城市環(huán)境下淺埋隧道爆破振動對下穿建筑物影響分析

易志偉， 張志強， 王鳴冠

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

為緩解或從根本上解決人口增長對城市交通的壓力和威脅，修建各種城市隧道呈急劇增長的趨勢。但采用爆破方式修建淺埋隧道的經(jīng)驗還是不足。由于城市環(huán)境的復雜敏感性，采用爆破的方式在城市環(huán)境下修建隧道更為少見。由于城市周邊環(huán)境復雜敏感，對振動及變形有較高要求，采用爆破施工往往難以保證爆區(qū)周邊結(jié)構(gòu)物及人員行為安全和不擾民。在爆區(qū)一定范圍內(nèi)，當?shù)卣饎舆_到一定的強度時，很可能會出現(xiàn)地表開裂、沉降變形等現(xiàn)象，造成施工進度緩慢，經(jīng)濟損失嚴重等問題，其許多技術(shù)難題有待解決。考慮到近接施工的問題，易引起地表和建筑物、構(gòu)筑物不同程度的破壞。

研究城市淺埋隧道在爆破過程中的力學性態(tài)也顯得十分重要。一方面解決隧道建設(shè)中存在的問題，確保隧道施工安全；另一方面進一步完善和發(fā)展隧道設(shè)計理論與施工技術(shù)，為確定合理的控制爆破方案，制定相應的減震控制措施，最大限度地減小爆破產(chǎn)生的負面效應提供依據(jù)和經(jīng)驗。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計概況和爆破控制標準

本文以重慶東水門大橋～千廝門大橋渝中區(qū)連接隧道為研究背景，該隧道為城市公路隧道，設(shè)計行車速度40 km/h，為雙向4車道連拱+小凈距隧道，隧道左右線全線按洞口連拱隧道、洞身段小凈距隧道布設(shè)(圖1)。

圖1 隧道橫斷面

渝中連接隧道初期支護拱頂距離華夏銀行獨立柱基礎(chǔ)底部3.83 m，邊柱、中柱與隧道外邊墻的距離為0～8.85 m，空間距離非常接近，爆破施工對其上建筑基礎(chǔ)的影響很大。根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》(以下簡稱《安全規(guī)程》)中的規(guī)定，各類建筑物的爆破震動安全允許標準如表1所示。

建筑物的爆破振動安全允許標準與建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素有關(guān)。基于《安全規(guī)程》中的規(guī)定，并同時考慮圍巖參數(shù)和周邊建筑物與隧道的相對位置關(guān)系，選取最大震速的臨界值為30 mm/s。

表1 爆破振動安全允許標準

2 數(shù)值模擬分析

本文采用ANSYS顯式動力有限元模擬軟件進行三維數(shù)值模擬分析。隧道初期襯砌和二次襯砌采用實體單元，開挖方式采用中導洞+左右洞單側(cè)壁導坑法。模型縱向長50 m，房屋前后各約18.5 m。華夏銀行獨立柱基礎(chǔ)單獨建立模型(實體單元)，樁基按平面圖設(shè)7×4個(按線性排布)。土地分為三層，最上邊為素填土，中間為泥巖，下層為砂巖(圖2)。

圖2 三維模型

計算中地表建筑自重及活荷載按GB 50009-2001(2006版)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的要求取值，各個樁基的荷載承受值按GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進行取值。

由于采取了微差爆破，以及掏槽眼為后續(xù)創(chuàng)造了臨空面，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析，最大震速出現(xiàn)在掏槽時刻，故只對掏槽眼爆破進行研究。對于掏槽孔，由于采用加強裝藥，故計算時采用偶合裝藥，爆破荷載的峰值取為20.90 GPa(圖3～圖5)。

圖3 獨立樁基分布

圖4 爆破臨空面

圖5 掏槽眼布置

3 時程分析結(jié)果

通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，中導洞和左導洞的爆破對樁基影響最大。為了選擇合理的爆破震速，在保證鄰近建筑物安全的基礎(chǔ)上，獲得最大的施工進度，分別研究2 m和1 m進尺爆破時，中導洞和左導洞爆破震速對建筑物影響，進而確定出合理的爆破施工參數(shù)。

3.1 中導洞爆破對獨立基礎(chǔ)的影響

爆破進尺分別為2 m和1 m時，掏槽爆破時樁頂和樁底各關(guān)鍵點震動速度如表2所示。

由表2可知，在掏槽爆破2 m進尺時，樁基振動速度最大值較大，大部分超過《安全規(guī)程》臨界值30 mm/s。在掏槽爆破1 m進尺時，樁基的振動速度較大，最大震速值未超過《安全規(guī)程》臨界值30 mm/s，因此應采用進尺1 m爆破。中導洞1 m掏槽起爆最大震速時程曲線如圖6所示。

3.2 左導洞1 m掏槽眼爆破對獨立基礎(chǔ)影響

在中導洞爆破的基礎(chǔ)上，再次進行左導洞爆破，四個掏槽眼同時起爆，沒有臨空面，因此爆破引起的樁體震速較大。

表2 爆破時各個關(guān)鍵點速度峰值 mm/s

在上述中導洞爆破的基礎(chǔ)上，再次進行左導洞爆破，四個掏槽眼微差分段起爆，所引起的樁體震速較小。通過有限元瞬態(tài)動力分析，不同監(jiān)測點位置的水平豎向最大振動速度如表3所示。

表3 左導洞掏槽爆破各個關(guān)鍵點速度峰值 mm/s

圖6 中導洞1 m掏槽起爆最大震速時程曲線

由表3可知，在掏槽爆破1 m進尺掏槽眼同時起爆時，樁基的振動速度較大，部分最大值超過《安全規(guī)程》臨界值30 mm/s，因此左導洞不適合進尺1 m掏槽眼同時起爆條件。在掏槽爆破1 m進尺掏槽眼分段起爆時，樁基的最大振動速度個別值超過《安全規(guī)程》臨界值30 mm/s，因此左導洞適合進尺1 m掏槽眼分段起爆條件。左導洞1 m掏槽眼兩次分段起爆最大震速時程曲線如圖7所示。

圖7 左導洞1 m掏槽眼兩次分段起爆最大震速時程曲線

4 結(jié)論及建議

(1)中導洞掏槽爆破，進尺2 m時華夏銀行獨立基礎(chǔ)震速大部分都大于規(guī)范允許值(30 mm/s)；進尺1 m時華夏銀

行獨立基礎(chǔ)震速大部分都小于規(guī)范允許值(30 mm/s)。因此建議中導洞掏槽爆破進尺為1 m。

(2)在中導洞開挖基礎(chǔ)上，左洞爆破建議進尺1 m，并且掏槽眼采用分段兩次爆破，才能保證華夏銀行基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

(3)左導洞采用進尺1 m掏槽眼分段起爆才能滿足規(guī)范要求，確保建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

[1] 羅杰鋒. 隧道掘進爆破合理微差時間研究[D]. 長沙: 長沙理工大學,2014.

[2] 張宏博,黃茂松,莊紀棟,等.淺埋隧道穿越建筑物樁基的施工力學分析[J].地下空間與工程學報，2005,1(2).

[3] 易長平. 爆破振動對地下洞室的影響研究[D].武漢：武漢大學,2005.

[4] 榮清，胡學兵.下穿建筑物的梧村山淺埋大跨連拱隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究[J].公路交通技術(shù),2010(2).

[5] 張銀屏，雷震宇，周順華.淺埋暗挖隧道對地表變形影響的三維數(shù)值分析[J].華東交通大學學報,2005，22(5).

[6] 余紅燏. 城市淺埋暗挖車站下穿既有建筑物控制爆破減震技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學,2015.

[7] 熊剛,黃思勇,項敬輝. 隧道近接施工對既有樁基影響的研究進展[J]. 鐵道建筑,2011(7):72-74.

[8] 杜寶義. 城市隧道爆破振動對周圍環(huán)境影向評價及控制技術(shù)研究[D].成都: 西南交通大學,2015.

[9] 姚海波. 大斷面隧道淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物施工技術(shù)研究[D].北京： 北京交通大學,2005.