羅衛(wèi)華,陳彩苑
(1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510642)
爆破施工是目前工程施工中常采用的施工方法,但爆破產(chǎn)生的沖擊波和動(dòng)荷載對附近構(gòu)筑物和建筑物的安全影響較大,尤其是爆破點(diǎn)距離建(構(gòu))筑物較近,且建(構(gòu))筑物是磚混,并年代久遠(yuǎn)時(shí)[1~9]。所以,為了研究爆破施工過程中的對既有建(構(gòu))筑物的影響,深入研究爆破動(dòng)荷載作用下建(構(gòu))筑物的動(dòng)力響應(yīng)問題是十分重要和必要的。例如廣州某大型垃圾填埋場的工程,在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料,庫區(qū)開挖需采用爆破,而鄰近有新建的過水隧道,必須分析爆破時(shí)對既有隧道的安全影響進(jìn)行分析。本文以邊坡爆破施工工程為背景,應(yīng)用有限元軟件分析了某邊坡爆破施工對既有供水隧洞安全影響,主要分析了不同深度、不同位置處爆破荷載產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)大小,并評估其對供水隧洞安全的影響,根據(jù)影響成果給出具體的減振措施,可為類似工程提供借鑒。
擬施工邊坡場地位于東莞市樟木頭鎮(zhèn)樟洋社區(qū)“石山排”,土石方爆破工程施工作業(yè)區(qū)域西側(cè)約75 m(平行距離)為供水隧洞,隧洞頂標(biāo)高約30 m,爆破位置處整平標(biāo)高約70 m,隧洞比爆破地平線低約40 m?,F(xiàn)狀航拍圖,見圖1。
圖1 現(xiàn)場航拍圖
爆破工程施工作業(yè)區(qū)域與周邊環(huán)境相互位置關(guān)系,見圖2。
圖2 爆破工程施工作業(yè)區(qū)域與隧洞平面位置關(guān)系
本次評估影響范圍隧洞位于中風(fēng)化花崗巖層,圍巖等級III級或IV 級圍。隧洞斷面為城門洞形,過水?dāng)嗝娉叽鐬?.4 m×7.2 m(寬×高),2019 年年度檢查未發(fā)現(xiàn)病害。III級圍巖襯砌邊墻及底板厚400 mm,頂拱厚400 mm,錨桿長2.5 m,間距1.2m×1.0 m;IV級圍巖襯砌底板厚400 mm,邊墻及頂拱厚500 mm,錨桿長3 m,間距1.2 m×1.0 m。
根據(jù)工程量、業(yè)主對工期的要求、工程現(xiàn)場的實(shí)際情況和工程特點(diǎn),擬采用露天臺階深孔爆破為主,輔以淺孔臺階爆破的施工方案:
(1)臺階5 m以下區(qū)域采用淺孔臺階爆破法;
(2)臺階5 m以上采用深孔臺階爆破法;
(3)邊坡采用預(yù)裂爆破法。
目前,評價(jià)爆破震動(dòng)荷載作用下對鄰近建筑物的影響,主要是以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為爆破地震效應(yīng)的衡量指標(biāo)。我國頒發(fā)的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[4]規(guī)定了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為安全判據(jù),并根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式給出了爆破地震波在不同性質(zhì)的巖石中傳播的相關(guān)系數(shù)的參考值。
爆破施工組織設(shè)計(jì)中爆破振動(dòng)頻率50 Hz 左右,綜合設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況可能存在一些差異,根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定,水工水洞的安全振速為8~10 cm/s。鑒于供水隧洞的特殊性,本工程爆破隧洞振速按2.0 cm/s 進(jìn)行控制。
此處采用M idas/G TS NX 有限元軟件進(jìn)行邊坡爆破施工對既有供水隧道安全影響的仿真分析。利用有限元法求解爆破動(dòng)力問題時(shí),原理是把單個(gè)單元的質(zhì)量平均分配在該單元結(jié)點(diǎn)上,形成整體質(zhì)量矩陣,這樣就形成了多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系,然后構(gòu)建多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系的動(dòng)力方程,最后依照多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系動(dòng)力方程的求解方法,求出結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的反應(yīng)(位移、速度、絕對加速度。
首先需對模型進(jìn)行特征值分析,求解整體模型各振型振動(dòng)周期。在得到模型振型周期后,進(jìn)行時(shí)程分析,求解結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的反應(yīng)。
在特征值分析中,利用彈性邊界定義模型的邊界條件,彈簧系數(shù)根據(jù)地基反力系數(shù)計(jì)算,其中:
豎直地基反力系數(shù):
水平地基反力系數(shù):
在時(shí)程分析過程中,采用了Lysm er(1969)提出的黏性邊界條件,且需計(jì)算x,y,z 方向上的阻尼比,具體計(jì)算公式如下[2]:
P 波:
S 波:
式中:λ 為體積彈性系數(shù),kN/m2;為彈性系數(shù),kN/m2;G 為剪切彈性系數(shù),kN/m2;A 為截面積,m2;v 為土體泊松比;γ 和ρ 取值按照供水隧道處的圍巖級別取。
對于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上,此時(shí)的荷載用美國N ational H ighw ay Institute 里提及的公式。每1 kg 的爆破荷載如下。
式中:Pdet為爆破壓力,kPa;PB為孔壁面上的壓力,kPa;de為火藥直徑,m m;Ve為爆破速度,m/s;Sge為比重;dh為孔眼直徑,m m。
上式?jīng)Q定了爆破時(shí)發(fā)生的空氣動(dòng)壓力的大小,作用在孔壁上的動(dòng)壓力隨時(shí)間發(fā)生變化,經(jīng)過對比分析,取常用的Statfield 提出的有關(guān)時(shí)程的動(dòng)壓力[2]:
這里,B 是荷載常量,每1 kg 裝藥量的動(dòng)壓力,即將裝藥量設(shè)為1.0 kg 后按照一種工況來計(jì)算爆破荷載。
設(shè)計(jì)每排爆破孔5~10 個(gè),為了保證最靠近隧洞區(qū)域爆破面積最大,取每排炮孔10 個(gè),即單段最大爆破范圍4 排。爆破炮孔布置見圖3。
圖3 炮孔布置圖
根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)》,炮眼距離:a=1.2 m;排距:b=1.0 m??梢匀味巫畲蟊品秶鸀?2.6 m×4 m。
土石方爆破區(qū)域距離隧洞最近距離約75 m,單段最大爆破范圍為12.6 m×4 m。由此建立三維分析模型見圖4。
圖4 整體計(jì)算模型圖
其中,圖4 為整體計(jì)算模型,模型尺寸為166 m×100 m×90 m(長×寬×高),圖5 為爆破區(qū)域與隧洞相互位置關(guān)系。
圖5 爆破區(qū)域與供水隧洞相互位置關(guān)系圖
根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)》,4 m臺階爆破炮孔直徑42 mm,炸藥直徑32 mm。由羅陽等人《相鄰隧道圍巖爆破振動(dòng)影響規(guī)律研究》文獻(xiàn),乳化炸藥爆壓為0.32 G Pa,炸藥密度為1.3 g/cm3,爆速為0.55 cm/μs。
依據(jù)前面計(jì)算爆破分析方法公式可得,Pdet=805.78 MPa,Pb=356.38 MPa,則每1 kg 乳化炸藥爆破壓力時(shí)程曲線見圖6。
圖6 爆破荷載時(shí)間歷程曲線(炸藥量為1 kg)
本次分析根據(jù)圣維南原理,主要分析爆破荷載對供水隧道的影響,距離離爆點(diǎn)有一定距離,將爆破孔聚集到一處后假定此壓力同時(shí)作用在爆破的假想面上進(jìn)行計(jì)算。
建模時(shí)候巖土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見表1。
表1 巖土計(jì)算參數(shù)表
其中,混凝土用于模擬輸水隧洞結(jié)構(gòu)及擋土墻和樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),金屬用于模擬輸水隧洞錨桿結(jié)構(gòu)。
假定68kg 乳化炸藥爆破所產(chǎn)生的荷載作用斷面上,特征值分析中得到整體計(jì)算模型第一、二振型周期為24.57 s、23.127 s。時(shí)程分析時(shí)長設(shè)定為1 s,時(shí)間間隔設(shè)定為0.001 s,結(jié)果輸出間隔10 步。
在最靠近爆破區(qū)域位置的隧洞頂部、肩部、底部共設(shè)立5 個(gè)觀測點(diǎn),觀測點(diǎn)設(shè)置位置見圖7。
圖7 觀測點(diǎn)位置
各測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果繪制成曲線見圖8 和圖9。
圖8 測點(diǎn)速度-爆破時(shí)間曲線
圖9 測點(diǎn)位移-爆破時(shí)間曲線
根據(jù)速度計(jì)算結(jié)果:各測點(diǎn)速度隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小,最后趨于零的趨勢,測點(diǎn)1 最大速度0.24 cm/s,測點(diǎn)2 最大速度0.22 cm/s,測點(diǎn)3 最大速度0.23 cm/s,測點(diǎn)4 最大速度0.21 cm/s,測點(diǎn)5最大速度0.21 cm/s,各測點(diǎn)速度均小于規(guī)范允許值2 cm/s。
根據(jù)位移計(jì)算結(jié)果:各測點(diǎn)速度隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。測點(diǎn)1 最大位移0.600 mm,測點(diǎn)2 最大位移0.546 mm,測點(diǎn)3 最大位移0.576 mm,測點(diǎn)4 最大位移0.499 mm,測點(diǎn)5 最大位移0.526 mm,各測點(diǎn)位移均較小,爆破對隧洞變形影響較小。
各時(shí)間段爆破振速云圖見圖10 和圖11。
圖10 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻地層振速反應(yīng)圖
圖11 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻地層振速反應(yīng)圖
隧洞不同時(shí)間段振速云圖見圖12 和圖13。
圖12 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻隧洞振速反應(yīng)圖
圖13 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻隧洞振速反應(yīng)圖
隧洞不同時(shí)間段位移云圖見圖14 和圖15。
圖14 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻隧洞位移反應(yīng)圖
圖15 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻隧洞位移反應(yīng)圖
根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果:各測點(diǎn)速度在0.21~0.24 cm/s 范圍內(nèi),小于規(guī)范允許值2 cm/s。各測點(diǎn)位移0.499~0.600 mm 范圍內(nèi),各測點(diǎn)位移均較小,爆破對石山隧洞變形影響較小。
綜上所述,道路土石方爆破對東深供水工程石山隧洞有一定的影響,但影響在石山隧洞安全狀態(tài)允許范圍內(nèi),不會危及石山隧洞的安全和正常使用。計(jì)算得到的最不利工況下爆破荷載引起的隧道安全影響振速可知,爆破施工引起最大振速均小于安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)(2.0 cm/s),說明爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)對隧洞影響在相關(guān)規(guī)范允許范圍之內(nèi)。
通過數(shù)值模擬分析,雖爆破施工期間對供水隧道的安全影響在可控范圍內(nèi),但復(fù)雜巖土工程問題受計(jì)算參數(shù)、模型邊界條件、爆破參數(shù)與實(shí)際爆破存在一定的差異,考慮供水隧道的重要性,為降低爆破施工對隧洞的影響,建議采取如下減少影響的措施:
(1)建議大范圍施工前開展試爆破,并進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù),并驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的合理性;
(2)如果施工期間,在爆破振速較大區(qū)域,可通過設(shè)置2~3 排減震孔或減震溝來降低爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響和破壞;
(3)本次爆破的周圍環(huán)境復(fù)雜,為了既能確保周邊建筑物和構(gòu)筑物的安全,建議對隧洞的監(jiān)測(包括沉降位移、振速),動(dòng)態(tài)監(jiān)測,及時(shí)反饋結(jié)果,利用目前隧洞已經(jīng)布置的健康監(jiān)測系統(tǒng)(地面沉降、隧洞沉降和位移),在爆破施工前確定現(xiàn)有初讀數(shù),并可以為施工參數(shù)的調(diào)整、修正提供重要依據(jù)。
本文結(jié)合具體工程,用三維實(shí)體數(shù)值模型計(jì)算分析了某邊坡爆破施工對既有隧洞的安全影響,分析結(jié)果不僅指導(dǎo)了現(xiàn)場施工,可為爆破振動(dòng)動(dòng)力問題數(shù)值分析提供了借鑒作用。