隧道爆破施工對鄰近橋梁安全的影響

孟靈鑫 陳德云

( 溫州信達交通工程試驗檢測有限公司,浙江溫州 325000)

采用鉆爆法施工的隧道對周圍環境擾動較大,巨大的空氣沖擊波易對周圍環境造成破壞[12]。 很多學者對爆破振動進行了研究:H.Dowdin[3]通過建立地面結構的單自由度模型,研究了地震和爆炸振動對建筑物的影響。 R.P.Dhaka[4]認為高頻振動作用下加速度大,響應小;在低頻振動作用下,加速度小,但是響應很大。 劉軍[5]等通過實測數據建立了爆破振動影響函數關系式。 以往研究方法多為基于現場實測數據建立某種關系,進而進行理論預測[67]。 以下通過數值模擬,利用FLAC3D 有限差分軟件中的動力分析,研究金錢龍隧道施工爆破對鄰近高速公路下白巖橋的影響。

1 工程概況

金錢龍隧道進口位于浙江省永嘉縣黃田鎮上白巖村,出口位于甌北鎮安豐村,采用上、下行分離的隧道形式。 金錢龍隧道與現狀S10 溫州繞城高速公路下白巖橋水平凈距為147 m,隧道進口路面與下白巖橋面高差為5.67 m。 相對位置關系如圖1 所示。

圖1 金錢龍隧道與下白巖橋位置關系

2 隧道爆破理論分析

2.1 淺孔爆破參數設計

根據設計資料,金錢龍隧道進口為Ⅴ級圍巖,主要為強-中風化晶玻屑熔結凝灰巖。

(1)進口斷面參數

斷面中心高9.83 m;斷面寬度為12.46 m;

(2)炮孔直徑(D)

選用直徑為40 mm 的鉆頭,則取孔徑D=40 mm。

(3)鉆孔深度(L)

根據經驗公式,有

式中 L——鉆孔深度/m;

H——臺階高度/m;

α——鉆孔傾角/(°);

h——超深/m(超深公式h=(0.1 ～0.15)H,實際情況取h=0.1 ～0.5 m)。

依據設備能力、作業條件、邊坡坡度要求,選擇合適的鉆孔角度。 已知臺階高度為1.0 ～4.5 m,則取L=1.1 ～5.0 m。 施工時,應根據實際情況適當調整炮孔深度參數,以確保孔底位于設計的臺階平面上。

(4)底盤抵抗線(W底)根據經驗公式,有

在堅硬難爆的巖體中,或臺階高度H 較高時,計算時應取較大的系數。

施工時一般取W底=0.8 ～1.5 m。

(5)標準單位炸藥消耗量(q)

根據本工程區內巖石的性質、構造等因素,q 取0.4 kg/m3。 在實際操作過程中,應根據巖石性質的改變及時進行必要的調整。

應根據開挖臺階高度、抵抗線、巖石堅硬程度的不同,計算合理的裝藥量。 當單位炸藥消耗量(q)為0.4 kg/m3時,可參考表1 進行參數選取。

表1 淺孔爆破參數(D=40 mm)

2.2 爆破振動對高速橋的理論影響分析

隧道洞口所穿越地層為Ⅴ級圍巖,根據《爆破安全操作規程》[13],取K=150,α=1.5。 最大單響藥量為13.5 kg,按Q = 20 kg 計算,爆破區距繞城高速約147 m,有v=0.5 cm/s,小于允許振速v=8 cm/s。

從理論上分析,隧道爆破對于高速公路橋梁無安全性影響。

3 爆破施工對既有建筑動力響應的數值仿真分析

3.1 模型的建立

根據金錢龍隧道進口周圍建筑物(主要考慮繞城高速下白巖橋橋面及橋樁)的相對位置關系(如圖2)及隧洞與周圍建筑物的實際尺寸,運用FLAC3D 建立幾何模型。 模型尺寸為400 m×700 m×137 m,共 計718 604個單元。

圖2 金錢龍隧道入口幾何模型

本次數值計算中,假設巖體為均一、連續的彈性介質,采用摩爾-庫倫準則對本構模型進行簡化,動力計算邊界條件采用粘滯邊界條件,模型的前后、左右、底部邊界均施加粘滯邊界條件,上邊界采用自由約束條件。 巖石主要力學參數見表2。

表2 巖石主要力學參數

3.2 爆破振動監測點的布置

橋面監測點分左右線布置,間隔25 m,左線布置監測點14 個,右線布置監測點5 個。 橋樁監測點布置于中間橋樁,對橋樁中部、底端兩個位置進行監測,監測點編號與橋面編號方向相同。 左線監測點共計2×14=28 個,右線監測點共計2×5=10 個(如圖3)。

圖3 繞城高速下白巖橋橋樁

3.3 爆破荷載模擬

(1)爆破峰值荷載時間

爆破荷載以動力加載的方式進行模擬。 常用的加載方式有兩種:①按照炸藥爆轟理論計算炮孔壓力,直接將爆炸荷載作用于炮孔壁上;②利用經驗公式計算動荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 考慮到隧道掘進爆破的質量要求,爆破一般不會造成開挖區邊界的圍巖破裂(圍巖屬于彈性變形)。 因此,在隧道爆破振動效應模擬中,多采用經驗公式計算動荷載,按照三角形脈沖波施加于開挖邊界。 從形式上來看,三角形脈沖波動荷載是爆炸沖擊簡化荷載的一種延伸,常用的三角形脈沖波爆破動荷載峰值較小,一般假定加載時間為8 ～12 ms,卸載時間為40 ～120 ms,即卸載時間為加載時間的3 ～15 倍。

(2)爆破峰值荷載

在隧洞爆破施工過程中,第一段位炸藥爆破僅基于一個臨空面的條件,能量損失較小,而后續爆破時臨空面較多,能量損失較大,故一般情況下,第一段位炸藥爆破作用在圍巖上的能量最大,產生的地震波效應也最大。 以下主要模擬掏槽孔爆破對既有隧洞的影響。

根據Hsin yu low,Hong hao[14]對現有眾多爆破荷載峰值公式的統計分析,爆破荷載的應力峰值Pmax(開挖邊界)可采用經驗公式求解,有

式中 Z——比例距離;

R*——爆心至荷載作用面的距離;

Q——炸藥量。

根據經驗公式,對開挖邊界爆破荷載峰值進行估算[15]。 Ⅴ級圍巖隧道進口段采用預留核心土法施工:進尺1.2 m 左右,單段最大藥量為13.5 kg,R*采用等效面積法,取4.51 m,得Z=1.894, 荷載峰值Pmax=625 580.9 Pa。 爆破時程如圖4 所示。

圖4 爆破時程

(3)爆破阻尼

本次計算采用瑞利阻尼,根據經驗,巖土體的阻尼比參數取0.5%,振動主頻取100 Hz。

3.4 數值計算結果分析

數值計算中時間步長取0.001 s;共計算1 000步,計算時長為1 s。

(1)橋面數值仿真計算結果

隧道進口處爆破對繞城高速下白巖橋橋面影響云圖如圖5 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋面監測點振動速度如圖6 所示。

圖5 對繞城高速下白巖橋橋面的影響云圖

圖6 左線橋面監測點振動速度時程曲線

繞城高速下白巖橋右線橋面監測點振動速度如圖7 所示。

(2)橋樁數值仿真計算結果

通過FLAC 數值模擬計算,隧道進口處爆破對繞城高速下白巖橋橋樁的影響如圖8 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁中部監測點振動如圖9 所示。

繞城高速下白巖橋左線橋樁下部監測點振動速度如圖10 所示。

圖7 右線橋面監測點振動速度時程曲線

圖8 對橋樁的影響云圖

繞城高速下白巖橋右線橋樁中部監測點振動速度如圖11 所示。

繞城高速下白巖橋右線橋樁下部監測點振動速度如圖12 所示。

根據數值模擬結果可知:

(1)爆破對繞城高速下白巖橋橋面產生的振速最大值為1.3 cm/s(左線)、 1.6 cm/s(右線),均處于安全設計振速(2.5 cm/s)以下。

(2)因承臺的固定作用,爆破對繞城高速下白巖橋橋樁中部和下部影響相對較小,爆破產生的振速不超過0.6 cm/s,遠小于安全設計振速(2.5 cm/s)。

4 數值計算結果與現場實測數據對比分析

選取了下白巖橋右線橋面3 個測點及3 個中下部橋樁測點進行現場監測,以爆破振動速度的峰值來描述振動強度。 現場爆破振動峰值速度監測數據與數值

圖9 左線橋樁中部監測點振動速度時程曲線

圖10 左線橋樁下部監測點振動速度時程曲線

圖11 右線橋樁中部監測點振動速度時程曲線

圖12 右線橋樁下部監測點振動速度時程曲線

計算結果對比如表2。

表2 數值計算結果與實測數據對比分析

由表2 可知,數值計算結果與現場實測結果基本吻合。

5 結論

對下白巖橋橋面及橋樁的振動情況進行了數值模擬分析及現場實測,模擬結果與現場實測數據基本吻合。 從現場實測數據看,爆破振動速度均小于安全設計振速,爆破振動對下白巖橋安全影響不大,可通過控制炸藥量及優化爆破參數保證其安全。