礫砂風化巖場地內爆破施工對鐵路路基的影響分析

趙利民,李 浩,2

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510088；2.北京交通大學 土建學院，北京 100044)

1 工程概況

根據國標GB 6722—2003《爆破安全規程》和TB 10002.1—2005《鐵路橋涵基本設計規范》，爆破作業時，由于爆破引起的鐵路路基、鐵路軌道結構、鐵路橋梁結構振動速度應<3.0 cm/s。根據《鐵路運輸安全保護條例》的規定，鐵路邊線外側20 m范圍屬于鐵路保護范圍，在鐵路邊線外側200 m范圍進行爆破作業時，應論證其對鐵路設施的影響。

河道沿線總體海拔較低，地勢起伏不大，經過的地貌單元主要為濱海沉積地帶、沖積地帶及風化剝蝕殘積丘陵區。山體自然斜坡較穩定，天然坡度為10°～30°，局部較陡，坡角>50°。沿線場地內最大高差約為35.5 m。場地內主要土層如下。

素填土：上部主要由粉質黏土及粉土組成，含少量碎塊石，濕、松散狀，屬人工填土。下部主要由粉質黏土組成，含少量砂粒，稍濕、松散狀，屬山林種植土。

粉質黏土：主要由黏粒和粉粒組成，含少量砂粒，黏性較好，無光澤，搖震反應緩慢，干強度、韌性中等，濕、可塑狀，屬沖積土。

白堊系強風化砂礫巖：手捏可碎，遇水軟化、崩解，間夾中風化巖塊，巖體極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。建議地基承載力基本容許值[fa0]=450 kPa。

白堊系中風化砂礫巖：褐色、灰褐色，風化中等，裂隙較發育，砂礫狀結構，塊狀構造，礫石含量不均，礫石成分主要為砂巖、硅化砂巖、石英等。巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，錘擊聲脆，為較軟巖，較破碎，巖體基本質量等級為Ⅳ級。建議地基承載力基本容許值[fa0]=1 200 kPa[1]。

另一方面，分析小學數學教學期刊中有關方程意義的教學設計，可以發現，大致可以分為三類：（1）借助于天平，從“等價”以及“數量關系”著手生成方程，進而概括屬性特征；（2）借助于情境產生等式與不等式以及方程，經過兩次分類，進而篩選出課程學習的主題詞“方程”；（3）用以前接觸到的“20÷□=4”這樣的式子來引入。那么，這些設計是否反映教師已經理解方程的本質？

2 分析方法

采用二維FLAC有限差分法計算爆破作業對既有鐵路路基振動的影響。按照工程項目地勘資料，建立二維平面有限元模型，輸入地層參數，土層彈性模量等剛度參數采用小應變動態測試值，爆破藥量按相關經驗公式計算[2-3]。

FLAC軟件求解過程分3步：首先對求解域作有限差分網格剖分；然后選擇逼近方程定解問題的差分格式，并對內部節點和邊界節點建立起不同的差分方程；最后將計算機網格內所有節點的相應差分方程聯立，求解聯立方程組得到問題的解。它采用內部四邊形單元網格，用兩組對角的常應變三角形單元來代替，節點力為2組各自節點大矢量和的均值，采用三角形差分計算。該軟件在力學模型計算時容易控制不同類型的影響因素，對巖土工程研究非常有利。

2.1 爆破荷載

巖石爆破過程是一個瞬間動力過程，巖土體和結構體的受力和響應非常復雜。根據現行國家規范，減少爆破施工對周邊工程結構的影響應控制爆破引起的振速[4-5]。本文通過在FLAC模型中施加瞬時脈沖荷載(爆破荷載)來計算爆破施工引起的周邊場地的振速。當采用的裝藥形式為耦合裝藥時，爆破荷載計算式[6]為

(1)

式中：P0為爆破荷載峰值壓力；ρe為炸藥密度；De為炸藥爆速；ρm為巖石密度；Cp為巖石彈性應力波波速；k為絕熱指數。

根據施工方案和文獻參考資料[6]，計算參數見表1。

表1 計算參數

因計算模型尺寸很大，為減少計算網格尺寸以減小計算時間，在不影響計算精度的條件下參考相關文獻作適當簡化。先根據式(1)計算出原始爆破荷載，再根據沖擊波在巖面傳播時波陣面的壓力衰減規律，計算出沖擊波傳導至r處的波峰壓力P。將P作為模型荷載,經驗公式為

(2)

式中：P為距炸藥的距離為r處的沖擊波波峰壓力；r0為爆孔半徑；r為距爆孔中心距離；n為指數，n=2+μ/(1+μ)，μ為泊松比，取0.2。

將模型荷載P輸入到一個直徑2.0 m、高度6.0 m(裝藥高度)圓柱面上，基于彈性力學圣維南原理計算的爆破孔近距離區域爆速有所差異，但稍遠處的計算值差異較小。根據擬用爆破方案，控制爆破爆孔直徑為140 mm，單排爆破或多排爆破的第1排孔的每孔藥量為83 kg，裝藥高度為6 m。采用該爆破參數作為計算條件，計算單孔爆破引發周邊場地的震動響應，計算荷載采用單脈沖荷載。

2.2 計算參數

爆破工程場地計算剖面如圖1所示。

圖1 爆破工程場地計算剖面(單位：m)

該段工程場地主要以強風化和中風化礫砂巖為主。廣東省DBJ 15-31—2003《地基基礎設計規范》推薦的殘積土和風化巖變形模量E0的計算公式為

E0=αN′

(3)

式中:α為計算系數，其取值見表2;N′為標準貫入擊數。

表2 計算系數取值

綜合勘察報告和工程實踐經驗確定強風化礫砂巖標準貫入擊數為55擊。按式(3)確定巖層變形模量，根據巖層變形模量和泊松比估算出巖土體的動體積模量和動剪切模量。中風化礫砂巖和微風化礫砂巖彈性模量根據地勘報告中描述的實際情況并參考文獻[1]確定。有限元計算力學參數見表3。

表3 有限元計算力學參數

3 計算模型

建模假定:假定試驗爆孔平行鐵路線路方向布置，縱向所有爆孔無時差爆破；爆破前場地巖土體為彈性狀態；不考慮爆孔近場區域的塑性破壞；爆破場地模型邊界設定為阻尼邊界，無窮遠場地全部吸收計算場地的振動能量。

根據巖土動力爆破數值計算實際要求，建立二維有限差分計算模型，同時將場地模型劃分為4個風化巖層并設立A,B兩個觀測點，如圖2所示。

圖2 風化巖層分布與觀測點位置示意

4 計算過程及結果分析

將新建河道施工過程分為2個階段，采用FLAC二維有限元分析時階段間內力和變形增量代數疊加。具體步驟：①初始應力階段，模擬計算工程場地初始應力狀態；②模擬計算河道未開挖，河堤未填筑初始爆破開挖階段；③模擬計算河道開挖、河堤填筑后爆破開挖階段。

爆破0.3 s后場地振速云圖見圖3。觀測點A，B水平與豎向振速時程曲線見圖4。

圖3 爆破0.3 s后場地振速云圖(m/s)

圖4 觀測點A,B水平與豎向振動速度時程曲線(m/s)

從各爆破工況計算結果來看，鐵路路基振速有超過3 cm/s的,不能滿足GB 6722—2003要求。因此調整了計算工況，分述如下。

1)減少單孔爆破藥量

將最大單孔爆破藥量由83 kg調整為40 kg，爆破對巖體的沖擊能大幅減小。爆破0.2 s后觀測點A的最大振速約1.5 cm/s，觀測點B的最大振速約0.5 cm/s。

2)增加鐵路與控制爆破點間距

將最近控制爆破點向遠離鐵路方向外移18 m左右，觀測點A的最大振速約2.1 cm/s，觀測點B的最大振速約0.6 cm/s。

各工況計算結果見表4。

表4 各工況計算結果

項目部根據咨詢意見，鄰近鐵路路基區域采取減少最大爆破藥量的方案，實施過程中觀測點A鐵路路基典型振速-時程曲線與工程咨詢分析結果相近。

5 結論與建議

1)采用原爆破方案施工，鐵路軌道的水平振速和豎向振速均超過3 cm/s,鐵路軌道個別測點最大振速為規范容許值的2.6倍，不能滿足鐵路設施安全控制要求。

2)鄰近鐵路側巖石爆破開挖時建議加大爆破開挖區與鐵路路基的距離，爆破點至鐵路路基邊線的距離應不小于65 m。建議每孔爆破藥量控制在40 kg以內，分多孔裝藥。

3)施工時，應做好炮孔封孔，巖面采用筋笆和砂包覆蓋，在鐵路側搭建臨時的防護排架，防止爆破飛石損害鐵路器材和設施。

[1]水利水電科學研究院，水利水電規劃設計總院，水利電力情報研究所.巖石力學參數手冊[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]劉世波，薛里，孫崔源，等.緊鄰運營地鐵安全保護區基坑爆破振動控制技術[J].鐵道建筑，2017,57(10):71-73.

[3]鄭明新，舒明峰，夏一鳴，等.爆破振動對既有高速鐵路隧道襯砌動力響應的影響[J].鐵道建筑，2017,57(1):94-97.

[4]劉殿中，楊仕春.工程爆破實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[5]徐穎，宗琦新.地下工程爆破理論與應用[M].北京：中國礦業大學出版社，2001.

[6]張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.