路塹爆破開挖對既有鐵路路基振動影響研究

陳永偉

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300450)

隨著我國公路建設(shè)不斷發(fā)展,新建公路與運營線路近接的情況日趨普遍,而路塹爆破施工會對既有運營公路和鐵路會產(chǎn)生較大影響。因此,研究路塹爆破施工對既有鐵路的影響很有必要[1-4]。

目前,許多學(xué)者研究爆破振動對既有結(jié)構(gòu)物的影響,苗博宇等采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式研究路塹爆破后既有結(jié)構(gòu)物的最大質(zhì)點振動速度[5-6];朱永學(xué)等利用有限元分析爆破振動的傳播規(guī)律[7-10];徐海等應(yīng)用非連續(xù)變形分析法(DDA)研究垮塌區(qū)隱患資源在爆破動荷載作用下的變形響應(yīng)[11]。

在路塹或基坑近接既有建筑物爆破施工的研究中,張?zhí)煊罨诠收蠘浞ǚ治雎穳q爆破影響既有建筑物的因素,并提出相應(yīng)爆破施工對策[12];劉明杰等提出減少裝藥量、采用電子數(shù)碼雷管等方法可減小對周邊居民區(qū)的影響[13];葉明班等基于背景工程結(jié)合巖質(zhì)邊坡下部臺階爆破開挖進行現(xiàn)場振動監(jiān)測,建立巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)數(shù)值計算模型,系統(tǒng)分析了邊坡巖體質(zhì)點峰值振速、應(yīng)力場及位移場的變化和分布規(guī)律[14]。然而,針對路基開挖爆破對近鄰既有路基的振動影響研究十分有限。

依托延安-延川高速公路(簡稱“延延高速”)連接線路基擴塹工程,利用數(shù)值模擬計算分析爆破對近接既有線路基的振動影響,并結(jié)合經(jīng)驗公式對爆破振動峰值速度進行計算,以期對爆破振動的影響進行研究。

1 工程概況

基于延延高速連接線設(shè)計速度為60km/h,雙向六車道,路基寬32.0m,設(shè)計汽車荷載等級為公路Ⅰ級。

延延高速連接線工程落位于延安市市區(qū)東北部,地貌上屬黃河南岸高階地區(qū),總體地勢南高北低,中間高兩側(cè)低,地形起伏較大,部分地段地形陡峭。延延高速連接線K13+813.000～K14+481.427段為路塹,其底部花崗巖需采用控制爆破施工,該處與包西鐵路營業(yè)線最小間距為8m。

炮眼爆破方向應(yīng)沿公路走向,設(shè)計開挖梯段高度(臺階高度)H不超過2m,其炮眼排距b<1/2H,炮眼間距a為1.1b。為便于清方,取H=1.5m,b=0.6m,a=0.7m,炮眼深L=1.1H。

路塹與既有線近接關(guān)系見圖1。圖1中,監(jiān)測點1～3分別位于坡腳外3m、6m、9m。

圖1 路塹與既有線近接關(guān)系(單位:m)

2 數(shù)值計算與分析

根據(jù)巖土工程特性,利用三維數(shù)值模擬計算分析路塹爆破開挖對路基振動影響。

2.1 計算模型和參數(shù)

路塹工程近接既有鐵路路基的三維數(shù)值模型中,地層巖土均采用彈塑性實體單元模擬,服從摩爾庫倫準(zhǔn)則。

根據(jù)地勘報告,地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計算模型范圍為:橫向取143m,模型底部取擬建路基下方90m,頂面取地表。四周為自由場邊界,用于吸收振動能量。模型中,采用六面體單元,計算模型共5039個節(jié)點、9198個單元。路塹工程三維數(shù)值模型見圖2。

圖2 計算模型

模型采用實體單元,巖土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。采用Flac3D進行動力計算時,采用局部阻尼,阻尼參數(shù)取0.16。

2.2 爆破參數(shù)計算

將爆炸荷載以等效應(yīng)力的方式作用于邊界,荷載時程為

Pb為爆破最大值,有

f(t)為指數(shù)型時間滯后函數(shù),有

式中,n、m為爆炸脈沖起始位置和脈沖波形參數(shù);P0為使f(tg)成為最大的系數(shù)(當(dāng)t=tg時);v為炮孔速度函數(shù),有

式中,cp為振動波縱波波速;a為炮孔直徑。

tg為峰值時間,有

P0的表達式為

調(diào)整m、n,使得升壓時間為10ms,降壓時間為90ms。爆破計算參數(shù)如表2所示,爆破荷載時程曲線如圖3所示。

表2 爆破計算參數(shù)

圖3 爆炸脈沖荷載作用時程曲線

將圖3爆炸脈沖荷載進行傅里葉變化如圖4所示,得到荷載主要集中在0～0.4Hz之間。建模時,單元尺寸需滿足

其中,l為單元最大尺寸;λ為脈沖波長;f為脈沖波頻率。計算得到l=359m,本模型最大尺寸為2.1m,滿足要求。

2.3 計算結(jié)果

監(jiān)測既有線鐵路路基的振動響應(yīng)時程曲線如圖4、圖5所示。其中,坡腳外6m為鐵路線路中心線。由圖4、圖5可知,路基振動速度先快速增大,再逐漸衰減。其中,既有鐵路線路基振動響應(yīng)最大時刻為60ms,路基中心位置的振速為1mm/s。

圖4 路基的振動響應(yīng)時程曲線

圖5 路基振動最大速度俯視示意(60ms)

3 經(jīng)驗公式驗算

根據(jù)GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》[15],最大爆破振動速度計算公式為

式中,K為反映爆破夾制作用的系數(shù);α為反應(yīng)圍巖衰減作用的系數(shù),結(jié)合爆破區(qū)工程地質(zhì)條件進行選取;Q為掏槽單段裝藥量;R為藥包中心距離被保護物的水平距離。

計算參數(shù)與根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到,爆破振動速度如表3所示。由表3可知,隨著距離的增大,PPV也逐漸增大。但經(jīng)驗公式計算得到質(zhì)點峰值速度略大于數(shù)值模擬所得結(jié)果。其不一致的原因可能為:①經(jīng)驗公式中,K與α的取值會對計算結(jié)果有較大影響,而目前計算并沒有通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取;②在水平距離為23m時,兩種方法計算得到質(zhì)點峰值速度較為接近,但另兩種距離的質(zhì)點峰值速度有較大差別,可能是由于巖土體衰減阻尼的取值與經(jīng)驗公式不匹配造成的差異。因此,采用規(guī)范經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬共同計算質(zhì)點峰值速度更加精準(zhǔn)。

表3 爆破振動速度

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》,路基安全質(zhì)點振動速度應(yīng)小于10cm/s。數(shù)值計算得到質(zhì)點振動速度最大為1mm/s,根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到質(zhì)點峰值振動速度為2.8mm/s,均小于規(guī)程要求的10cm/s,故既有鐵路路基安全。

4 結(jié)論

依托延延高速公路連接線路基擴塹工程,利用數(shù)值模擬計算分析爆破對近接既有線路基的振動影響,并結(jié)合經(jīng)驗計算對爆破振動影響進行研究,得到以下結(jié)論。

利用三維動力數(shù)值計算,得到路塹開挖爆破施工對既有鐵路路基的質(zhì)點振動速度最大為1mm/s;根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中經(jīng)驗公式計算,得到路塹開挖爆破施工對既有鐵路路基的質(zhì)點振動速度為2.8mm/s;兩種方法計算結(jié)果均小于規(guī)程要求的10cm/s,故判斷既有鐵路路基安全。所采用數(shù)值計算與經(jīng)驗公式相結(jié)合的方法可為類似工程爆破施工提供借鑒。