動靜條件下隧道爆破建筑結構放大效應特征分析

胡輝榮， 黃華東， 王先義， 李連超

(1. 中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000； 2. 重慶市市政設計研究院， 重慶 400020；3. 重慶交通大學山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地， 重慶 400074)

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動靜條件下隧道爆破建筑結構放大效應特征分析

胡輝榮1， 黃華東2,3， 王先義3， 李連超3

(1. 中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000； 2. 重慶市市政設計研究院， 重慶 400020；3. 重慶交通大學山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地， 重慶 400074)

為了對不同動靜條件下隧道爆破地震波對高層建筑結構放大效應的影響情況進行探討，基于實測數據建立的時程特征分析方法，建立以動靜條件下隧道爆破-圍巖-建筑結構多場耦合模型，對高層建筑結構放大效應的規(guī)律及結論進行探討與分析。結果表明：在動靜條件下建筑結構的響應特征不相同，放大效應規(guī)律也不一樣； 靜條件下工況相比動條件下放大效應更為明顯，而動條件下的放大效應規(guī)律更偏向于貼合實測情形且表現更為復雜化； 通過對建筑結構在不同動靜條件下的放大倍數進行對比分析，單純從巖性條件上來評價，可推測出較軟圍巖工況的放大效應相比較硬圍巖工況更為強烈。

隧道爆破； 地震波； 建筑結構； 放大效應； 工況； 安全控制

0 引言

近年來，許多學者對建筑結構放大效應展開研究。劉優(yōu)平等[1]通過試驗分析高程放大系數與爆心距及爆心距水平投影關系。楊海書等[2]發(fā)現“T”形結構在爆破振動下，放大效應使得房屋兩端的質點振速峰值放大2倍，且提出隨著樓層的增加振動峰值變大，其增大比例系數為1.1。王仁濤等[3]在青島地鐵的振動監(jiān)測中，通過統(tǒng)計高層樓房爆破振速隨著工作面里程推進的變化情況，發(fā)現在磚混結構中存在頂層振速的放大效應。王輝等[4]通過對重慶軌道交通環(huán)線的振動試驗研究得出，建筑物的爆破振速隨著樓層的增加有先增大再減少再增大的規(guī)律。張遠華[5]在對福建高速公路隧道的試驗監(jiān)測中，確認振速隨著高度的增加有明顯的放大效應，且測點位置越大放大效應越明顯。祝文化等[6]通過對框架結構高程響應情況分析得出，建筑結構的高度對振速和位移均具有明顯的放大作用，且速度放大效應相比位移放大效應要大。爆破振動高程放大效應也逐漸成為爆破方向研究熱點，放大效應相關的規(guī)律及理論也逐漸完善。

大部分學者針對放大效應的研究主要基于監(jiān)測試驗及以靜條件下的數模為主。本文通過建立動靜條件下的數模工況，對不同動靜條件下的各通道振速特征、位移分布規(guī)律和不同爆心距下的放大倍數做了詳細的探討與分析。通過對不同動靜條件下放大效應特征的研究，補充隧道爆破振動對高層結構的動力響應影響規(guī)律。

1 數學模型

采用直接積分的時程特征分析方法計算結構響應整體過程，選用MIDAS/GTS參與迭代計算，其基本方程為

(1)

用特征向量法計算模型特征值，選用振型參與系數最大值計入時程分析，其基本方程為

(2)

振型參與系數

(3)

式中：τm為振型參與系數； m為振型階數； Mi為i節(jié)點位置質量； φim為i節(jié)點位置的第m階振型向量。

2 工況介紹

通過對某隧道及周邊環(huán)境的詳細調查，建筑物采用13/-1樁基礎，擬建隧道側穿鄰近建筑物，最小埋深8.27m。根據實測情形建立數值模型，模型坐標系采用笛卡爾坐標系，X軸垂直隧道軸線，Z軸垂直向上，Y軸沿隧道軸線方向(見圖1)。邊界條件選用黏性邊界。模型以實測數據為基礎，建立不同動靜條件下的數模工況(工況1為參考原始地勘參數建立的靜條件下工況； 工況2為經修正過巖土參數的動條件下工況，源于圍巖在高應變率或爆破沖擊下的應變率效應，其動力學參數在靜力學參數基礎上有所變化。參考王思敬等[8]經驗模型建立動條件下工況，見式4； 工況2為實驗對比參考工況)。

圖1 隧道-圍巖-建筑物模型及相對位置關系(單位：m)

Fig. 1 Relationships among tunnel, surrounding rock and building and model (m)

(4)

式中：Es為靜條件下彈性模量；Ed為動條件下彈性模量。動泊松比近似按照0.8倍靜泊松比計算。

縱波波速

Cp=(E(1-μ)/ρ(1+μ)(1-2μ))1/2。

(5)

式中：Cp為縱波波速；E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度。表1為動靜條件下圍巖力學參數取值。

表1 動靜條件下圍巖力學參數

數模尺寸為94.95 m×162.00 m×47.36 m(對應XYZ笛卡爾坐標系)。網格劃分原則為隧道、樁基和建筑物等重要研究區(qū)域加密，其余部位相對稀疏，總共68 500個單元。針對模型固有特征的計算，靜條件下工況的主要振型周期分別為0.256 5、0.211 6 s，質量參與系數分別為66.30%、4.95%。動條件下工況的特征周期分別為0.490 8、0.112 5 s，質量參與系數分別為1.43%、70.13%。為了重點探討爆破地震波對高層框架結構放大效應的影響，在框架結構的頂層、中間層和底層(地表附近)分別布置主要的計算點位(見圖2)。頂層主要的計算點位有63 450、63 477、63 423、63 235、62 968、62 940、63 002、63 220、63 255和63 217，中間層(第7層)主要計算點位有60 076、60 119、60 101、59 887、59 584、59 664、59 600、59 872、59 907、59 869，底層主要計算點位有41 949、46 624、51 299、51 560、51 164、46 489、41 814、42 210、56 084、55 971。

圖2 高層框架結構模型計算點位布置

Fig. 2 Layout of calculation points of building structure model

3 動靜條件下工況對比與分析

41 814計算點位是鄰近建筑物地表最近的點位，也是爆破工程師監(jiān)測中通常布置的點位之一(爆心距為74 m左右，見圖1)，該點振速能在一定程度上反映建筑物所處位置的安全振速狀態(tài)。靜條件下工況振速計算與實測情形差異不大，能在一定程度上反映實際振速情況。動條件下工況旨在探討應變率效應引起的動力學參數發(fā)生改變時對地震波傳播產生影響而設置的試驗參照組。41 814計算點位與實測鄰近建筑點位振速對比如圖3所示。該計算點位與地表鄰近點位峰值速度監(jiān)測數據對比中，實測情形X/Y/Z通道峰值速度分布于不同動靜條件下工況之間，且較為接近靜條件下工況，這表明高應變率效應影響范圍受限，離爆源較近的地方受爆破高速沖擊影響較大，而離爆心距較遠的地方影響變小或甚微。故認為，基于整個模型全局化的應變率效應還需做更多深入的研討來增大切合實際情形的力度。靜條件下工況情形X/Y/Z通道的峰值速度規(guī)律與實測情形吻合度較高，相對誤差在容許誤差的20%范圍之內，可認為，數值模型、邊界條件及參數的建立是基本合理的。

3.1 位移變化特征

動靜條件下建筑物合位移云圖和各點位最值情況如圖4和表2所示。由圖4和表2發(fā)現：位移最大值主要出現在高層樓板點位，頂層樓板位移有向樓板中心逐漸發(fā)展變大的趨勢(見頂層樓面中心附近深顏色成團區(qū)域)； 位移最小值則通常出現在底層樓板附近或樁基的位置。動靜條件下工況時程規(guī)律如圖5所示。由圖5可知：靜條件下工況結構位移變形比動條件下工況要大，變形的開始時間要晚于動條件下工況情形(動條件下工況最值產生時間普遍有所提前)； 3個分量的位移中，Y向的位移變形最大； 在計算的1 s時間內，還有強烈的震蕩現象，這也表明高層建筑物的振動持續(xù)時間還會更長，容易引起尖端結構的鞭梢效應[9]以及結構的損傷累計效應[10]，得加大重視力度。林鍵等[11]在評價房屋結構的綜合判據中，認為持續(xù)時間也應作為和振幅同等重要的因素考慮在內。

圖3 計算點位41 814與實測鄰近建筑點位振速對比

Fig. 3 Comparison between calculated vibration velocity and measured vibration velocity of Calculation Point 41 814

圖4 動靜條件下工況建筑物最大合位移云圖

Fig. 4 Nephogram of maximum displacements of building under dynamic and static conditions

表2 重點計算點位速度、位移最值情況

(a)靜條件下工況

(b)動條件下工況

Fig. 5 Time-history curves of displacement of top floor of building measured at Calculation Point 63 002

3.2 速度時程特征

由動靜條件下工況最大合速度監(jiān)測結果對比可發(fā)現(見圖6和見表2)：最大值區(qū)域基本分布于頂層樓板，跟位移特征相似，同樣有向中間發(fā)展的趨勢； 隨著樓層的增加，最大合速度有逐漸上升的規(guī)律(靜條件下工況更明顯)。在類似的工況情形下，對建筑結構的監(jiān)測應密切注意高層部位的動力響應情況(不同工況表明高層的中心區(qū)域和邊角區(qū)域均有可能出現最大值)。

圖7為動靜條件下工況Z向振速隨樓層高度的變化曲線。由圖7可知：隨著樓層的增加，速度值普遍增大； 靜條件下工況建筑物背爆測部位(51 560、51 299、51 164計算點位)增大得明顯，迎爆測部位增加得較緩；動條件下工況下建筑物背爆側部位(46 489、56 084、46 624、55 971計算點位)仍然比迎爆測部位數值普遍要大。2工況下不同計算點位Z向速度的豎向最大放大倍數如表3所示。由表3知：靜條件下工況部分點位放大倍數已超過2倍，最值高達2.905 1倍，放大效應較明顯； 動條件下工況放大倍數普遍低于靜條件下工況，最大放大倍數出現在515 60點位豎向位置(位于背爆側)，為1.923 3倍。這也表明在不同動靜強度條件下，鄰近建筑物的響應情況不一，靜條件下工況情形的放大效應要明顯高于動條件下工況，這點單純從巖性上來評價，可推測出較軟圍巖工況發(fā)生的放大效應相比較硬圍巖工況反應要大； 不同的建筑物點位情況反映出背爆測放大效應普遍高于迎爆測，這跟建筑物固有頻率和地震波的傳播、反射、折射等因素有關[12]； 于蕾在對高層結構的安全影響分析中提出低頻容易造成結構共振以及高程放大效應的形成[13]。這也在一定程度上驗證了本文中動靜條件下工況放大效應的產生(該建筑結構爆心距在70 m以上，比較接近于蕾[13]提到的容易產生結構共振和放大效應的爆心距離，頻率隨著爆心距的增大逐漸衰減，當衰減到與建筑物自振頻率能量成分較接近時，放大效應也就表現越明顯)。

(a)靜條件下工況

(b)動條件下工況

Fig. 6 Nephogram of maximum vibration velocity of building under dynamic and static conditions

此外，靜條件下工況部分計算點位還發(fā)現爆破振速的放大效應增長率隨著建筑高度的增加會有所減緩； 而動條件下工況則略有不同，在底層區(qū)爆破振速隨著樓層的增大而增大，在中層區(qū)則表現為隨著樓層的增大變緩甚至減少，而在頂層區(qū)又隨著樓層的增大而增大。動條件下的規(guī)律跟王輝等[4]在重慶軌道交通環(huán)線體育公園站的試驗實測結果既有相似之處又有所不同，這也表明動條件下工況放大效應規(guī)律有更偏向于符合實測情形的趨勢且動力響應過程更為復雜化。當然這也跟建筑物對爆破振動中不同頻率能量成分的選擇性放大作用有關[14]。由于建筑結構的新舊、材料和結構形式的不同，當前規(guī)范還沒能更好地將爆破本身特征跟建筑結構固有特征完全的結合起來。

(a)靜條件下工況 (b)動條件下工況

圖7 動靜條件下工況計算點位Z向振速隨樓層高度變化情況

Fig. 7 Variation of vibration velocity of calculation point alongZ-direction vs. height of buildting under dynamic and static conditions

表3 各計算點位垂向位置Z向速度放大倍數情況

Table 3 Vertical vibration velocity amplification times alongZ-direction of building of every calculation point under dynamic and static conditions

工況41949垂向位置46624垂向位置51299垂向位置51560垂向位置51164垂向位置46489垂向位置41814垂向位置42210垂向位置56084垂向位置55971垂向位置靜條件下工況1.90241.56642.27392.40632.90511.39081.71661.75401.28341.7164動條件下工況1.29861.41961.54621.92331.80591.35801.36061.47931.46311.5739

圖8(a)(b)為建筑物底層鄰近地表計算點位41 814的振速時程情況，靜條件下工況該點的最大正振速為Z向速度，其值為1.079 6 cm/s，其次是Y向，最大為-1.127 8 cm/s； 動條件下工況情形最大正振速是Y向，為0.372 4 cm/s，最大負振速依然是Y向，為-0.444 8 cm/s，而Z向的最大值遠小于Y向振速。因此，在工程爆破監(jiān)測中，切忌只采用Z通道作為爆破安全判據振速，應選用各通道振速較大者作為安全速度判據值。圖8(c)(d)為建筑物頂層計算點位63 002的振速時程情況，該計算點位不同動靜條件下Y向的振速均占主導地位，Z向的次之，表明Y/Z向的變形趨勢較大，Z向受到建筑結構豎向約束的作用而影響較小，而Y向振速持續(xù)的波動可能會造成高層結構的“鞭梢效應”及累計疲勞損傷(在計算的時間內，不同動靜條件下波形震蕩仍較為劇烈)。

地表及建筑物部分計算點位的Z向振速如圖9所示。由圖9可知：靜條件下工況迎爆側鄰近建筑物地表計算點位(41 814計算點位)其Z向速度值為1.070 6 cm/s； 動條件下工況迎爆側鄰近建筑物地表計算點位(41 814計算點位)其Z向速度值為0.184 8 cm/s； 基本上是建筑物7層以下較有代表性的最大Z向速度值，且均未超過GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定[15]。動條件下工況，建筑物底部、中部、頂部的大部分計算點位數據有普遍小于地表計算點位的現象(見圖9(b))，僅有少部分點位值超過地表監(jiān)測數據(靜條件下工況也有部分測位有所體現，見圖9(a))，僅從這點看來，當前GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》采用監(jiān)測鄰近建筑物地表的振動數據作為安全判據數據，是具有一定依據及可行性的，但對于某些靜條件下工況情形，建筑物高層部位的振速有可能已超過國家規(guī)定的振速標準(靜條件下工況情形頂層樓板計算點位最大Z向速度為2.238 9 cm/s)，應結合具體的頻譜特征以及持時效應再作考慮。

(a)靜條件下41 814點位振速時程曲線 (b)動條件下41 814點位振速時程曲線

(c)靜條件下63 002點位振速時程曲線

(d)動條件下63 002點位振速時程曲線

圖8 不同動靜條件下計算點位的振速時程曲線

Fig. 8 Time-history curves of vibration velocity of building of every calculation point under dynamic and static conditions

(a)靜條件下工況 (b)動條件下工況

4 結論與討論

1)靜條件下工況放大效應最大放大倍數為2.905 1倍，動條件下放大倍數最大為1.923 3倍。在不同動靜強度作用下，靜條件下工況放大效應要明顯高于動條件下工況；單純從巖性條件上來講，可推測出較軟圍巖工況的放大效應比較硬圍巖工況反應更為劇烈。

2)建筑結構高層點位的Y向振速和Y向位移時程持續(xù)震蕩時間較長，可能會造成高層結構的“鞭梢效應”及累計疲勞損傷； 較遠爆心距的爆破振動容易引起高層結構的低頻共振，促進放大效應的形成，應加大重視力度； 特別是針對修建時間較久、結構穩(wěn)定性較差的高層結構，在安全評估中應將持續(xù)時間、頻率作為與振幅同等重要的因素考慮其影響權重。

3)靜條件下工況的振速較動條件下工況更為接近實測數據，而動條件下建筑結構的放大效應規(guī)律有更偏向于符合實測情形的趨勢且動力響應過程更為復雜化。

4)基于模型全局化的應變率效應參數的調整，暫未考慮影響范圍的限制，故建筑結構在動條件下的動力響應規(guī)律還需做更多深入的探討和研究。

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Study of Characteristics of Vibration Velocity Amplifying Effect of Building Structures Induced by Tunnel Blasting under Dynamic and Static Conditions

HU Huirong1, HUANG Huadong2, 3, WANG Xianyi3, LI Lianchao3

(1.NorthwestResearchInstituteCo.,Ltd.ofCREC,Lanzhou730000,Gansu,China;2.ChongqingMunicipalAdministrationDesignandResearchInstitute,Chongqing400020,China;3.StateKeyLaboratoryCultivationBaseforBridgeandTunnelEngineeringinMountainAreas,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

A three-dimensional multifield coupling model of tunnel blasting-surrounding rock-building structure under dynamic and static conditions is established based on data measured; and characteristics of vibration velocity amplifying effect of building structures induced by tunnel blasting is discussed and analyzed. The analytical results show that: 1) The response characteristics and vibration velocity amplifying effect of building structures under dynamic condition are different from those under static condition. 2) The vibration velocity amplifying effect of building structures under static condition is more obvious than that under dynamic condition; and the vibration velocity amplifying effect of building structures under dynamic condition is complicated and coincides with data measured. 3) The vibration velocity amplifying effect of building structures induced by tunnel blasting in soft ground is more obvious than that in hard ground.

tunnel blasting; seismic wave; building structure; amplifying effect; conditions; safety control

2016-01-20;

2016-04-21

重慶鐵路樞紐復雜環(huán)境巖石路塹與淺埋隧道安全控爆技術(2013Y080)

胡輝榮(1981—)，男，四川南充人，2007年畢業(yè)于重慶交通大學，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事公路隧道設計、施工、監(jiān)控量測方面的研究工作。E-mail：568793962@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.007

U 45

A

1672-741X(2016)07-0812-07