爆破振動作用下鄰近埋地混凝土管道動力響應特性

張 震， 周傳波， 路世偉， 蔣 楠， 吳 超

(中國地質大學(武漢) 工程學院， 武漢 430074)

爆破振動作用下鄰近埋地混凝土管道動力響應特性

(中國地質大學(武漢) 工程學院， 武漢 430074)

為保證埋地混凝土管道在爆破施工過程的安全性，采用現場監測和動力有限元數值模擬相結合的研究方法，對超淺埋地鐵站通道爆破開挖鄰近埋地混凝土管道的動力響應進行研究. 通過建立管道拉應力峰值和振動速度峰值的函數關系，由最大拉應力強度理論得到管道的爆破控制振速. 由管道不同斷面最大振速與對應位置管道正上方地表振速之間關系，提出保證管道安全的地表爆破控制振速. 結果表明：空管狀態下，掌子面后方，管道斷面底部和中部振速較為接近，頂部振速最小；掌子面前方，管道斷面質點振速呈現出底部最大、中部次之、頂部最小的振動特征；沿著管道軸線方向，質點振速最大的位置出現在掌子面前方3 m管道斷面底部位置. 管道在空管和滿水兩種狀態下質點振動特征基本一致，管道中水的存在能降低管道質點振速，最大降低幅度為7.3%. 管道的爆破控制振速為10.84 cm/s，保證管道安全的地表爆破控制振速為4.53 cm/s. 確定的爆破控制振速可以指導現場爆破施工.

爆破開挖；地下通道；埋地混凝土管道；動力響應；安全控制

城市地下管道錯綜復雜，地下工程爆破施工難免會穿越管網區域，當鄰近埋地管道進行工程爆破時，爆破振動可能會影響管道的安全[1-3]，因此研究爆破振動荷載下埋地管道的動力響應、確定管道的振動速度安全閾值以及確定地表振動控制速度對指導現場爆破施工有著重要的意義. 爆破振動對鄰近埋地管道的影響，國內外已經展開了一定的研究. Kouretzis G P等[4]提出了地表點源爆炸下埋地管道的應變解析計算方法；張紫劍等[5]通過現場監測試驗對埋地管道的爆破振動和管道應變分別進行了監測，并對不同主頻下的振速用薩道夫斯基公式進行擬合；劉建民等[6]利用LS-DYNA對炸藥地面爆炸或侵入土中淺層爆炸兩種情形下埋地管道的動力響應問題作了三維模擬,對比分析了不同因素對埋地管道損傷的不同作用；都的箭等[7]對TNT藥柱土中爆炸地沖擊作用下引起埋地管道上的動應力進行了測試分析并用LS-DYNA對埋地管道爆炸地沖擊作用影響進行了數值模擬分析. 目前學者多是對不同工程背景條件下埋地管道在爆破荷載下的動力響應進行研究，針對埋地混凝土管道的安全振動速度閾值以及為確保混凝土管道安全的地表振動控制速度研究較少.

本文結合武漢市軌道交通二號線寶通寺站Ⅳ號出口過街通道工程實際，采用現場監測和爆破動力有限元數值模擬相結合的研究方法，研究了超淺埋通道爆破開挖下鄰近埋地混凝土污水管道的動力響應，對管道處于空管狀態和滿水狀態兩種工況進行分析并對比；從統計角度確立單元的拉應力峰值與振動速度峰值兩者的函數關系，依據最大拉應力強度理論確定管道的爆破振動速度安全判據；通過統計不同管道斷面最大振動速度與對應位置正上方地表振動速度的關系，結合管道的爆破振動速度安全判據，提出了該工程地表振動的控制速度.

1 工程概況

寶通寺車站Ⅳ號出口過街通道為超淺埋，暗挖段埋深4.0 m，總長57.77 m，其中標準段長53.17 m，標準段凈空高6.14 m，寬6.46 m. 通道斜穿管道埋設區域，其中控制性管線為800混凝土污水管，管線與通道軸線方向夾角約為40°，管道埋深2.35 m，管道底部距通道初支頂距離僅為0.69 m，通道暗挖段與管線位置關系如圖1所示.

圖1 通道與管線位置關系平面圖(1#、2#、3#振動監測點)

Fig.1 Position relationship between underpass and pipeline (1#,2#,3#field monitoring point)

過街通道暗挖段采取CD法分為兩個導洞開挖，每個導洞分上下臺階分步開挖. 通道上臺階為粉質粘土層，厚度約2.0～2.5 m，采取人工挖除，與下臺階錯開2.0～3.0 m的超短臺階. 下臺階為粉砂質泥巖，厚度約3.5～4.0 m，采取爆破方式開挖，爆破開挖循環進尺為1.0 m. 在隧道爆破開挖時，掏槽孔爆破造成的地震效應通常最為強烈[8]，根據爆破設計方案，右導洞掏槽孔裝藥量明顯大于左導洞，按最不利安全條件考慮，對右導洞爆破開挖作用下埋地管道的動力響應進行研究. 通道掏槽孔布置如圖2所示. 炮孔直徑為40 mm，采用耦合裝藥，單孔裝藥量0.3 kg，起爆方式為孔底起爆，采用多孔齊爆網路.

(a)開挖斷面

(b)掏槽孔布置平面

1—人工挖空區(粉質粘土層)；2—掏槽孔；3—襯砌；4—地表；Ⅰ—左導洞；Ⅱ—右導洞；①②③④—開挖順序

圖2通道掏槽爆破示意圖(mm)

Fig.2 Schematic diagram of underpass cut blasting (mm)

2 數值模型及驗證

2.1 模型尺寸及邊界條件

采用動力有限元程序ANSYS/LS-DYNA對通道掘進的掏槽孔爆破進行模擬以研究埋地管道的動力響應. 實際爆破施工時，管道內水量很少，可看成空管狀態. 為了研究污水對管道振動的影響，對滿水狀態污水管道同樣建模分析. 由于相鄰管節接口做法較為復雜，數值模擬時為了簡化建模和計算，將管道作為一個整體，未考慮接口的具體做法. 圖3給出了空管狀態下通道掏槽爆破時的模型，模型整體尺寸為24 m×18 m×18 m，地表土層厚度為6 m，埋地管道的上覆土體厚度為2.35 m. 模型中材料均采用Soild164單元劃分為Lagrange網格，計算采用cm-g-us單位制. 模型中除頂面及通道輪廓為自由邊界外，其余邊界均采用無反射邊界. 在對滿水狀態污水管道進行建模分析時，管道與水之間采用流固耦合算法.

圖3 有限元數值計算模型(m)

2.2 材料模型及參數

計算模型包括炸藥、水、管道、圍巖、上覆土體及襯砌材料. 炸藥為2#巖石乳化炸藥；管道材質為C30混凝土管，采用MAT_ELASTIC彈性模型；圍巖為粉砂質泥巖，選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[9-11]，該材料模型考慮了巖石介質材料的彈塑性性質，并能夠對材料的強化效應(隨動強化和各向同性強化)和應變率變化效應加以描述；土體采用MAT_DRUCKER_PRAGER材料模型[12-14]，該材料模型能有效模擬土體特性，且用于定義屈服面的巖土參數簡單易得；襯砌采用MAT_ELASTIC彈性模型. 由管道的混凝土強度等級，根據混凝土結構設計規范[15]得到其物理力學參數. 通過現場試驗和室內實驗，得到圍巖、土體及襯砌的物理力學參數. 管道、巖土體及襯砌物理力學參數列于表1.

表1 管道、巖土體及襯砌物理力學參數

炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系采用JWL狀態方程[16]描述，其形式為

(1)

式中：A，B，R1，R2，ω均為材料常數；P為壓力；V為相對體積；E0為初始比內能.

炸藥材料參數：ρ=1.1 g/cm3，D=3 500 m/s，A=47.6 GPa，B=0.524 GPa，R1=3.5，R2=0.9，ω=0.15，E0=4.26 GPa.

水的材料模型采用關鍵字*MAT_NULL定義，狀態方程采用關鍵字*EOS_GRUNEISEN[17-18]，其形式為

(2)

式中：C為水中聲速；μ=ρ/ρ0-1,ρ為擾動后水密度，ρ0為水初始密度；E為比內能；γ0為GRUNEISEN系數；S1，S2，S3為VS-VP斜率系數；a為體積修正系數.

水的材料參數：ρ0=1.0 g/cm3，C=1 480 m/s，S1=2.56，S2=1.986，S3=1.226 8，γ0=0.5.

2.3 數值模擬的可靠性分析

爆破施工時對地表振動進行了監測，地表監測點位置見圖1. 其中1#、2#測點位于地表污水管上方，3#測點位于左導洞開挖斷面的上臺階. 對比分析現場監測數據及數值模擬計算結果，列于表2. 分析振速發現數值模擬結果與現場監測結果相差不大，誤差最大的僅為5.71%. 因此，基于該數值計算模型研究爆破振動對鄰近埋地管道的影響是可行的. 由于針對研究問題對模型進行了概化，數值模擬建模時未考慮巖土體本身存在的缺陷[19-20]，且考慮到材料模型的理想性與各向同性，數值模擬計算所得頻率高于實測頻率. 圖4、5給出了1#地表監測點垂向振動速度實測數據及對應的模擬結果.

表2 各監測點質點振速對比

圖4 1#測點垂向振速實測波形

Fig.4 The measured vertical vibration waveform at 1#monitoring point

圖5 1#測點垂向振速模擬波形

Fig.5 The calculated vertical vibration waveform at 1#monitoring point

3 計算結果分析

3.1 空管狀態管道動力響應分析

距掌子面不同水平距離選取管道斷面來分析管道的動力響應，各個管道斷面分別選取頂部A、中部B、底部C3個節點，取值點位置如圖6所示. 圖7為距掌子面不同距離處管道斷面上質點振速分布曲線，圖中，橫坐標負向表示掌子面后方(已開挖區域)，橫坐標正向表示掌子面前方(未開挖區域).

從圖7可以看出，掌子面后方，管道斷面上底部振速和中部振速較為接近，頂部振速最小，隨著與掌子面距離的增加，3個位置的質點振動速度都不斷衰減；掌子面前方，管道斷面質點振速呈現出底部最大、中部次之、頂部最小的振動特征；由于通道上臺階粉質粘土人工開挖，與下臺階錯開3 m，應力波在傳播過程中發生繞射，掌子面前方0～3 m內，管道斷面上各個位置質點振速不斷增大，且在3 m處3個位置質點振速都達到最大值，掌子面前方管道斷面上各個位置質點振速呈現出先增大后減小的趨勢. 沿著管道軸線方向，質點振速最大的位置出現在掌子面前方3 m管道斷面底部位置，為2.54 cm/s. 此時，管道斷面頂部質點振速僅為0.78 cm/s，管道斷面底部質點振速是頂部質點振速的3.26倍.

圖6 取值點位置示意圖

圖7 管道斷面質點振速分布圖

3.2 滿水狀態管道動力響應分析

為了研究管道中水的存在對管道質點振動速度的影響，對滿水狀態污水管道在爆破荷載作用下的動力響應進行建模計算分析，并與空管狀態的動力響應進行對比，結果如圖8所示，其中A、B、C為空管狀態下管道相應質點振動速度分布曲線，A′、B′、C′為滿水狀態下管道相應質點振動速度分布曲線.

對比可以發現，管道在兩種狀態下質點振動傳播特征基本一致. 滿水狀態相比于空管狀態，管道質點振動速度有所降低，質點振速降低幅度最大為7.3%. 由此可以看出，管道中水的存在對管道的抗爆起到積極作用.

圖8 管道斷面質點振速對比圖

Fig.8 PPVs at different positions of pipe section when the pipe is empty and full of water

3.3 管道爆破振動速度安全判據分析

爆破荷載下管道處于空管狀態時振動速度大于滿水狀態，為最不利狀態，對空管狀態管道爆破振動速度安全判據進行分析. 沿著管道不同位置取7個斷面，每個管道斷面上在頂部、中部、底部分別選取單元，分析單元的拉應力峰值與振動速度峰值，從統計角度確立兩者的函數關系.

圖9給出了拉應力峰值和振動速度峰值的統計關系，二者之間的關系表達式為

σt=0.076V+0.029.

(3)

式中σt為拉應力峰值，MPa；V為振動速度峰值，cm/s.

圖9 管道拉應力峰值和振動速度峰值的統計關系

Fig.9 The statistical relationship between the peak tensile stresses and PPVs of pipeline

式(3)表明管道所受拉應力峰值和振動速度峰值之間存在線性關系. 依據管道混凝土的抗拉強度，由最大拉應力強度理論即可得到管道的爆破控制振速峰值. 綜合考慮管道埋設位置、管道破壞時對周圍環境的影響程度以及破壞后修復的難易程度選定管道的重要性修正系數為1.7[21-22]. 結合式(3)可得：當管道結構振動速度峰值為10.84 cm/s時，管道結構所受拉應力達到其抗拉強度.

3.4 地表振動控制速度確定

在鄰近埋地管道位置爆破時，為了保證管道的安全，必須對爆破強度進行控制. 由于管道埋地的特殊性，直接對管道進行爆破振動監測較為困難. 目前，工程實踐上多是直接對管道正上方地表振動速度進行監測，且地表振動控制速度設定主要依賴于經驗，對于如何合理確定地表振動控制速度方面少有研究.

為了確定爆破荷載下管道處于安全狀態的地表振動控制速度，統計沿管道軸線方向不同斷面上最大振動速度與對應位置處管道正上方地表振動速度，對二者關系進行數學擬合. 圖10給出了管道斷面最大振動速度與正上方地表振動速度關系，二者之間的關系表達式為

VG=0.379VP+0.420.

(4)

式中VP、VG分別為管道斷面最大振動速度與正上方地表振動速度，cm/s.

圖10 管道振動速度與正上方地表振動速度的統計關系

Fig.10 The statistical relationship between the maximum PPVs at different pipe sections and PPVs at the ground points right above the pipe sections

為了保證管道的安全，需要控制管道的最大振動速度不超過10.84 cm/s，結合式(4)可以確定現場監測時管道正上方地表振動速度不能超過4.53 cm/s，這為該工程的爆破作業提供了地表振動控制速度，同時也為類似工程提供了確定地表振動控制速度的方法.

4 結 論

1) 對比數值模擬結果和現場實測數據，數值模擬的峰值振動速度與實測數據相比誤差最大的僅為5.71%，數值模擬計算結果能用于對埋地管道在爆破荷載下動力響應的分析.

2) 空管狀態下，掌子面后方，管道斷面底部振速和中部振速較為接近，頂部振速最小；掌子面前方，管道斷面質點振速呈現出底部最大、中部次之、頂部最小的振動特征；沿著管道軸線方向，質點振速最大的位置出現在掌子面前方3 m管道斷面底部位置.

3) 對比空管和滿水兩種狀態下管道動力響應，兩種狀態下質點振動傳播特征基本一致，管道中水的存在能降低管道質點振動速度，對管道的抗爆起到積極作用.

4) 從統計角度確立管道拉應力峰值和振動速度峰值的函數關系，由最大拉應力強度理論得到該工況下管道的爆破控制振速峰值為10.84 cm/s；通過建立管道軸線方向不同斷面上最大振動速度與對應位置處管道正上方地表振動速度之間關系，結合管道的爆破振速安全判據確立了該工程爆破作業時管道正上方地表振動控制速度為4.53 cm/s，為類似工程提供了確定地表振動控制速度的方法.

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Dynamicresponsecharacteristicofadjacentburiedconcretepipelinesubjectedtoblastingvibration

ZHANG Zhen, ZHOU Chuanbo, LU Shiwei, JIANG Nan, WU Chao

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

To ensure the safety of buried concrete pipeline during the process of blasting construction, field monitoring and numerical simulation were adopted to study the dynamic response of the adjacent buried concrete pipeline induced by the blasting excavation of an ultra-shallow buried underpass. The relationship model between the peak partical velocities (PPVs) and tensile stresses of the pipeline is established. Based on the ultimate tensile strength criterion, the blasting vibration safety criterion of the pipeline is calculated by the relationship model. The relationship between the maximum PPVs at different pipe sections along the pipeline and the PPVs at the ground points right above the pipe sections is also established. Combined the blasting vibration safety criterion of the pipeline, the blasting vibration safety criterion of ground is determined to ensure the safety of the pipeline. Results show that when the pipeline is empty, behind the working face, the PPVs at the middle and bottom of pipe section are approximately equal, and the smallest is at the top of pipe section. At the front of the working face, the greatest PPV is at the bottom of pipe section, followed by the middle and the top of pipe section. Along the axis of pipeline, the PPV reaches its maximum at the bottom of pipe section 3 m ahead of the working face. In the case that the pipeline is empty and full of water, the vibration characteristics are basically similar. The water in the pipeline lowers PPVs and the largest percentage of decrease is 7.3%. The blasting vibration safety criterion of pipeline is 10.84 cm/s and the blasting vibration safety criterion of ground is set to be 4.53 cm/s to ensure the safety of the pipeline. The determined safety criteria of blasting vibration can provide guidance for the field blasting construction.

blasting excavation; underpass; buried concrete pipeline; dynamic response; safety control

10.11918/j.issn.0367-6234.201611089

U455.6

A

0367-6234(2017)09-0079-06

2016-11-10

國家自然科學基金(41372312，51379194)；黃鶴英才(科技)計劃項目(2015055003)；中國博士后科學基金特別資助(2015T80854)

張 震(1993—)，男，博士研究生；周傳波(1963—)，男，教授，博士生導師

周傳波, cbzhou@cug.edu.cn

(編輯魏希柱)