陳 沛,吳劍鋒,蒙云琪,張兆龍,李小貝,何 理
(1.中鐵四院集團工程建設(shè)有限責(zé)任公司,武漢 430063;2.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室,武漢 430065)
在《交通強國建設(shè)綱要》的引領(lǐng)下,我國城市軌道交通迅猛發(fā)展,地下交通隧道的建設(shè)處于繁忙時期。城市地鐵隧道穿越地下復(fù)雜巖層的工程項目屢見不鮮[1-2],堅硬巖層及破碎軟弱巖層對地鐵隧道掘進(jìn)帶來不利影響,但制約地鐵隧道施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素往往為隧道爆破掘進(jìn)引發(fā)周圍環(huán)境構(gòu)筑物的不利振動[3-4],譬如地下人防洞室結(jié)構(gòu)、地下淺表城市管線、地表林立的城市建筑等。為有效減弱地鐵隧道爆破對鄰近建筑物的影響,大多可采用數(shù)碼電子雷管精確延時控制隧道掌子面的單段藥量[5],如此能夠有效控制爆破振動效應(yīng)。數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用在交通隧道爆破掘進(jìn)的振動影響研究中[6-7],研究表明,有限元數(shù)值模擬能夠較為貼近的表明隧道掘進(jìn)爆破對周圍建筑物的影響趨勢與重點危險區(qū)域。對于地鐵隧道爆破對鄰近結(jié)構(gòu)的影響研究,吳昊[8]以工程實際經(jīng)驗為例,介紹了2 m內(nèi)凈距的地鐵隧道的爆破掘進(jìn)方案,并以加固支護為主,輔以數(shù)值模擬手段取得了較好工程效果。薛憲彬[9]研究了地鐵隧道爆破振動影響下多層砌體結(jié)構(gòu)振動信號的變化規(guī)律,汪平等[10]研究了淺埋隧道爆破振動傳播的規(guī)律和監(jiān)測技術(shù)。陳桂龍等[11]以工程實際與數(shù)值模擬結(jié)合,研討了不同影響因素下,地鐵隧道爆破振動對地表建筑群的影響規(guī)律,諸如此類的研究較多。然而地鐵隧道小凈距下穿地下人防結(jié)構(gòu)的爆破振動響應(yīng)研究不夠全面。
針對上述問題,基于武漢市地鐵5號線彭劉楊站~司門口站區(qū)間隧道下穿武漢市人防工程爆破施工項目,最近距離僅4.2 m,首先利用ANSYS-Lsdyna動力有限元軟件建立高精度毫秒延時掏槽起爆模型,探究距離人防工程小凈距下地鐵隧道掏槽孔起爆的最佳延時時間。通過在鄰近人防洞室布設(shè)爆破振動監(jiān)測點進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,并精確控制起爆網(wǎng)路的起爆時序和最大單段藥量進(jìn)行施工現(xiàn)場試驗。而將數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗證有限元方法的有效性。最后總結(jié)得出堅硬巖石鄰近地下人防洞室小凈距爆破開挖的最佳爆破參數(shù)與數(shù)碼雷管網(wǎng)路延時時間設(shè)置參數(shù)。
武漢地鐵5號線彭劉楊站~司門口站區(qū)間左右線隧道分別開挖,區(qū)間左、右線間距為15~19 m(凈距7.8~11.8 m),雙線隧道設(shè)計軌面高程右線10.96~10.31 m,左線10.99~10.31 m,隧道開挖直徑7.1 m。
開挖隧道區(qū)間在蛇山景區(qū)處下穿既有防空洞和繁忙的京廣鐵路。區(qū)間隧道頂部與此處防空洞間距約為4.2 m,距離京廣鐵路26.3 m,與黃鶴樓主樓底層地坪垂直高差約42.1 m,水平距離約74.65 m;與圣像寶塔地坪垂直高差約35.25 m,水平距離約33.22 m。爆破施工時,控制爆破振動,減少對既有人防工程和黃鶴樓景區(qū)運營的影響為爆破振動控制的重點。地鐵暗挖隧道與周圍建筑結(jié)構(gòu)相對位置及與人防結(jié)構(gòu)高程相對位置如圖1、圖2所示。
注:1-圣像寶塔;2-人防洞室;3-黃鶴樓;4-左線隧道;5-右線隧道。圖1 地鐵隧道與周圍建筑結(jié)構(gòu)相對位置Fig.1 Relative position between the metro and surrounding building structures
圖2 地鐵隧道與人防結(jié)構(gòu)高程相對位置Fig.2 Relative position of elevation between the metro tunnel and civil air defense structures
地鐵5號線彭劉楊站~司門口站區(qū)間下穿蛇山人防及京廣鐵路段全部位于強風(fēng)化石英砂巖及中風(fēng)化石英砂巖層中,隧道圍巖分級為II、III級,圍巖強度較高。下穿人防工程區(qū)段隧道采用上下臺階法爆破開挖,盡量拉開同時爆破的工作面距離,減小爆破振動的疊加,上下臺階距離5~10 m間隔開挖。左、右線隧道典型爆破斷面為直徑7.1 m。上臺階采用楔形掏槽方式,嚴(yán)格按設(shè)計開挖輪廓線布置周邊孔及輔助孔,爆破采用2#巖石乳化炸藥,起爆網(wǎng)路采用電子數(shù)碼雷管組網(wǎng);下臺階采用水平結(jié)合垂直鉆孔方式來控制爆破振動,以減小爆破振動疊加的可能。上下臺階炮孔布置如圖3所示。
注:序號1~13為起爆順序。圖3 上下臺階炮孔Fig.3 Blast hole of upper and lower bench
在按照設(shè)計爆破方案實施爆破作業(yè)時,對鄰近人防工程洞室設(shè)置移動爆破振動監(jiān)測點,爆破振動監(jiān)測點跟隨每次隧道掌子面移動而移動,同一位置設(shè)置2臺儀器,避免偶然故障發(fā)生。監(jiān)測點放置位置選取在人防洞室靠近地鐵隧道一側(cè)堅硬地面處,隧道掘進(jìn)過程人防洞室監(jiān)測點布置如圖4所示。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中規(guī)定交通隧道,采用保護對象所在地質(zhì)點峰值振動速度,其振動最大允許值為10~20 cm/s。項目實施過程中因人防工程與新建隧道凈距僅為4.2 m,且人防工程結(jié)構(gòu)堅固,抗沖擊能力較強,截面小,故選取安全振動控制值為20 cm/s,經(jīng)過爆破參數(shù)優(yōu)化及選用適宜的數(shù)碼電子雷管網(wǎng)路延時時間,隧道爆破振動對人防洞室振動影響大大降低。
圖4 人防洞室監(jiān)測點布置Fig.4 Layout of monitoring points in civil air defense cavern
爆破施工過程中,研究振動監(jiān)測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn),引起人防洞室結(jié)構(gòu)振動的主要振源是由掏槽孔爆破所致,因此研究如何減弱掏槽孔炸藥爆炸引起的振動是降低地鐵5號線隧道爆破振動危害的關(guān)鍵。
對于爆破應(yīng)力波對中、遠(yuǎn)區(qū)的振動破壞效應(yīng),利用薩道夫斯基公式計算所得出的振動速度分布與實測振動數(shù)據(jù)分布存在一定誤差[12],因此許多學(xué)者對爆破引起的質(zhì)點峰值振動速度衰減公式做了進(jìn)一步改進(jìn)[13]。
對于柱狀裝藥,在C-J爆轟條件下,炸藥爆炸的平均爆轟壓力表示為
(1)
式中:pe為炸藥平均爆轟壓力;ρe為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為炸藥的等熵指數(shù)。
假設(shè)爆生氣體為多方氣體,則其狀態(tài)方程為
(2)
式中:p為某一狀態(tài)下的爆生氣體壓力;ρa為某一狀態(tài)下爆生氣體的密度;A為常數(shù);ν0為爆生氣體的等熵指數(shù)。
當(dāng)p≥pk時,取ν0=γ=3.0;當(dāng)p 對于耦合裝藥條件,有p0=pe;對于不耦合裝藥條件,如果裝藥時的不耦合系數(shù)b/a值較小(a為裝藥直徑),則爆生氣體的膨脹只經(jīng)過p>pk一個狀態(tài),則此時由式(2)得到炮孔初始平均壓力p0為 (3) 如果裝藥的不耦合系數(shù)值較大,此時爆生氣體的膨脹需經(jīng)歷p≥pk及p (4) 把式(3)或者式(4)代入炮孔壁上質(zhì)點峰值振動速度公式:u0=p0/ρcp中去,則可得到不耦合裝藥條件下炮孔壁上的質(zhì)點峰值振動速度u0。 在多孔同時起爆的條件下,質(zhì)點峰值振動速度公式可反應(yīng)諸如炸藥種類、炸藥特性、鉆孔孔徑、裝藥結(jié)構(gòu)及巖石性能參數(shù)等因素對質(zhì)點峰值振動速度的影響,其修正公式為 (5) 式中:k′為多孔同時起爆條件下的修正系數(shù),主要與同時起爆的炮孔個數(shù)、振速測算點與同時起爆炮孔連線的相對位置等參數(shù)有關(guān)。 基于動力有限元ANSYS-Lsdyna平臺進(jìn)行數(shù)值模擬分析,對于人防洞室和隧道周圍巖石均采用HJC材料模型,該材料模型能夠比較好的模擬巖石及混凝土材料在高應(yīng)變率下的大變形相關(guān)問題,對于巖石在高速碰撞下的力學(xué)行為相關(guān)問題上表現(xiàn)較好[14]。該材料模型通常適用于Lagrange算法及Euler算法中。HJC僅有材料模型,無狀態(tài)方程,主要包括狀態(tài)方程、屈服面方程以及演化方程3個方程[15]。HJC材料模型的方程形式以及各項材料參數(shù)含義在此不多贅敘(見表1)。 表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters 模型中爆破荷載的加載方式以炮孔壁面施加沖擊荷載的方式實現(xiàn),將炮孔內(nèi)部炸藥爆炸的壓力時程曲線簡化為三角形荷載。為研究掏槽孔延時爆破的振動效應(yīng),根據(jù)設(shè)計方案,選取掏槽孔施加爆破沖擊荷載的順序如圖5所示,圖中數(shù)字1~5代表掏槽孔荷載施加順序。 圖5 掏槽孔施加荷載順序Fig.5 Loading sequence of cut hole 炸藥在巖體中爆破是一個非常復(fù)雜的力學(xué)過程,由于炸藥在炮孔內(nèi)部爆炸的機制難以被現(xiàn)在的有限元數(shù)值方法模擬,尤其是炮孔內(nèi)部炸藥爆轟、爆轟波及爆生氣體將巖石粉碎進(jìn)而發(fā)展到激發(fā)彈性地震波這一復(fù)雜的過程,因此需要一種等效模擬辦法。地鐵隧道毫秒延時掏槽有限元模型是采用等效彈性邊界的模擬方法[16-17],炮孔周圍的巖體根據(jù)破壞程度可分為 3類:粉碎區(qū)、破碎區(qū)、彈性振動區(qū),將整個非彈性區(qū)作為爆源,在掏槽孔群孔起爆時的等效邊界即為各孔各自所形成的破碎區(qū)的包絡(luò)線。則在模擬時,將隨時間變化的壓強荷載施加在掏槽孔非彈性區(qū)形成的包絡(luò)線的面上(見圖6)。 圖6 隧道毫秒延時掏槽有限元模型Fig.6 Finite element model of millisecond delay cutting in metro tunnel 根據(jù)人防洞室與新建地鐵隧道的相對位置關(guān)系建立精細(xì)化數(shù)值模型,掏槽孔等效邊界范圍近似取r=10r0(r0為實際炮孔半徑),計算區(qū)域為30 m×28 m×3.6 m,為防止模型邊界反射應(yīng)力波,巖體外包面均采用非反射邊界條件設(shè)置。等效邊界爆破荷載施加在掏槽孔等效彈性邊界面上,沖擊荷載壓力峰值為56 MPa,載荷上升時間為0.7 ms,持續(xù)時間為8.0 ms。根據(jù)圖5中掏槽孔延時起爆的順序,設(shè)置各個掏槽孔群的等效彈性邊界,利用*DEFINE_ELEMENT_DEATH_SOLID_SET關(guān)鍵字實現(xiàn)等效彈性邊界內(nèi)單元。計算模型單元總數(shù)為203 970個,具體三維有限元模型如圖6所示。 為初步驗證所建立的有限元數(shù)值模型對人防洞室結(jié)構(gòu)振動規(guī)律的有效性,將現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)工況的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,所參照的掏槽孔的延時時間設(shè)置為:圖5中所示掏槽序號,1所示主掏槽與2所示一級掏槽間隔時間t1=150 ms,2所示一級掏槽孔與3所示一級掏槽間隔時間t2=10 ms,3所示一級掏槽與4所示二級掏槽間隔時間t1=150 ms,4所示二級掏槽與5所示二級掏槽間隔時間t2=10 ms。選取人防洞室靠近新建隧道一側(cè)洞室底角的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬x方向上振動速度時程曲線(見圖7)可知,兩者數(shù)據(jù)曲線分布規(guī)律接近,峰值大小接近,表明所建立的有限元數(shù)值模型能夠較真實地反映地鐵5號線隧道掘進(jìn)掏槽爆破對人防結(jié)構(gòu)影響的振動特性。 圖7 人防洞室振動時程Fig.7 Vibration time history of civil air defense cavern 為了探尋對人防洞室振動影響最小情況下的最佳掏槽延時時間,設(shè)置了11種模擬工況(見表2),得到數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生的峰值振速分布情況如圖8所示。由結(jié)果分析可知,隨著不同掏槽起爆延時時間以及同一級掏槽起爆延時時間的增加,掏槽孔對人防洞室所造成的振動是呈減小趨勢,且隨著延時時間的增加,人防結(jié)構(gòu)振動速度逐漸趨于平穩(wěn),變化不大。考慮到爆炸沖擊波在近處傳播,延時時間較長時,爆炸沖擊波基本不疊加,相當(dāng)于單個沖擊波對人防洞室作用,再增加延時時間意義不大。由圖8中可知,在地鐵5號線工程背景下的不同級別掏槽起爆適宜延時時間為10 ms,同一級別掏槽起爆適宜延時時間為6 ms。 表2 不同延時時間下的人防結(jié)構(gòu)振動值Table 2 Vibration value of civil air defense structure under different delay time 圖8 數(shù)值模擬峰值振速分布情況Fig.8 Distribution of peak velocity by numerical simulation 在地鐵5號線的爆破掘進(jìn)項目中,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的各級掏槽最佳延時時間的結(jié)果開展爆破施工,實際裝藥參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場斷面情況不同而進(jìn)行調(diào)整,得到地鐵5號線隧道爆破對鄰近人防洞室振動監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表3所示結(jié)果可知,在地鐵5號線工程地質(zhì)條件下,數(shù)碼電子雷管組網(wǎng)參數(shù)采取上文所述最佳延時時間的前提下,合理的最大單段起爆藥量為0.6 kg。在采取該單段藥量,人防結(jié)構(gòu)振動速度最低為12.76 cm/s,在施工過程中保障了相鄰人防洞室的安全。 表3 人防振速監(jiān)測Table 3 Monitoring of civil air defense vibration velocity 1)采用等效彈性邊界載荷加載的有限元數(shù)值模擬方法,模擬復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道掏槽爆破振動是合理的,能夠較好地模擬爆破振動對小凈距下的人防洞室的振動規(guī)律。 2)通過數(shù)值模擬方法和工程實踐結(jié)果可以得出,在武漢地鐵5號線工程背景下,對掏槽孔而言,隧道不同級別掏槽起爆適宜延時時間為10 ms,同一級別掏槽起爆適宜延時時間為6 ms。 3)經(jīng)5號線工程實踐總結(jié),在隧道圍巖分級為II、III級情況下,采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路,在地鐵隧道與鄰近人防洞室僅相距4.2 m的小凈距隧道爆破適宜最大單段掏槽藥量為0.6 kg,可為類似小凈距隧道爆破提供借鑒和參考。3 數(shù)值模型的建立
3.1 材料模型及載荷輸入
3.2 隧道毫秒延時掏槽有限元模型
4 結(jié)果對比分析
5 結(jié)論