yīng)力大幅波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。這也和路面振速的分析相對(duì)應(yīng)。

圖7 路面中部測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.7 Stress time history curves of the monitoring points in the middle of the road surface

4 結(jié) 論

以燕都隧道DIK5＋337斷面下穿既有環(huán)城公路的爆破研究為工程背景，利用LS-DYNA分別對(duì)設(shè)置減振孔和未設(shè)減振孔兩種工況下的隧道爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在爆破開(kāi)挖和車輛載荷耦合作用下的緩沖減振效應(yīng)，得出以下結(jié)論:

1)在減振孔周邊，最大減振率約為41.7%，水平方向減振率明顯高于垂直方向減振率。設(shè)置減振孔可有效降低隧道爆破對(duì)周邊振動(dòng)的影響。

2)公路路面的最大減振率發(fā)生在中部，約為19.1%。設(shè)置減振孔使公路振速大幅波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間減少了50%。減振孔可以有效降低路面振速波動(dòng)，使得公路的振動(dòng)效應(yīng)更趨于平穩(wěn)。

3)減振孔可使應(yīng)力大幅波動(dòng)的時(shí)間延后且持續(xù)時(shí)間縮短，降低應(yīng)力波和地震波的疊加效應(yīng)。