路基邊坡逐孔微差爆破對鄰近橋梁的影響?

羅如登 鮑志斌 王正陽

①中南大學土木工程學院(湖南長沙，410000)

②中交二航局建筑科技有限公司(湖北武漢，430000)

引言

工程爆破廣泛應用于山區土木工程基礎開挖項目中，為推動我國基礎設施建設發揮了非常重要的作用。在鉆爆法施工過程中，爆破安全一直是工程爆破行業關注的重要問題。采用鉆爆法開挖時，經常會面臨對爆破點鄰近目標(如既有橋梁)的保護。控制爆破地震波對鄰近橋梁結構安全性的影響，同時又確保在建項目的高效爆破施工，是爆破施工單位、行政主管部門、監理單位等多方共同面臨的技術難題[1-7]。

丁茂瑞[8]利用二維數值分析研究了新建隧道爆破開挖對鄰近既有橋梁的安全性動力影響。黃赫烜等[9]通過監測數據，研究了隧道爆破和鉆孔灌注樁施工對鄰近高鐵橋梁的影響，并結合有限元模型分析了橋梁的安全性和可靠性。孟靈鑫等[10]基于FLAC3D用瞬態動力學方法，分析了爆破振動對鄰近橋面及橋墩的影響。李杰[11]在水下爆破中，對鄰近橋梁振動危害進行了實時監測及數據分析。

近年來，隨著高精度雷管、數碼電子雷管等新型爆破器材的問世，通過微差爆破技術可改善爆破效率、提高爆破質量，同時可有效減少爆破地震波、沖擊波等的危害效應[1-3，12]。

貴黃高速公路TJ13 標段路基邊坡，爆區之間有一既有高鐵橋梁需要保護。為確保爆破安全，需結合鄰近保護目標的振動危害效應監測信號及數值模擬分析，開展微差爆破方案優化研究。

1 現場試驗設計

貴黃高速公路TJ13 標段路基邊坡長260 m，爆區寬20 m，開挖高度16～20 m，中硬巖，總石方量約20 000 m3。爆區I和爆區II之間的既有高鐵橋梁需被重點保護。其中，七號墩距爆區最近，離爆區I北面340 m，爆區II南面582 m，如圖1 所示。

試驗方案設計如下:

1) 爆區I距離既有橋梁更近。現場試驗時，采用TC-4850 爆破測振儀，在爆區I微差爆破時對鄰近高鐵橋梁的振動響應進行實時數據采集。

2) 將爆區I的邊坡開挖成高1.5 m、寬1.5 m的臺階，在邊坡中部鉆3 個炮孔，孔徑100 mm、孔深3.0 m、孔距3.0 m，單耗取0.35 kg/m3，逐孔起爆，孔間微差時間初步設定為6 ms。

3) 測點布置在七號墩以及離爆源中心直線距離最短的第六跨梁，測點編號如圖2 所示。迎爆側，從七號墩底開始間隔2 m 布置1＃～5＃測點，從第六跨梁跨中梁體開始間隔2 m 布置6＃～10＃測點，橋墩上1＃測點、梁體上7＃測點距爆源最近。

2 數值模型建立

2.1 計算模型

基于ANSYS/ LS-DYNA軟件，建立爆區I邊坡和鄰近既有橋梁的1∶1 數值計算模型。采用ALE算法，Solid164 單元，長340 m，寬260 m，按實際尺寸建立3 個炮孔，微差起爆時間6 ms，總計算時長200 ms。橋梁結構建模時進行簡化，跨徑30 m，梁和墩模型材料分別為C55 和C50 混凝土。總體建模如圖3 所示。

2.2 材料模型及參數

巖石采用彈塑性動力模型(Mat_Plastic_Kinematic)。該模型能精確地模擬巖石材料的動力特性，其屈服條件為[13]:

式中:sij為柯西應力張量；aij為屈服面中心點處的應力偏張量；F和C為輸入常數；σy為屈服應力；σ0和β分別為初始屈服應力和硬化參數；為應變率；Ef為塑性硬化模量，Ef=EtE/(E -Et)；E為彈性模量；Et為切線模量；為有效塑性應變。

根據地質資料，巖石力學參數如表1 所示。

表1 巖石參數Tab.1 Parameters of rock

梁和墩分別采用標號為C55 和C50 的混凝土，混凝土材料參數見表2。

表2 混凝土參數Tab.2 Parameters of concrete

炸藥采用高能炸藥材料模型(Mat_High_Explosive_Burn)，結合JWL 狀態方程[13]，對炸藥起爆點、起爆時間加以控制，實現對炸藥爆炸過程的模擬。

式中:p為爆轟壓力；V是相對體積；E是單位體積內能；ω、A、B、R1、R2為材料常數。

具體參數如表3 所示。

表3 炸藥材料及狀態方程參數Tab.3 Parameters of explosive material and equation of state

2.3 邊界條件

在有限元模型中，需要采用有限域來模擬爆破地震波作用下炸藥爆炸產生的鄰近高架橋的動力響應規律。在ANSYS 建模過程中，需要在范圍有限的模型邊界上施加無反射邊界條件，消除爆破地震波傳遞到模型邊界時發生的反射、折射現象，確保計算結果的準確性。在計算模型中，除上部邊界面外，其余模型面均施加無反射邊界。

2.4 數值計算方案驗證

基于上述試驗和數值模擬方案，將逐孔起爆微差時間6 ms 時，實際采集到的橋墩和跨梁上各測點的爆破振速峰值與數值模擬計算所得各測點的振速峰值進行對比，如圖4 所示。總體吻合情況良好，最大偏差不超過10%，驗證了上述所采用的數值模擬方案基本科學合理。

3 數值模擬分析

采用控制變量法進行數值模擬及對比分析。保持測點位置不變，研究微差時間對鄰近橋梁同一測點處振速響應的影響規律；保持微差時間不變，研究測點所處空間位置對測點處振速響應的影響規律。

在上述數值模擬方案基礎上，增加樣本量以提升數值模擬及數據分析的可靠性。分別增設0、5、10、15、20、25 ms 共6 組逐孔起爆微差時間，并在六號墩相對于七號墩同樣位置處增設11＃～15＃共5 個測點，在第六跨梁遠離爆源的另半跨梁體上對稱增設16＃～20＃共5 個測點，共計20 個測點，測點編號及位置如圖5 所示。分別計算得到20 個測點在6組微差時間下的爆破振速時程曲線。提取這120 組振速時程曲線的峰值，進行不同微差起爆時差條件下鄰近高鐵橋梁的爆破振動響應分析。

3.1 微差時間對橋梁振速響應的影響規律

將1＃測點分別在6組微差時間下的振速響應峰值繪成散點形式，并用樣條曲線連接。對2＃～10＃測點進行同樣操作，結果如圖6(a)所示；對11＃～2 0＃測點進行同樣操作，結果如圖6(b)所示。10條不同顏色的曲線，分別代表10 個不同測點處的綜合振速峰值隨不同微差時間的變化規律。

由圖6 分析可知:

1) 1＃～10＃測點和11＃～20＃測點分布規律相近，故振速響應隨微差時間的變化規律大致相同。

2) 綜合測點處振速峰值隨微差時間變化規律有兩種類型:隨微差時間的增加而快速下降，隨后微差時間繼續增加時趨于平緩，成波浪狀微微起伏，此規律對應的是1＃、3＃、4＃、6＃、10＃測點和11＃、13＃、14＃、16＃、20＃測點，其中，1＃、3＃、4＃、11＃、13＃、14＃測點分布在橋墩上，6＃、10＃、16＃、20＃測點分布在跨梁上；沒有隨微差時間增加而快速下降的階段，在微差時間增加的全程均緩慢上升或下降，成波浪狀微微起伏，對應的是2＃、5＃、7＃、8＃、9＃測點和12＃、15＃、17＃、18＃、19＃測點，其中，2＃、5＃、12＃、15＃測點分布在橋墩上，7＃、8＃、9＃、17＃、18＃、19＃測點分布在跨梁上。

進一步分析可知:

1) 微差時間對鄰近橋梁的振速響應有顯著影響，但只集中在一個區間范圍內，超出此區間，則微差時間對振速響應影響不顯著。炮孔之間微差時間若過小，則接近于同時起爆；若過大，則接近于逐孔起爆。數值模擬結果及試驗測試數據分析表明，炮孔微差時間很小或很大情況下，改變微差時間來控制爆破振動響應的效果均不明顯。本工程背景下對鄰近橋梁振速響應有顯著影響的微差時間取值范圍是0～5 ms，而5～10 ms 則是一個下降到上升的過渡階段，這里存在一個極小值。

2) 針對不同位置處的測點，對其振速峰值有顯著影響的微差時間區間范圍不同。

3)隨著微差時間的增加，結構振速響應的變化并非成單調遞增或遞減趨勢，而是反復增減，故總存在一個振速響應的極小值。

3.2 空間位置對橋梁振速響應的影響規律

以微差時間為控制變量，研究測點所處空間位置對測點處振速響應的影響規律。列出在6 組微差時間下鄰近橋梁七號墩上1＃～5＃測點振速響應的空間分布規律，如圖7(a)所示；六號墩上11＃～15＃測點振速響應的空間分布規律如圖7(b)所示。第六跨梁上6＃～10＃測點振速響應的空間分布規律如圖8(a)所示；16＃～20＃測點振速響應的空間分布規律如圖8(b)所示。7 種不同顏色的曲線中，前6 條分別代表在6 組不同的微差時間下各測點的振速分布規律，第7 條曲線代表地表振速峰值隨爆心距呈指數衰減的規律曲線[14]:

式中:v為爆破振動質點最大振速，cm/s；Q為炸藥量，kg，齊爆時取總藥量，延時起爆時取單段最大藥量；R為爆源的距離，m；d為比例距離；K和α分別為爆源至測點間地形、地質條件的相關系數和衰減指數。

由數據分析可知:

1) 從第7 條曲線分析可知，1＃～5＃測點的振速響應隨微差時間的變化規律大致和11＃～15＃測點的振速響應隨微差時間的變化規律相同；6＃～10＃測點的振速響應隨微差時間的變化規律大致和16＃～20＃測點的振速響應隨微差時間的變化規律相同；再次印證了所采用數值模擬方案的正確性。

2) 跨梁上測點振速起初隨測點離爆源的距離增加而減小，但最遠的靠近橋墩頂處的跨梁上測點的振速反而增大，存在一定程度的高程放大效應。

由此可知，鄰近高鐵橋梁受爆破作用后的振速響應不僅和爆破作用大小有關，也和結構所受約束條件有關，在橋墩底部和主梁靠近墩頂處這些端部固結位置，會出現離爆源較遠的地方振速響應反而增大的情況，在爆破安全校核過程中應予以重視，確保爆破安全。

4 結論

1) 微差時間對路基邊坡爆破時鄰近橋梁的振速響應有明顯影響，規律體現為非線性、非單調性。微差時間對鄰近橋梁的作用效應不能線性疊加，在有限區間內存在一個最佳的微差時間，使鄰近橋梁的爆破振動響應最小，并可通過現場爆破振動監測及數值模擬方法進行確定。

2) 對于橋梁的墩柱部分，爆破振速響應與爆源的距離成反比。但橋梁結構的梁體部分，在靠近墩柱處的振速則并非隨離爆源距離的增加而遞減，爆破安全校核環節應引起重視。