隧道爆破與車輛移動荷載對既有百米高墩大跨剛構橋振動影響監(jiān)測

何能方 曹曉川 張選龍 侯偉名 王李 雷飛亞 段明明

(1.中交隧道局第四工程有限公司，北京 100102；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；3.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

山嶺隧道在前期選線及后期施工建設過程中將不可避免地會遇到相關地質難題，同時，隧道修建中與既有運營鐵路、公路橋梁近接相交的情況也非常普遍[1-14]。

隧道下穿既有橋梁的施工過程中，會導致周邊一定范圍內隧道圍巖發(fā)生形變和位移，當周邊圍巖的應力及變形傳遞到橋梁時，會打破樁基周圍土體原有的平衡應力狀態(tài)，降低樁基及上部結構的承載能力和自穩(wěn)能力，影響既有橋梁的正常使用，甚至會導致橋梁樁基結構及上部結構產生失穩(wěn)破壞[15]。同時，由于既有橋梁上有移動車輛，移動荷載作用對橋墩的振動影響也不容忽視。成昆鐵路擴能改造工程埡口隧道以小凈距小角度的方式下穿京昆高速公路城門洞大橋百米高墩，14 100 t的上部結構荷載使得隧道面臨極大的偏壓，加之連續(xù)剛構橋對變形的敏感性，使得工程難度和施工風險都大大增加。通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段展開新建隧道爆破和移動車輛荷載作用下的既有百米運營橋梁高墩振動影響研究，研究結果可為橋墩正常運行提供指導。

1 工程概況

埡口隧道下穿京昆高速公路D2K552+215～+400段屬剝蝕高中山地貌，地形起伏較大，溝槽切割較深；上覆第四系全新統(tǒng)人工堆棄碎石土夾塊石及坡殘積粉質黏土，下伏震旦系片巖夾石英巖；下穿段巖性主要為片巖夾石英砂巖。該地層變質作用強烈，受多期構造影響嚴重，巖體節(jié)理發(fā)育，較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差。埡口隧道洞門情況如圖1所示。

圖2為下穿段城門洞大橋橋墩實景，埡口隧道下穿段共穿越京昆高速公路城門洞大橋4個橋墩，分別為左線4號墩、5號墩，右線3號墩、4號墩。4個墩均為單樁基礎，且地面以下為實心結構，橋墩尺寸為645 cm×680 cm。左線4號墩高123.5 m，埋入巖土層中約39 m；左線5號墩高137 m，埋入巖土層中約60 m；右線3號橋墩高123.5 m，埋入巖土層中約65 m；右線4號橋墩高138 m，埋入巖土層中約46 m。左線4號墩、5號墩的跨徑和右線3號墩、4號墩的跨徑均為110 m，橋面寬23 m。

圖1 埡口隧道

圖2 下穿段城門洞大橋橋墩實景

埡口隧道以30°斜交下穿京昆高速城門洞大橋，隧道開挖邊緣距左線4號墩水平凈距約7 m；距左線5號墩水平凈距約24 m；距右線3號墩水平凈距約33 m；距右線4號墩水平凈距約6 m。因此，本次監(jiān)測的橋墩主要為左線4號橋墩和右線4號橋墩。圖3和圖4分別為埡口隧道下穿京昆高速公路特大橋平面和埡口隧道與城門洞大橋位置關系示意。

圖3 埡口隧道下穿京昆高速公路特大橋平面

圖4 埡口隧道與城門洞大橋位置關系

埡口隧道拱頂開挖邊緣距左線4號墩豎向凈距33 m，距左線5號墩豎向凈距約20 m，距右線3號墩豎向凈距約31 m，距右線4號墩豎向凈距約19 m。圖5～圖8為埡口隧道與四個橋墩的相對位置關系。

圖5 埡口隧道與左線4號橋墩立面位置關系(單位：m)

圖6 埡口隧道與左線5號橋墩立面位置關系(單位：m)

圖7 埡口隧道與右線3號橋墩立面位置關系(單位：m)

圖8 埡口隧道與右線4號橋墩立面位置關系(單位：m)

2 監(jiān)測方案與控制標準

由隧道與百米橋墩相對位置可知，與隧道開挖方向最近的橋墩為右線4號墩和左線4號墩，隧道爆破點距左線4號墩最近。因此，選取左線4號墩和右線4號墩作為觀測點，進行了多次觀測，隧道爆破監(jiān)測方案和車輛移動荷載監(jiān)測方案如表1和表2所示。通過對實測波形進行時域分析和頻譜分析，獲得了觀測點的質點峰值主頻率、振動速度、振動持續(xù)時間等用于評判爆破振動的參數(shù)值，可為隧道爆破施工和橋面車輛限速管理等提供依據，從而確定隧道爆破及車輛移動荷載對橋墩的影響。

理論研究表明，采用物體的振動速度來表示振動強度較為科學、合理，這一結論已逐漸被國內外學者所肯定。

表1 隧道爆破監(jiān)測方案

表2 車輛移動荷載監(jiān)測方案

2.1 觀測系統(tǒng)

TP3V-10097型速度傳感器指標見表3。

表3 速度傳感器指標

NUBOX-8016爆破振動記錄儀參數(shù)：精度為0.001 cm/s，頻帶寬為5～200 Hz。

該觀測系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于方便攜帶，適用于在不良環(huán)境中工作，而且可長期保存并實時監(jiān)測所記錄的數(shù)據。

2.2 安全控制標準

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中給出了爆破振動的安全影響標準(如表4所示)。

表4 爆破振動安全允許標準

注：爆破振動監(jiān)測應同時測定質點振動相互垂直的三個分量。

本項目振動速度控制值按最嚴格標準選取，依據《爆破安全規(guī)程》，選取0.1 cm/s作為城門洞大橋橋墩振動速度控制值。

2.3 觀測點的布置

測點布置應根據實際隧道走向和隧道工作面與橋墩的位置關系確定。本次觀測主要目的是確定右線四號橋墩受隧道爆破振動的影響程度，及時記錄并提供監(jiān)測結果，以實測數(shù)據來指導隧道爆破施工以及橋面車輛限速管理等。根據橋與隧的位置關系，布置2個觀測點，分別位于右線4號橋墩與左線4號墩。

右線4號墩和左線4號墩振動監(jiān)測點布置如圖9和圖10所示，傳感器安裝如圖11所示，現(xiàn)場安裝及測量如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場安裝及測量

圖9 右線四號墩測點位置(單位：m)

圖10 左線四號墩測點位置(單位：m)

圖11 傳感器安裝示意(單位：m)

3 觀測數(shù)據及結果分析

3.1 爆破對百米橋墩的振動影響

爆破監(jiān)測應根據隧道爆破時間提前布點，隧道爆破過程中，左線4號線橋墩的振速及合成振速如圖13和圖14所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隧道爆破過程中，百米橋墩出現(xiàn)瞬間峰值，而后逐漸平穩(wěn)。

圖13 隧道爆破過程中左線4號線橋墩振速

3.2 車輛移動荷載對橋墩振動影響

移動荷載的數(shù)據采集主要根據百米高墩上的傳感器。移動荷載作用在百米橋墩上表現(xiàn)為比較連續(xù)的振速傳播，出現(xiàn)了多處峰值，且持續(xù)的時間較長，這與車輛的速度有一定的關系。移動荷載作用下左線4號線橋墩的振速與合成振速如圖15和圖16所示。

圖14 隧道爆破過程中左線四號線橋墩合成振速

圖15 移動荷載作用下左線四號線橋墩的振速

圖16 移動荷載作用下左線四號線橋墩的合成振速

3.3 結果分析

對24次觀測結果進行數(shù)據統(tǒng)計，選取較為典型的12次觀測結果，表5和圖17為隧道爆破對百米橋墩振動的實測結果。從結果可知，隧道爆破對距離較近的左線4號墩振動影響遠比右線4號墩大，其最大振速達0.095 cm/s(出現(xiàn)在上臺階裝藥量較大的時刻)。最小主振頻率出現(xiàn)在右線4號墩，其值為3.052 Hz。

表5 隧道爆破對百米橋墩振動實測結果

注：水平徑向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，傳感器的X方向對準爆心。

圖17 隧道爆破對百米橋墩振動實測結果

表6和圖18為車輛移動荷載對百米橋墩振動的實測結果。從結果可知，不同類型車輛對橋墩的影響不同，且監(jiān)測點距離頂部的距離對監(jiān)測結果也有影響。右線監(jiān)測點高于左線，距離頂部車輛較近，故右線監(jiān)測的振動強度比左線大，由重型移動車輛荷載造成橋墩最大振速可達0.063 cm/s，最小主振頻率為3.454 Hz。

爆破振動和車輛荷載對百米橋墩的影響觀測時間段為2017年4月6日～2017年4月14日，對監(jiān)測的典型波形進行時域分析和頻譜分析，得到質點峰值的振動速度、主頻率和振動持續(xù)時間。綜合以上結果可知，距離較近的左線4號橋墩受爆破影響最大，其振速達到最大值；上部車輛荷載對其影響較小。距離爆心290.76 m處觀測到的右線4號墩最大振速和主振頻率均小于左線4號墩，但車輛荷載對其影響較大，最大振速和最小主振頻率分別達到0.063 cm/s和3.454 Hz。從結果可以看出，實測質點峰值振動速度值均小于振動安全速度(0.1 cm/s)。因此，可以認為此次埡口隧道爆破振動和上部車輛移動荷載不會對右線4號橋墩和左線4號墩造成損壞性影響(如墩面原有裂隙擴張、墩體開裂、延伸及出現(xiàn)新裂縫等)。從主頻率結果可以看出，觀測點的最小主頻率為3.052 Hz，爆破振動頻率大于構筑物的固有頻率(構筑物的固有頻率一般小于3 Hz)。因此，本次隧道爆破振動不會和橋墩發(fā)生共振。

圖18 車輛移動荷載對百米橋墩振動實測結果

監(jiān)測次數(shù)監(jiān)測點移動荷載類型監(jiān)測日期1小型車2017-04-062右線四號墩中型車2017-04-093重型車2017-04-084小型車2017-04-115左線四號墩中型車2017-04-136重型車2017-04-14通道名最大振速/(cm/s)主振頻率/Hz振動持續(xù)時間/sX-0.0123.4540.215Y-0.0103.8570.215Z0.0146.4420.215X-0.0239.6540.324Y-0.02812.0450.324Z0.03018.4560.324X-0.06324.9541.043Y-0.03826.1231.043Z0.05151.4251.043X-0.0013.6540.198Y-0.0034.6210.198Z0.0067.4540.198X-0.00610.6350.421Y-0.00813.5420.421Z0.01520.4870.421X-0.02526.5191.352Y-0.02619.6361.352Z0.04340.5641.352

注：水平徑向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，傳感器的X方向垂直向上。

[1] 段明明.鐵路隧道下穿既有連續(xù)剛構橋施工相互影響及工程應對措施研究[D].成都：西南交通大學，2016

[2] 張洋，王志杰，趙啟超，等.基于最佳減震原則的新建隧道對既有隧道微差間隔研究[J].鐵道標準設計，2017，61(8):90-95

[3] 黃海斌，周平，陳鵬，等.雙線公路隧道下穿鐵路隧道不同施工工法理論研究[J].鐵道標準設計，2016，60(11):104-109

[4] R B Peck. Deep excavations and tunnelling in soft ground[J]. Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. State of the Art Volume， Mexico City, 1969:225-290

[5] Attewell P B，Woodman J P. Predicting the dynamics of ground settlement and its derivatives caused by tunneling in soil[J]. Ground Engineering， 1982，15

[6] 王國棟，王志杰，段明明，等.鐵路隧道下穿連續(xù)剛構橋墩施工影響及防控措施研究[J].鐵道科學與工程學報，2017，14(11):2399-2406

[7] 王志杰，楊寶，季曉峰，等.超大斷面公路隧道斜交下穿高速鐵路施工方案研究[J].路基工程，2017(4):128-131,140

[8] 趙江濤.城市暗挖隧道穿越既有橋梁的安全控制[D].北京：北京交通大學，2015

[9] 周平，王志杰，徐海巖，等.考慮含水率的昔格達地層隧道圍巖穩(wěn)定及亞級分級研究[J].土木工程學報，2017，50(12):97-110

[10] 王志杰，周平，徐海巖，等.昔格達地層隧道圍巖災變特征及致災因子研究[J].鐵道工程學報，2017，34(11):65-74

[11] 王志杰，楊躍.含水率對昔格達地層大斷面隧道初期支護安全性影響研究[J].鐵道標準設計，2017，61(11):100-105

[12] 王志杰，趙啟超，劉若愚，等.深埋雙線鐵路隧道襯砌高水壓分界值研究[J].鐵道標準設計，2017，61(2):78-84

[13] Attewell P B， Glossop N H， Farmer I W. Ground deformations caused by tunneling in soil[J]. Ground Engineering，1978，15(8):32-41

[14] 王志杰，楊寶，季曉峰，等.超大斷面公路隧道斜交下穿高速鐵路施工方案研究[J].路基工程，2017(4):128-131,140

[15] Rankin W J. Ground movements resulting from urban tunnelling: Predictions and effects[J]. Geological Society London Engineering Geology Special Publications， 1988，5(1):79-92