新建隧道爆破施工對既有軌道交通區(qū)間隧道的動力影響分析

李青松 田志龍 王長壽 許 珂 謝佳桓

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

隨著城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，新建隧道下（旁）穿既有運(yùn)營軌道交通車站或區(qū)間隧道的情況時有發(fā)生。新隧道在施工時，尤其是在爆破施工過程中，會對圍巖造成一定的擾動，使圍巖發(fā)生變形，繼而對周邊既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重的話會引發(fā)安全、質(zhì)量問題。故在隧道施工之前，有必要通過數(shù)值模擬等相關(guān)手段，建立計(jì)算模型對爆破產(chǎn)生的振動進(jìn)行模擬分析。近年來，國內(nèi)外學(xué)者先后在爆破理論、模擬分析等方面進(jìn)行了相應(yīng)研究，但大多都僅限于對質(zhì)點(diǎn)的位移、振速及頻率等方面的研究[1-4]，而對巖土體應(yīng)力分布情況及其規(guī)律的研究較少。因此，本文以重慶軌道交通9號線一期工程觀音橋站施工通道為例，對爆破振動速度及巖土體應(yīng)力進(jìn)行綜合分析，以便為后期爆破設(shè)計(jì)及施工提供的依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

重慶軌道交通9號線一期工程觀音橋站位于觀音橋步行街南側(cè)建新南路下方，沿建新東路呈東北向布置，為暗挖換乘站。擬建觀音橋站施工通道全長345.39 m，其中SK0+000—SK0+050為明槽段，全長50.00 m；SK0+050—SK0+345.39為暗挖段，全長295.39 m（圖1）。

擬建施工通道旁穿中信大廈、浩博天庭商務(wù)大廈等高、低層建筑，其中入駐了設(shè)置有眼科手術(shù)室的醫(yī)院，施工過程中極易對其造成不良影響。

圖1 觀音橋站施工通道平面位置

同時，施工通道旁穿運(yùn)營的軌道交通3號線觀音橋站—華新街站區(qū)間隧道，兩者間最小水平距離僅8.936 m，施工通道與軌道交通3號線區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 施工通道與3號線區(qū)間隧道位置關(guān)系剖面

2 施工方案

為保證全線整體通車目標(biāo)，施工通道開挖支護(hù)需選擇安全且適宜的方案進(jìn)行快速施工。同時根據(jù)CJJT 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求，潛孔爆破距離應(yīng)大于15 m。經(jīng)項(xiàng)目部分析討論后，初步確定采用分段分部采取機(jī)械鑿巖、光面控制分次爆破相結(jié)合的開挖方式。各段開挖方案如下：

1）SK0+50—SK0+85段，屬淺埋隧道，距軌道交通3號線隧道水平距離24.50～50.00 m，采用上、下臺階法進(jìn)行機(jī)械開挖。

2）SK0+85—SK0+205段，距軌道交通3號線隧道水平距離9.45～24.50 m，采用全斷面機(jī)械開挖。

3）SK0+205—SK0+345.39段，屬于深埋隧道，圍巖情況較好，距軌道交通3號線隧道凈距離15.80～29.10 m，采取拱頂機(jī)械開挖、其余部分光面控制分次爆破施工的開挖方式。

3 模擬分析

3.1 計(jì)算背景

應(yīng)用動力有限元程序可研究巖土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特性。它從力學(xué)計(jì)算、規(guī)范驗(yàn)算與設(shè)計(jì)的角度，對施工過程中爆破所產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的位移、振速及頻率等方面進(jìn)行模擬、預(yù)測，為后期爆破設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)[5-7]。本文旨在運(yùn)用三維動態(tài)有限元程序Ansys/LS-DYNA對隧道爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中分析炸藥爆炸對巖體及結(jié)構(gòu)的影響，以深入了解巖石爆破震動的破壞過程。

3.2 荷載模型

本次計(jì)算作出以下假設(shè)：

1）根據(jù)爆破振動理論，假設(shè)爆破荷載均布、垂直作用在隧道掌子面及洞壁上，爆破荷載曲線可簡化成三角形（圖3）。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算取加載時間為10 ms，卸載時間為90 ms。同時，為充分了解爆破應(yīng)力波在圍巖中的傳播規(guī)律，本次計(jì)算時長取為1 000 ms。

圖3 爆破荷載歷程

2）經(jīng)前人對既有眾多爆破荷載峰值公式統(tǒng)計(jì)分析得出Pmax經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：z——比例距離，可由式（2）計(jì)算得出。

式中：R——炮眼至荷載作用面的距離；

Q——炮眼裝藥量。

3.3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.3.1 模型幾何參數(shù)選取

本次模擬采用三維計(jì)算模型。隧道縱向?yàn)閤軸，y軸鉛垂向上，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閦軸，爆破進(jìn)尺取1.0 m。將計(jì)算模型的4個側(cè)面和底部均設(shè)為無反射邊界約束，各邊界位移滿足ux=0、uy=0、uz=0，地表設(shè)為自由邊界。

本次分析是研究9號線觀音橋站施工通道爆破施工對軌道交通3號線區(qū)間隧道的影響，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)和驗(yàn)算結(jié)果，為了控制爆破震動滿足安全要求，故本次計(jì)算模擬選取距離軌道交通3號線區(qū)間隧道最近位置即是最不利位置進(jìn)行分析。在施工通道里程為SK0+205處，該位置距離軌道交通3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外邊線最小水平距離為15 m，最小豎向距離為5.05 m，最小直線距離18 m。

本次爆破施工最大段裝藥量均為1.2 kg，如圖4所示。建立計(jì)算模型如圖5所示。

3.3.2 材料參數(shù)選取

圖4 隧道爆破施工步序

圖5 爆破模型單元劃分

計(jì)算斷面中涉及到的材料有填土、砂質(zhì)泥巖、砂巖3種圍巖的巖石材料。巖土體及建筑物均采用實(shí)體單元Solid164來模擬，模型采用材料的靜力指標(biāo)。由于軌道交通3號線施工已造成圍巖擾動，軌道交通3號線地勘參數(shù)參考性不強(qiáng)，同時考慮到擬建施工通道機(jī)械開挖及爆破施工對圍巖的不利影響，本次評估采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)是在最新軌道交通9號線觀音橋站及施工通道地勘參數(shù)基礎(chǔ)上對其乘以折減系數(shù)0.6得到的，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 評估采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)

3.3.3 荷載組合選取

在模擬計(jì)算時，根據(jù)觀音橋站施工通道圍巖情況及進(jìn)尺要求，將計(jì)算持續(xù)時間定為1.0 s。同時根據(jù)相關(guān)規(guī)定，施工過程中，爆破傳到軌道結(jié)構(gòu)物的振速需控制在1.5 cm/s以下，傳至房屋建筑的振速需控制在2.0 cm/s以下。

綜上所述，計(jì)算組合情況為：循環(huán)進(jìn)尺1 m，爆心距建筑物最小凈距18 m，最大裝藥量1.2 kg，荷載峰值204.95 kPa。

需要說明的是，實(shí)際施工過程中，爆破是分段進(jìn)行的，不可能出現(xiàn)單孔單響的情況，同時為了解結(jié)構(gòu)在時差選擇上的動力響應(yīng)，因此在本次數(shù)值模擬中采用三段爆破的方式，爆破的時差綜合考慮為50 ms。

3.4 觀察點(diǎn)

一般說來，爆破震動荷載下的構(gòu)筑物的動力響應(yīng)包括質(zhì)點(diǎn)的位移、振速、加速度、應(yīng)力、頻率等多方面因素。本報告所進(jìn)行的數(shù)值模擬，重點(diǎn)放在了對既有建筑物的節(jié)點(diǎn)的振動速度以及巖土體應(yīng)力分布的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)上。

為了合理地研究觀音橋站施工通道爆破開挖引起的軌道交通3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及房屋建筑振動速度的響應(yīng)規(guī)律，按照圖6進(jìn)行爆破振速觀察點(diǎn)的布置。

圖6 爆破觀察點(diǎn)布置

3.5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.5.1 觀察點(diǎn)振速峰值模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，各觀察點(diǎn)的峰值振速如表2所示。

表2 觀察點(diǎn)振動速度

通過對表3中數(shù)據(jù)的分析可以得出：施工通道爆破開挖時引起軌道交通3號線區(qū)間隧道的峰值振動速度的最大值為y方向的1.38 cm/s，所有振動速度均控制在1.5 cm/s以下，處于安全限速以內(nèi)。

爆破振速隨爆源距離的增大基本呈現(xiàn)減小的現(xiàn)象，這就是峰值振速隨爆源距的衰減效應(yīng)。在軌道交通3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上振速較大的位置出現(xiàn)在距離振源最近的迎爆側(cè)及隧道拱頂。所以建議施工通道爆破施工時，加強(qiáng)對區(qū)間隧道迎爆側(cè)及拱頂位置的監(jiān)測。

3.5.2 應(yīng)力變化模擬結(jié)果

觀音橋站施工通道爆破開挖應(yīng)力變化的模擬結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可以得出，施工通道爆破產(chǎn)生的應(yīng)力較小。

同時，由于施工通道爆破開挖時，已開挖完成部分形成空洞，空洞表面可以看作是自由面，而自由面均存在反射波的影響，這就形成了空洞效應(yīng)。受空洞效應(yīng)的影響，軌道交通3號線區(qū)間隧道峰值振速會得到放大。空洞效應(yīng)的放大效果受空洞埋深影響，如果空洞埋深越小，峰值振動速度放大效果越明顯，反之則越弱。

圖7 等效應(yīng)力云圖

4 爆破振速監(jiān)測

為測定爆破作業(yè)對周邊敏感建（構(gòu)）筑物、巖土體的振動影響程度，同時為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供依據(jù)。在施工通道爆破的施工過程中，考慮到既有區(qū)間隧道已經(jīng)投運(yùn)監(jiān)測不便的情況，項(xiàng)目部選取了觀察點(diǎn)3附近的中信大廈進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè)，隨后對隧道爆破開挖全過程的爆破振速監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示[8]。

表3 爆破振速結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，在施工通道爆破段施工期間，中信大廈監(jiān)測點(diǎn)爆破振速均控制在1.5 cm/s以下，說明爆破方案可行、爆破參數(shù)合理。

5 結(jié)語

1）通過數(shù)值分析施工通道爆破施工引起的軌道交通3號線區(qū)間隧道振速最大值為1.38 cm/s，均控制在1.5 cm/s以下，可見施工通道爆破施工對軌道交通3號線區(qū)間隧道的影響較小，風(fēng)險可控。

2）在軌道交通3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上振速較大的位置出現(xiàn)在距離振源最近的迎爆側(cè)及隧道拱頂。建議施工通道爆破施工時，加強(qiáng)對區(qū)間隧道迎爆側(cè)及拱頂位置的監(jiān)測。

3）通過對等效應(yīng)力云圖分析，得出施工通道爆破產(chǎn)生的應(yīng)力較小。

4）由于施工通道爆破開挖時，已開挖完成部分形成空洞，空洞表面可以看作是自由面，而自由面均存在反射波的影響，這就形成了空洞效應(yīng)。受空洞效應(yīng)的影響，軌道交通3號線區(qū)間隧道峰值振速會得到放大。放大效果受空洞埋深影響，如果空洞埋深越小，峰值振動速度放大效果越明顯，反之則越弱。

5）在施工過程中，項(xiàng)目部選取了觀察點(diǎn)3附近的中信大廈進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè)，振速監(jiān)測結(jié)果顯示：在施工通道爆破段施工期間，中信大廈監(jiān)測點(diǎn)爆破振速均控制在1.5 cm/s以下，說明爆破方案可行、爆破參數(shù)合理。