汽車行駛震動對淺埋暗挖施工的影響

劉 飛，賀 鋒，吳楊勇，3，李歡秋，高永紅

(1.軍事科學院國防工程研究院，洛陽 471023；2.軍事科學院國防工程研究院，北京 100850；3.安徽理工大學能源與安全學院，淮南 232001)

淺埋暗挖法常用于丘陵地區隧道建設或埋深比較大的城市地鐵建設中[1]。人防工程商業街或地下連通道往往位于城市繁華地帶道路或廣場下，距離地表一般比較淺，采用明挖法施工雖然經濟，但會影響道路通行和周邊商業門面的正常經營，為了克服這一難題，采用淺埋暗挖法施工無疑是一種最佳的方案。由于人防工程地下結構頂板覆土層厚度薄，道路上汽車行駛引起的震動將對淺埋暗挖施工如頂板土方開挖、混凝土澆筑等造成較大的影響。

現有的對于車輛行駛震動的研究主要集中在行車荷載對路面和路基的影響。如陳頁開等[2]考慮地基土的彈塑性，研究了柔性路面對行車荷載的動力響應；Liu等[3]通過改變不同的道路面層參數，模擬得出路面頻率和應變的變化規律；韓文揚等[4]研究了不同車輛荷載對瀝青路面動力響應規律。孫春光[5]利用空心扭剪儀研究了交通荷載對砂土路基力學性能的影響；崔兵等[6]基于低路堤軟黏土地基模型，測試并獲得了交通荷載對低路堤軟黏土地基動力特性的影響；周撿平等[7]基于室內固結不排水動三軸試驗研究了飽和軟黏土地基在地鐵列車荷載下的動態響應規律和長期累積變形；王新志等[8]通過監測某珊瑚礁場地道路路基在車輛動荷載作用下的土壓力，得出了鈣質砂路基在車輛荷載作用下的動態響應規律；孟上九等[9]通過進行路基在車輛荷載作用下動態加載-卸載試驗，研究了路基動態變形響應規律；馬林等[10]通過試驗研究了車輛荷載對重塑黃土路基的動力特性響應。

對于車輛行駛震動影響結構震動響應的研究也僅僅聚焦于結構對結構內車輛行駛震動的動態響應。如邵珠山等[11]利用 ANSYS軟件模擬了行車荷載對隧道洞口初期支護的震動響應；賈穎絢等[12]通過荷載數定法和解析公式法,計算地鐵結構對地鐵列車的震動響應；劉憲慶等[13]基于混凝土損傷塑性模型研究了地下車庫對移動車輛荷載的響應規律。地下工程結構對地表車輛行駛震動的動態響應鮮有研究。

現利用ANSYS數值軟件進行瞬態分析，定性地分析行車震動在路面下水平方向和豎直方向的傳播規律；并且對洛陽市紗廠南路淺埋暗挖工程的加速度震動參數進行測試，獲取道路下鋼筋混凝土結構水平和豎直方向的加速度，研究汽車行駛引起的震動對地下淺埋暗挖施工的影響規律。

1 背景介紹

該淺埋暗挖工程位于洛陽市中州中路與紗廠路交叉路口,是在城市道路下建設的地下人防工程，淺埋暗挖主體結構部分覆土厚度為2.8 m，結構軸線跨度為7.5 m，周圍商業繁華，車輛頻繁。頻繁的車輛往來引起的動荷載給工程施工帶來了許多不利影響，是需重點監測的工程項目，監測測點工程背景如圖1所示。通過對施工區域道路正常通行情況下地下結構及周圍土體的加速度測定，研究有/無汽車通行條件下鋼筋混凝土結構的震動情況，以及震動對施工土體穩定性的影響。

圖1 工程路面環境圖

2 行車震動在土中傳播的數值模擬

2.1 模型簡介

根據實際工程將計算模型進行適當簡化，從而來定性分析行車震動在人防工程中水平方向和豎直方向的傳播規律。計算模型寬度(x方向)為20 m，高度(y方向)為8 m，軸向(z方向)長度為60 m，土層共分為3層，工程斷面圖如圖2所示。人防工程支護結構為鋼筋混凝土，覆土厚度為3 m，高度為4 m，寬度為8 m，底板、頂板和墻體厚度均為0.5 m，計算模型如圖3所示，模型參數如表1所示。

表1 模型參數

圖2 工程斷面圖

圖3 數值計算模型

2.2 汽車荷載

選用某型小汽車為研究對象，車重P0為15.2 kN，車長L為4.5 m，輪距為1.5 m，軸距為2.5 m，車速v為60 km/h。將汽車荷載簡化為集中荷載，汽車荷載采用穩態正弦波振動來進行模擬，綜合考慮車重和車速，汽車荷載計算表達式[14]為

P=P0+Pd

(1)

式(1)中：P0為汽車靜載；Pd為汽車動載。

Pd=M0αω2sin(ωt)

(2)

式(2)中：M0為小客車車輛簧下質量，取值為120 N·s2/m；α為矢高，取值為2 mm；ω=2πυ/L。

將數值代入得出汽車荷載表達式為

P=15 200+129.9sin(23.27t)

(3)

汽車單只輪胎的荷載表達式為

P′=3 800+32.47sin(23.27t)

(4)

在人防通道跨中位置施加汽車荷載，汽車荷載為沿著軸向節點移動并且其值呈正弦變化的集中荷載，并均勻分布在4個輪胎處，數值計算加載示意圖如圖4所示，循環5次模擬5輛車依次通過該人防工程。

圖4 數值計算加載示意圖

2.3 模擬結果與分析

在水平方向上沿著頂板底部設置14個測點，在豎直方向上沿著墻體設置5個測點，測點布置如圖5所示。

圖5 數值模擬測點分布示意圖

水平方向和豎直方向測點的數值計算結果分別如表2和表3所示，典型位移、速度和加速度時程曲線(測點8)如圖6所示。

表2 水平方向上測點的結果

表3 豎直方向上測點的結果

由圖6可以看出，在頂板跨中處測點的位移、速度和加速度均最大，由跨中向兩側墻體方向的測點位移、速度和加速度均逐漸減小，并且對于距跨中相同距離處的測點，位移、速度和加速度相等。

圖6 典型位移、速度和加速度時程曲線

水平方向上不同測點的位移、速度和加速度對比如圖7所示。

圖7 水平方向上測點位移、速度和加速度的比較

豎直方向上不同測點的位移、速度和加速度對比如圖8所示。由圖8可以看出，在豎直方向上，隨著測點由上至下，測點位移、速度和加速度均越來越小，并且呈線性分布。

圖8 豎直方向上測點位移、速度和加速度的比較

3 現場測試方案

3.1 試驗方案

由于震動結構各點的響應有很大的差別，因此選擇適當的安裝位置非常重要。一般情況下傳感器需避免安裝在震動的節點或節線上，應安裝在結構響應信號較大的位置，以提高信噪比，提高測試的精度；對于測試結構總體模態特征為目的的試驗中，傳感器應該盡可能避免安裝在局部模態貢獻大的位置，傳感器的選擇要充分考慮傳感器附加質量對安裝結構局部的影響，如果安裝局部較輕、較薄，則應該選用體積小、質量輕的傳感器，或采用非接觸式傳感器進行測量。

(1)選擇具有代表性的斷面來布置測點，在已施工的鋼筋混凝土柱上沿豎直方向選3個觀測點，在已施工的鋼筋混凝土頂板上沿水平方向選6個觀測點，以研究分析道路汽車運行引起的震動在結構中豎向和橫向的傳播規律。鋼筋混凝土結構頂板上的測點沿著人行道向道路中心方向布置，鋼筋混凝土柱上的測點從上至下布置。鋼筋混凝土結構頂板及柱上測點分布示意圖如圖9所示，傳感器測點實際布置圖如圖10所示。鋼筋混凝土表面上的各個觀測點上預先用A/B膠粘貼一個鐵塊，以便于監測時固定加速度傳感器。

圖9 試驗測點分布示意圖

圖10 傳感器實際布置圖

(2)測試時機應準確反映道路交通情況，宜在每天10:00—13:00進行測量，采集數據。測量周期兩周，并將每次觀測的信息準確的記錄。

(3)通過監測數據，分析地面交通對超淺埋暗挖工程的施工影響。

3.2 測試儀器

監測使用6221動態數據采集儀。監測系統由加速度傳感器、6221動態數據采集儀和計算機組成，現場監測數據采集設備如圖11所示。各個觀測點上預先用A/B膠粘貼一個鐵塊，用于固定加速度傳感器。傳感器選用寬頻帶的加速度型傳感器，加速度型傳感器靈敏度應大于100 mV/g。放大系統的增益應大于60 dB，長期變化量應小于1%。折合輸入端的噪聲水平應低于3 μV。頻帶寬度應為10～1 000 Hz，濾波頻率可調整。數據采集時需要4名人員進行數據采集和現場工作，采集的內容包括穩態時數據采集和荷載影響時數據采集。

圖11 現場監測數據采集設備圖

4 監測結果與分析

4.1 監測結果

監測結果如表4所示，典型實測加速度時程曲線(測點6)如圖12所示。

表4 震動監測結果

圖12 典型實測加速度時程曲線

4.2 監測結果分析

從表4和圖12可知，南北方向有汽車通過時，頂板上的加速度一般在±100～±200 mm/s2，震動周期在3～6 s，距離道路中心近處加速度比遠處的稍大，南北方向沒有汽車通行時，但由于受到東西方向汽車通行的影響，結構頂板上也有震動響應，有車通過時的加速度值是無車通過時的1.48～5.33倍，平均為2.92倍。

在水平方向上，分析水平布置測點的監測數據可知，道路中心近處的加速度值為112～172 mm/s2，道路中心遠處的加速度值為50～96 mm/s2。從道路中心到人行道方向上測點的加速度值雖沒有嚴格遵循越來越小的規律，但道路中心近處加速度值明顯大于道路中心遠處的加速度值，符合數值模擬得出的加速度在水平方向上的規律。

在豎直方向上，由上至下布置在鋼筋混凝土柱上測點的加速度值整體上遵循越來越小的規律，但由于測點數較少，沒有體現出數值模擬得出的線性減小規律。

土方開挖表明，在這樣的震動條件下進行土方開挖，頂部有掉砂土現象，但是如果是晚上挖土，則頂部砂土掉落比白天大為減少，說明汽車通行引起的震動對淺埋暗挖土方開挖影響是比較明顯的。當震動加速度小于±100 mm/s2時，則汽車通行對挖土影響較小。因此土方挖掘施工應盡量避開汽車高峰時段，安排在晚上車流量較少的時段進行洞室開挖，開挖后及時進行初支和噴射混凝土封閉，防止白天汽車高峰時段汽車震動對成型洞室的破壞。

5 結論

通過數值模擬定性分析行車震動在人防工程水平和豎直方向的傳播規律，并對路面有車和無車行駛時的震動進行監測，分析震動監測數據和開挖過程情況，可得出如下結論。

(1)在水平方向上，道路中心近處的加速度值為112～172 mm/s2，道路中心遠處的加速度值為50～96 mm/s2。從道路中心至人行道方向，加速度值雖然沒有嚴格遵循逐漸增大的規律，但道路中心近處的加速度值明顯大于道路中心遠處的加速度值，與數值模擬的結果一致。

(2)在豎直方向上，由上至下布置在鋼筋混凝土柱上測點的加速度值整體上遵循數值模擬得出的越來越小的規律，但由于測點數較少，沒有體現出數值模擬得出的線性減小規律。

(3)路面汽車行駛對道路下淺埋暗挖土方開挖的不利影響比較明顯。有車通過時的加速度值是無車通過時的1.48～5.33倍，平均為2.92倍。因此土方挖掘施工應盡量避開汽車高峰時段，安排在晚上等車流量較少的時段進行洞室開挖，并采取交通控制。開挖后及時進行初支和噴射混凝土封閉，防止汽車高峰時段汽車震動對成型的洞室破壞。

(4)當震動加速度小于±100 mm/s2時，則汽車通行對挖土影響較小，但加速度超過±100 mm/s2時，則影響比較明顯。因此在進行土方開挖時，可以采取信息化施工，加強施工時對震動的監測，在震動超過±100 mm/s2時，通過調整施工來控制震動。