強(qiáng)地表沖擊荷載下矩形地下混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)方法

王國(guó)波 殷耀 岑欣欣 謝偉平 季杉 郄嘉琳

摘要：混凝土地下結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，但其在地表強(qiáng)沖擊荷載下的振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法有待完善。本文歸納總結(jié)已有國(guó)內(nèi)外振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法，基于已有的數(shù)值方法，進(jìn)行關(guān)鍵影響因素的參數(shù)分析，包括沖擊塊體積、高度、數(shù)量、位置以及地下結(jié)構(gòu)形式和埋深，建議了不同場(chǎng)地類別條件下矩形混凝土地下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明：不同規(guī)范對(duì)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)存在較大差異，且大多基于爆破工程或大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，缺乏理論依據(jù)；場(chǎng)地土類別對(duì)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全具有顯著的影響，因此必須依據(jù)場(chǎng)地土類別建議對(duì)應(yīng)的地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全閾值；地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度與對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)的振動(dòng)速度具有較好的線性關(guān)系，因此不便于獲取地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度時(shí)，可采用對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu)；沖擊荷載；振動(dòng)速度；安全評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： TU93??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A??? 文章編號(hào)：1004-4523（2022）05-1048-10

DOI：10.16385/j .cnki .issn .1004-4523.2022.05.002

引言

城市地下結(jié)構(gòu)在城市整體功能中發(fā)揮著越來(lái)越重要的功能，如地鐵車站、隧道、石油管道、燃?xì)夤艿赖龋湓谶\(yùn)營(yíng)期的安全性直接決定了城市功能能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，城市地下結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期的安全性必須引起足夠的重視。在城市化進(jìn)程迅速的大背景下，城市地下結(jié)構(gòu)面臨諸多方面的不確定性威脅，如鄰近結(jié)構(gòu)施工所進(jìn)行的強(qiáng)夯、爆破拆除的塌落觸地振動(dòng)、重載車輛的碾壓等。目前雖然已有相關(guān)的地下結(jié)構(gòu)保護(hù)規(guī)范，但相關(guān)規(guī)定缺乏必要的理論依據(jù)，例如規(guī)范[1?3]規(guī)定地表施工引起的地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度不能超過(guò)2.5 cm/s，但已有的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明地表沖擊荷載引起的地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度不足1.0 cm/s，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，卻依然造成了地下結(jié)構(gòu)的破損。由此可見(jiàn)，目前在這方面的理論研究與工程實(shí)際仍有一定的脫節(jié)，強(qiáng)地表沖擊荷載引起的振動(dòng)傳播規(guī)律及其對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理還不夠明確，導(dǎo)致規(guī)定的閾值缺乏理論依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)在地表沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)及其安全性進(jìn)行了研究。

在樁基施工振動(dòng)方面：李怡聞等[4]基于某工程實(shí)例，分析了打樁對(duì)鄰近隧道的影響，建議了打樁參數(shù)。佘艷華等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微震試驗(yàn)，分析了橋梁樁基施工振動(dòng)對(duì)鄰近埋地管道的影響，采用地表振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建議了振動(dòng)影響區(qū)域。張龍等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和數(shù)值分析，研究了近海工程沉樁振動(dòng)對(duì)鄰近埋地管道安全運(yùn)行的影響，建議埋地管道的振動(dòng)速度不能超過(guò)10 mm/s 。尹洪樺等[7]基于某工程實(shí)際，探討了鋼管樁施工振動(dòng)對(duì)鄰近既有隧道的影響，建議了合理的打樁順序和影響范圍。宋春生等[8]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析了沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)埋地天然氣管道的影響，建議取地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度10 mm/s、最大不超過(guò)12 mm/s 作為沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)埋地天然氣管道的安全閾值。Saylom [9]分析了沖孔施工產(chǎn)生的沖擊荷載及其對(duì)臨近管廊安全性的影響，建議了合理施工范圍。Hamidi 等[10]以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度（Peak Parti? cle Velocity，PPV）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建議了不同工況下打樁的安全距離。

在地表結(jié)構(gòu)物倒塌觸地沖擊振動(dòng)方面：文獻(xiàn)[11?13]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模型試驗(yàn)，分析了煙囪以及城市高架橋爆破拆除時(shí)觸地沖擊荷載的特性及其對(duì)鄰近地下管道的影響。黃棟等[14]利用侵徹力計(jì)算公式，對(duì)風(fēng)機(jī)倒塌的沖擊力和沖擊深度進(jìn)行估算，分析了沖擊載荷作用下管道的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，給出了安全性評(píng)價(jià)方法。熊健等[15]建立了崩塌落石沖擊荷載作用下埋地管道的三維有限元模型，分析了一些關(guān)鍵因素對(duì)埋地管道安全的影響。Baziar等[16]探討了地表沖擊荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明影響地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的主要因素是沖擊物傳遞給土層的沖量。Yang 等[17]研究了落石沖擊作用下隧道的接觸力、位移、損傷和能量分布。黃小武等[18] 研究了坍塌觸地振動(dòng)作用下盾構(gòu)隧道管片的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明管片結(jié)構(gòu)對(duì)低頻的觸地振動(dòng)比較敏感。

在建筑機(jī)械施工方面：李萍等[19]基于最大應(yīng)變計(jì)算方法，研究了碎石化施工時(shí)埋地管道應(yīng)力隨破碎機(jī)械距離、管道埋置深度的變化規(guī)律及管道的臨界破壞條件。李輝山等[20]以多錘頭破碎機(jī)械為研究對(duì)象，分析了沖擊波的傳遞規(guī)律及其對(duì)污水管（玻璃鋼加砂管）的安全影響，建議了合理的管道埋置深度。Svinkin[21]在總結(jié)歸納已有振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從考慮土?結(jié)構(gòu)相互作用、土層參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性等角度，建議了具有針對(duì)性的不同情況下振動(dòng)評(píng)價(jià)閾值。

在強(qiáng)夯引起的沖擊振動(dòng)方面：趙師平等[22]探討了夯擊能量、夯錘間距以及管道埋深等因素下，強(qiáng)夯沖擊荷載作用對(duì)埋地輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)的影響，得出了埋地輸氣管道在夯擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。韓傳軍等[23]分析了埋地管道在夯擊過(guò)程中管道截面變形及所受沖擊力變化規(guī)律，研究了管道壁厚、夯擊速度及夯錘體積對(duì)管道應(yīng)力、應(yīng)變及變形的影響規(guī)律。董飛飛等[24]基于模型試驗(yàn)結(jié)果給出了地表沖擊荷載作用下管道應(yīng)變響應(yīng)特點(diǎn)。

從上述已有研究來(lái)看，目前在樁基施工振動(dòng)、塌落物的沖擊振動(dòng)、建筑機(jī)械施工、強(qiáng)夯等較為常見(jiàn)的地表強(qiáng)沖擊荷載方面的研究較多，且大多集中在沖擊荷載下地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)方面，部分涉及到振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法。但總的來(lái)看，大部分的研究還停留在具體工程上，由此得到的結(jié)論缺乏一般性，包括安全施工距離和振動(dòng)評(píng)價(jià)閾值等，尤其是在振動(dòng)安全評(píng)價(jià)閾值上，仍存在較大的爭(zhēng)議。本文則期望在課題組前期已完成的部分工作基礎(chǔ)上[25]，對(duì)強(qiáng)地表沖擊荷載作用下地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法做一些有益的探討，使其具有可操作性。

1? 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

雖然國(guó)內(nèi)外目前已頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，但他們大多是對(duì)實(shí)際工作狀態(tài)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或做調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，不是通過(guò)較為嚴(yán)密的理論分析而得到的真正的容許振動(dòng)。在強(qiáng)地表沖擊荷載作用下，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及其破損機(jī)理的認(rèn)識(shí)更為膚淺，各國(guó)或各行業(yè)之間在振害的評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化方面尚存在較大的差異[26]。

1.1? 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前還沒(méi)有專門的關(guān)于地表強(qiáng)沖擊荷載對(duì)地下設(shè)施（管道、隧道、綜合管廊、地鐵車站等）影響評(píng)價(jià)的相關(guān)規(guī)范，評(píng)價(jià)時(shí)一般借用《爆破安全規(guī)程》（GB 6722―2014）[27]，采用振動(dòng)峰值速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示（限于篇幅，為部分節(jié)選）。

由表1可見(jiàn)，規(guī)定的振動(dòng)速度限值隨著振動(dòng)頻率的增加而增大，這是因?yàn)楦哳l振動(dòng)成分在介質(zhì)中衰減迅速，因此其影響程度逐漸降低。但《爆破安全規(guī)程》（GB 6722―2014）[27]是針對(duì)爆破荷載而確定的閾值，強(qiáng)地表沖擊荷載屬于非爆破振動(dòng)，二者在振動(dòng)特性，尤其是頻率特性上完全不同：沖擊荷載屬于低頻振動(dòng)，而爆破荷載屬于高頻振動(dòng)，因此借用爆破安全規(guī)程的合理性值得商榷。

中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202―2013）[1]以及地方標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（DJB/T 15?120―2017）[2]和《地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)巖石爆破施工技術(shù)規(guī)程》（DGJ 32/TJ 181―2015）[3]均規(guī)定城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全允許最大振速為2.5 cm/s，實(shí)際使用時(shí)考慮到城市軌道交通的重要性，一般取2.0 cm/s 或更低。但2.5 cm/s 的振動(dòng)速度閾值依然來(lái)自爆破安全規(guī)程，而且該數(shù)值的取值也比較經(jīng)驗(yàn)化。《地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)巖石爆破施工技術(shù)規(guī)程》（DGJ 32/TJ 181―2015）[3]條文說(shuō)明中明確指出，混凝土破壞的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度約為15 cm/s，但因地層條件有許多不確定因素，一般取安全系數(shù)為10來(lái)設(shè)定控制閾值，則振動(dòng)速度控制閾值建議為2～4 cm/s。

《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868―2013）[28]對(duì)評(píng)價(jià)交通振動(dòng)和建筑施工振動(dòng)（打樁、振沖、強(qiáng)夯）的影響給出了較為明確的要求，相應(yīng)的具體限值如表2所示。

由表2可見(jiàn)：

（1）該規(guī)范較為全面，囊括了交通振動(dòng)荷載、打樁和振沖荷載、強(qiáng)夯等，且以結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)量，考慮的頻率區(qū)間為1～100 Hz，同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)不同部位的影響：結(jié)構(gòu)頂層和基礎(chǔ)。

（2）相較于交通荷載，該規(guī)范對(duì)建筑施工振動(dòng)要求相對(duì)較低，特別是對(duì)強(qiáng)夯時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度限值提高了約2倍。其原因在于建筑施工是短時(shí)的強(qiáng)沖擊荷載，而交通荷載則屬于長(zhǎng)期的振動(dòng)荷載。

（3）強(qiáng)夯振動(dòng)為短時(shí)強(qiáng)沖擊荷載，且屬于低頻振動(dòng)，因此將頻率范圍由1～100 Hz 降低到1～50 Hz。

（4）相比較于《爆破安全規(guī)程》（GB 6722―2014）[27]，該規(guī)范對(duì)于交通荷載和施工荷載所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度限值小很多。

考慮到地表沖擊荷載的特點(diǎn)，人們便考慮沖擊荷載與機(jī)械荷載之間的關(guān)聯(lián)性，例如沖擊鉆孔、強(qiáng)夯等沖擊型振動(dòng)與落錘式機(jī)械運(yùn)動(dòng)較類似，提出按機(jī)械振動(dòng)相關(guān)規(guī)定作為施工沖擊振動(dòng)荷載影響的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。《機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB 50894―2013）[29]規(guī)定對(duì)“有紀(jì)念性的建筑和古建筑物振動(dòng)限值定位3～5 mm/s ”，該規(guī)定成了后續(xù)相關(guān)規(guī)范限值的依據(jù)，在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛，但未提及對(duì)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全的評(píng)價(jià)。

《樁基工程手冊(cè)》[30]中對(duì)于預(yù)制樁的錘擊和振動(dòng)沉樁施工給出了相關(guān)要求，認(rèn)為人體感受到振動(dòng)的速度約為0.12～0.16 mm/s，并規(guī)定地基土質(zhì)點(diǎn)的豎向振動(dòng)速度宜小于2 mm/s，水平向振動(dòng)速度宜小于10 mm/s，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的粉刷層開(kāi)裂與剝落。

此外，同為以低頻振動(dòng)為主的荷載激勵(lì)，強(qiáng)地表沖擊荷載與地震動(dòng)具有一定的相似性，兩者均基于結(jié)構(gòu)安全性考慮。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011―2010）規(guī)定6度及以上的地區(qū)結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，即低于6度（5度及以下）地區(qū)的結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。說(shuō)明此振動(dòng)水平不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成實(shí)質(zhì)性的破壞，故可以5度區(qū)的峰值速度作為振動(dòng)速度的閾值。根據(jù)《中國(guó)地震烈度表》（GB/T 17742―2020）的相關(guān)規(guī)定：5度區(qū)地表水平峰值速度為2～4 cm/s 。但考慮到強(qiáng)地表沖擊荷載與地震動(dòng)的振動(dòng)特性仍存在差距，該規(guī)定只給出了地表水平向振動(dòng)速度限值，因此該方法只能作為參考。

1.2? 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中 ISO 系列較為成熟，但該系列中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要是從結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)角度考慮，以加速度峰值或加速度級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此本節(jié)不以該規(guī)范作為研究的參考。應(yīng)用比較廣泛的是瑞士標(biāo)準(zhǔn)（SN 640312―1992）[31]，該標(biāo)準(zhǔn)考慮兩種不同的振源：機(jī)械、交通和施工設(shè)備（用M 表示）以及沖擊荷載（用 S 表示）。除此之外，歐洲、美國(guó)、加拿大等的標(biāo)準(zhǔn)也較為成熟，相關(guān)閾值列于表3中[10]。

由表3可見(jiàn)：

（1）歐洲規(guī)范和瑞士規(guī)范明確給出了針對(duì)地下設(shè)施或地下洞室與隧道的最大振動(dòng)速度限值，但歐洲規(guī)范沒(méi)有給出荷載頻率范圍，瑞士規(guī)范也只規(guī)定了10～30 Hz 的范圍，而沖擊荷載一般屬于低頻振動(dòng)，對(duì)低于10 Hz 的振動(dòng)沒(méi)有規(guī)定；

（2）德國(guó)規(guī)范雖然給出了較為細(xì)致的頻率分段，但沒(méi)有明確給出地下設(shè)施的振動(dòng)閾值；

（3）相較于國(guó)外規(guī)范，中國(guó)規(guī)范的要求更嚴(yán)苛。

2 地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法

由于本文重點(diǎn)在于振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法的研究，具體的計(jì)算方法可參考作者已完成的對(duì)數(shù)值方法驗(yàn)證的文獻(xiàn)[25]，這里僅給出關(guān)鍵信息。計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

計(jì)算條件：以一定質(zhì)量的剛性塊體從一定高度自由落體落下沖擊地表（C 點(diǎn)），監(jiān)測(cè)地表測(cè)點(diǎn) A（地下結(jié)構(gòu)正上方）、點(diǎn) B （對(duì)應(yīng)地下結(jié)構(gòu)邊墻），以及地下結(jié)構(gòu)頂板處點(diǎn) E 。

計(jì)算模型：

（1）計(jì)算范圍：計(jì)算寬度依據(jù)地下結(jié)構(gòu)的尺寸確定，一般取地下結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾鹊?倍，深度依據(jù)地質(zhì)資料取至基巖面。

（2）阻尼設(shè)置：土體阻尼采用經(jīng)典瑞利阻尼模型。

（3）計(jì)算參數(shù)：土體參數(shù)參見(jiàn)表4中四類土體參數(shù)，而結(jié)構(gòu)參數(shù)選取常見(jiàn) C30混凝土參數(shù)，即彈性模量為30 GPa，密度為2500 kg/m3，泊松比為0.3；土體采用摩爾庫(kù)倫模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

（4）網(wǎng)格劃分：采用梁?jiǎn)卧M結(jié)構(gòu)，平面單元?jiǎng)澐滞馏w，其中為使振動(dòng)波能在土體內(nèi)傳播，網(wǎng)格尺寸一般小于波長(zhǎng)的1/10。

（5）邊界條件：由于只考慮重力荷載，邊界條件為約束四個(gè)側(cè)面豎向自由度，模型底面設(shè)為固定邊界。

（6）計(jì)算步驟：具體的計(jì)算共分為三個(gè)分析步驟：第一步添加全局重力場(chǎng)并平衡地應(yīng)力；第二步進(jìn)行土體開(kāi)挖，放入地下結(jié)構(gòu)并設(shè)置地下結(jié)構(gòu)外表面與土體的“tie”接觸；第三步進(jìn)行 ABAQUS 隱式動(dòng)力分析，考慮沖擊塊的落下沖擊。

3 地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法

地下結(jié)構(gòu)在地表沖擊荷載作用下的振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法研究滯后于地表結(jié)構(gòu)。目前對(duì)于沖擊荷載的影響研究，主要集中于內(nèi)爆（內(nèi)部爆炸，恐怖襲擊）和外爆（人防荷載）等方面，而對(duì)于打樁、強(qiáng)夯、路面碾壓等強(qiáng)地表沖擊荷載的研究還略顯不足。

對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)非是從結(jié)構(gòu)受力和變形兩個(gè)方面入手。本文暫時(shí)主要針對(duì)地下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，由于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度很低，地下結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)沖擊荷載下的變形一般很小，地下混凝土結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變便成為結(jié)構(gòu)安全的控制因素。因此，本文擬通過(guò)地下混凝土結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度與相應(yīng)拉應(yīng)變關(guān)系，依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)變確定最大容許振動(dòng)速度。

考慮到地下結(jié)構(gòu)埋置于土體之中，地表沖擊荷載引起的振動(dòng)須通過(guò)土介質(zhì)的傳播才能到達(dá)地下結(jié)構(gòu)，因此土層條件也是一個(gè)至關(guān)重要的因素。據(jù)此，參照中國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范將場(chǎng)地土劃分為四類，四類土的計(jì)算參數(shù)如表4所示。

另外，考慮到某些特殊的地下結(jié)構(gòu)（如石油管道）不允許對(duì)其開(kāi)挖后埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而需要通過(guò)間接的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行安全性判斷，比如鄰近地表的振動(dòng)速度。

因此，本節(jié)從地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和地下結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)地表振動(dòng)速度兩方面，探討地下結(jié)構(gòu)在地表沖擊荷載下的安全判定依據(jù)。

3.1? 從地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出發(fā)

基于大量數(shù)值計(jì)算分析，得到每個(gè)工況下地下結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)速度與其最大應(yīng)變，對(duì)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，確定二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。然后將達(dá)到容許應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度作為振動(dòng)速度閾值。

本文定義標(biāo)準(zhǔn)工況，1 m3的混凝土塊從3 m 高處自由落下，沖擊點(diǎn)位置為距離車站的邊墻水平距離為10 m（C 點(diǎn)），車站埋深為3 m 。本文定義標(biāo)準(zhǔn)工況純粹是為了便于對(duì)比分析，因?yàn)槠渌r只是在標(biāo)準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上改變某單一參數(shù)。不同場(chǎng)地土類型、不同工況下的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

考慮到混凝土的拉應(yīng)變限值為一般為1.0～1.5×10?4，本文較為保守地取下限值1.0×10?4作為極限拉應(yīng)變，即認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)變大于該限值后，混凝土將會(huì)開(kāi)裂，這是不允許發(fā)生的。

由表5的后兩列可得如圖2所示關(guān)于振動(dòng)速度與最大拉應(yīng)變之間的擬合關(guān)系曲線。由圖2及表5可見(jiàn)：

（1）土層條件越好，一方面其阻尼越小，則振動(dòng)能量的耗散越少；另一方面，土體對(duì)地下結(jié)構(gòu)的約束越強(qiáng)，地下結(jié)構(gòu)的變形則較小。因此，土層條件越好，結(jié)構(gòu)的變形越小，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度越大。

（2）對(duì)四類土體進(jìn)行類似的回歸分析，取混凝土拉應(yīng)變?nèi)菰S值為1.0×10?4時(shí)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度，可得各類場(chǎng)地土條件下地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度限值：Ⅰ類場(chǎng)地土1.12 cm/s ，Ⅱ類場(chǎng)地土1.45 cm/s ，Ⅲ類場(chǎng)地土1.55 cm/s ，Ⅳ類場(chǎng)地土1.75 cm/s 。

（3）以上計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)小于目前《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202―2013）[1]中給出的限值2.5 cm/s 。由此可見(jiàn)，地表沖擊荷載對(duì)臨近地下結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，且不能套用爆破方面的限值。

3.2? 對(duì)應(yīng)地表土體振動(dòng)速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于地下結(jié)構(gòu)的隱蔽性以及功能特殊性，對(duì)于已經(jīng)建成的地下結(jié)構(gòu)，很難甚至不可能直接在結(jié)構(gòu)上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，只能采用間接方法。考慮到地下結(jié)構(gòu)受周圍土體束縛，振動(dòng)時(shí)地下結(jié)構(gòu)隨著土體一起振動(dòng)，二者在振動(dòng)速度上有一定的關(guān)聯(lián)性。因此，通過(guò)研究地下結(jié)構(gòu)上方地表土體的振動(dòng)速度與地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度之間的關(guān)系，從而能夠由地表振動(dòng)速度間接推算地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度，達(dá)到對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的目的。不同場(chǎng)地土及各工況下地下結(jié)構(gòu)頂板最大振動(dòng)速度與其正上方對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)最大振動(dòng)速度如表6所示，擬合分析得到的關(guān)系曲線如圖3所示。

由表6及圖3中擬合曲線可以看出，地下結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度與對(duì)應(yīng)地表土體的最大振動(dòng)速度有較好的線性關(guān)系，通過(guò)地表土體的振動(dòng)速度推斷地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度是可行的。四類場(chǎng)地土的擬合關(guān)系如下式所示：

Ⅰ類場(chǎng)地土：Vstructure =1.04Vsoil -0.20

Ⅱ類場(chǎng)地土：Vstructure =0.76Vsoil -0.04

Ⅲ類場(chǎng)地土：Vstructure =0.92Vsoil -0.83

Ⅳ類場(chǎng)地土：Vstructure =0.51Vsoil -0.08

利用上述第一種方法（基于強(qiáng)度的方法）確定的地下結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度值，代入公式（1）～（4），反算得到地下結(jié)構(gòu)正上方對(duì)應(yīng)地表振動(dòng)速度閾值分別為：1.21，2.32，2.51和3.59 cm/s 。由此可以看出：

（1）地表質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度一般大于一定埋深的地下點(diǎn)的振動(dòng)速度；

（2）隨場(chǎng)地土由軟到硬（類型由Ⅰ到Ⅳ），地表振動(dòng)速度閾值不斷提高。

3.3? 建議的評(píng)價(jià)方法

對(duì)于工程預(yù)評(píng)估和理論分析，可直接利用上述第一種方法中確定的不同類型場(chǎng)地土中地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度閾值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)于一些實(shí)際工程的評(píng)價(jià)，如果無(wú)法和不易直接獲取地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度，可監(jiān)測(cè)得到地下結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行振動(dòng)安全評(píng)價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在總結(jié)歸納國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)地表沖擊荷載作用下地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)安全評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行了探討，得到如下主要結(jié)論：

（1）目前的國(guó)內(nèi)外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)基本上選用振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，但在閾值上存在較大差異，且基本上參照爆破規(guī)范，不盡合理。

（2）場(chǎng)地土類別直接決定了地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)閾值，根據(jù)地下結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變峰值關(guān)系曲線，確定了四種場(chǎng)地土中地下結(jié)構(gòu)的最大振動(dòng)速度閾值：Ⅰ類場(chǎng)地土1.12 cm/s，Ⅱ類場(chǎng)地土1.45 cm/s，Ⅲ類場(chǎng)地土1.55 cm/s，Ⅳ類場(chǎng)地土1.75 cm/s。

（3）地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度與對(duì)應(yīng)地表振動(dòng)速度線性相關(guān)，對(duì)于不方便獲取地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度的工程，可以用對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)最大振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全的閾值：Ⅰ類場(chǎng)地土1.12 cm/s，Ⅱ類場(chǎng)地土2.32 cm/s，Ⅲ類場(chǎng)地土2.51 cm/s，Ⅳ類場(chǎng)地土3.59 cm/s 。該方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。

本文雖然基于大量的計(jì)算分析建議了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法，但本文的研究也存在一些不足，如本文的標(biāo)題直接限定為地下混凝土結(jié)構(gòu)，主要是考慮混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度是其控制指標(biāo)，而目前大多石油管道等特殊地下設(shè)施是鋼或其他材料，其振動(dòng)安全評(píng)價(jià)閾值尚需進(jìn)一步探討。另外，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)形狀（圓形、方形、不規(guī)則）以及管道中如有內(nèi)壓或流體等因素，也未考慮在內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ/T 202―2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

Ministry? of Housing? and? Urban?Rural? Development? of the People′s Republic of China .Technical code for safety protection of urban rail transit structures：CJJ/T 202―2013[S]. Beijing：China Building Industry Press，2013.

[2] 廣州地鐵集團(tuán)有限公司.城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范：DBJ/T 15?120―2017[S].北京：中國(guó)城市出版社，2017.

Guangzhou? Metro? Group? Co . Ltd .. Technical? specifica? tion? for? protection? of? existing? structures? of? urban? rail transit：DBJ/T 15?120―2017[S]. Beijing：China City Press，2017.

[3] 南京市城市建設(shè)投資控股（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，南京市地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司.地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)巖石爆破施工技術(shù)規(guī)程：DGJ32/TJ 181―2015[S].南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

Nanjing Urban Construction Investment Holding（Group） Co，Ltd .，Nanjing Metro Construction Co，Ltd .. Technical regulations for rock blasting construction in metro protec? tion? area：DGJ32/TJ 181―2015[S]. Nanjing：Jiangsu Phoenix Science and Technology Press，2015.

[4] 李怡聞，周健.土?結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析打樁引起相鄰隧道振動(dòng)[ J ].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（1）：60?65.

Li Yiwen，Zhou? Jian . Analysis? of tunnel vibration due to? pile? driving? under? soil?structure? dynamic? interaction [ J ]. Chinese? Journal? of? Geotechnical? Engineering，2007，29（1）：60?65.

[5] 佘艷華，蘇華友.橋梁樁基施工振動(dòng)對(duì)鄰近埋地管道影響試驗(yàn)研究[ J ].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，33（2）：35?39.

She Yanhua，SuHuayou . Influence of bridge pile? con? struction vibration on adjacent buried pipeline[ J ]. Jour? nal? of? Chongqing? Jiaotong? University （Natural? Sci? ence），2014，33（2）：35?39.

[6] 張龍，諸裕良.近海工程沉樁振動(dòng)對(duì)鄰近埋地管道影響的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[ J ].江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，14（1）：97?102.

Zhang Long，Zhu Yuliang . Numerical simulation and field monitoring of offshore engineering pile driving vibration on adjacent buried pipeline[J]. Journal of Jiangnan Univer? sity（Natural Science Edition），2015，14（1）：97?102.

[7] 尹洪樺，尹洪冉，胡明華，等.鋼管樁施工對(duì)鄰近既有隧道的動(dòng)力響應(yīng)分析[ J ].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，29（1）：76?81.

Yin Honghua，Yin Hongran，Hu Minghua，et al . Anal? ysis of dynamic response of steel pipe piles constructionon adjacent existing tunnel[ J ]. Journal of Sichuan Uni? versity of Science & Engineering （Natural Science Edi? tion），2016，29（1）：76?81.

[8] 宋春生，李鵬飛，蒲傳金.沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)埋地管道的安全判據(jù)探討[ J ].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，5（1）：40?42.

Song Chunsheng，Li Pengfei，Pu Chuanjin . Safety criteri? on of percussive borehole vibration to buried pipeline[J]. Natural Gas Technology and Economy，2011，5（1）：40?42.

[9]? SouvannalaSaylom .沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)鄰近埋地綜合管廊的影響分析[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，26（1）：12?16.

SouvannalaSaylom . Analysis? of? influence? of? vibration on the impact of drilling the adjacent buried pipe gallery [ J ]. Journal of Lanzhou Institute of Technology，2019，26（1）：12?16.

[10] Hamidi A，Rooz A F H，Pourjenabi M . Allowable dis ?tance from impact pile driving to prevent structural dam ? age considering limits in different standards[ J ]. Practice Periodical? on? Structural? Design? and? Construction，2018，23（1）：04107029.

[11]龍?jiān)矗瑠浣ㄎ洌烊姡?爆破拆除煙囪時(shí)地下管道對(duì)煙囪觸地沖擊振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)[ J ].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，1（2）：38?42．

Long Yuan，Lou Jianwu，Xu Quanjun，et al . Subterra ? nean? pipeline’s? dynamic? response? to? ground? shock caused by demolished chimney[ J ]. Journal of PLA Uni? versity of Science and Technology，2000，1（2）：38?42.

[12]王敏，龍?jiān)矗娒鲏郏?爆破拆除塌落振動(dòng)對(duì)淺埋金屬管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相似性研究[ J ].爆破，2018，35（3）：147?153.

Wang Min，Long Yuan，Zhong Mingshou，et al . Simi? larity study of dynamic response of shallow buried metal pipeline by building vibration in blasting demolition[ J ]. Blasting，2018，35（3）：147?153.

[13]鐘明壽，龍?jiān)矗瑒⒂埃?城市高架橋塌落沖擊地鐵隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及防護(hù)技術(shù)[ J ].振動(dòng)與沖擊，2017，36（16）：11?17.

Zhong Mingshou，Long Yuan，Liu Ying，et al . Dynam ? ic response and protection technology research on metro tunnels under collapse vibration of city viaduct[ J ]. Jour? nal of Vibration and Shock，2017，36（16）：11?17.

[14]黃棟，趙宇，陳宇龍，等.云頂風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)倒塌對(duì)埋地管道的沖擊影響[J ].振動(dòng)與沖擊，2018，37（8）：125?131.

Huang Dong，Zhao Yu，Chen Yulong，et al . Impact of wind turbine collapse in Yunding wind power station on buried? pipeline [ J ]. Journal? of? Vibration? and? Shock，2018，37（8）：125?131.

[15]熊健，鄧清祿，張宏亮，等.崩塌落石沖擊荷載作用下埋地管道的安全評(píng)價(jià)[ J ].安全與環(huán)境工程，2013，20（1）：108?114.

Xiong? Jian ， Deng? Qinglu， Zhang? Hongliang， et? al .Safety? assessment? on? the? response? of? buried? pipeline caused by rockfall impact load[ J ]. Safety and Environ? mental Engineering，2013，20（1）：108?114.

[16] Baziar M H，Moghadam M R，Kim D S，et al . Effectof underground tunnel on the ground surface acceleration [ J ]. Tunnelling & Underground? Space? Technology，2014，44（3）：10?22.

[17] Yang L，Li S M，Chen D H，et al . Impact dynamics analy?sis of shed tunnel structure hit by collapse rock?fall[J]. Ap? plied Mechanics and Materials，2011，99?100：1023?1026.

[18]黃小武，謝先啟，鐘冬望，等.塌落觸地振動(dòng)對(duì)地鐵管片結(jié)構(gòu)的影響研究[ J ].爆破，2016，33（4）：135?139.

Huang X W，Xie X Q，Zhong D W，et al . Study on in? fluence? of impact? vibration? on? subway? segments? struc? ture[ J ]. Blasting，2016，33（4）：135?139.

[19]李萍，張雅莉，念騰飛，等.碎石化施工對(duì)鄰近地下管道的振動(dòng)影響[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42（4）：134?138.

Li Ping，Zhang Yali，Nian Tengfei，et al . Influence of rock?crushing during pavement construction on vibration of adjacent buried pipelines[ J ]. Journal of Lanzhou Uni? versity of Technology，2016，42（4）：134?138.

[20]李輝山，劉漢青，郝虎.破碎壓實(shí)技術(shù)對(duì)城鎮(zhèn)道路地下管道的振動(dòng)影響與安全評(píng)價(jià)[ J ].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2019，9（3）：31?36.

Li Huishan，Liu Hanqing，Hao Hu . Vibration influence and security evaluation on buried pipeline of urban road for? adopting? breaking? and? impacting? technology [ J ]. Journal of Transportation Engineering and Information，2019，9（3）：31?36.

[21] Svinkin M R . Tolerable limits of construction vibrations[ J ]. Practice Periodical on? Structural Design? and? Con? struction，2015，20（2）：04014028.

[22]趙師平，曾祥國(guó)，姚安林，等.第三方載荷作用下埋地輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬[ J ].四川建筑科學(xué)研究，2009，35（1）：134?139.

Zhao? Shiping，Zeng? Xiangguo，Yao? Anlin ，et? al . Dy? namic response numerical simulation of buried gas pipe? line during third?partyinterference[ J ]. Sichuan Building Science，2009，35（1）：134?139.

[23]韓傳軍，張瀚，張杰，等.地表夯擊載荷作用下埋地管道力學(xué)分析[ J ].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11（10）：61?67.

Han Chuanjun，Zhang Han，Zhang Jie，et al . Mechani? cal? analysis? on? buried? pipeline? under? effect? of? surface tamping? impact load[ J ]. Journal of Safety? Science? and Technology，2015，11（10）：61?67.

[24]董飛飛，張東山，田江平，等.沖擊載荷作用下埋地長(zhǎng)輸管道動(dòng)力響應(yīng)研究[J].石油機(jī)械，2020，48（1）：132?141.

Dong? Feifei，Zhang? Dongshan，Tian? Jiangping，et? al . Study on dynamic response of buried long distance pipe? line under impact load[ J ]. China Petroleum Machinery，2020，48（1）：132?141.

[25]王國(guó)波，殷耀，謝偉平，等.坍塌觸地沖擊荷載作用下地鐵車站動(dòng)力響應(yīng)分析及其安全性評(píng)價(jià)[ J ].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2021，34（2）：338?346.

Wang? Guobo，Yin? Yao ，XieWeiping， et? al . Safety evaluation and dynamic response analysis of subway sta? tion? under? touchdown? impact[ J ]. Journal? of Vibration Engineering，2021，34（2）：338?346.

[26]徐建.建筑振動(dòng)工程手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

Xu? Jian . Construction? Vibration? Engineering? Manual [M].2nd ed . Beijing：China Building Industry Press，2016.

[27]汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破安全規(guī)程：GB 6722―2014[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

Wang X G，Zheng B X，Zhang Z Z，et al . Safety regula? tion? for blasting ：GB 6722―2014[S]. Beijing ：China Standards Press，2015.

[28] 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：GB50868―2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.???? China Machinery Industry Federation . Permissible vibra ? tion standard for construction engineering：GB 50868―2013[S]. Beijing：China Planning Press，2013.

[29]張軍鋒，高洪瀾，蘇建華，等.機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50894―2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

Zhang J F，Gao H L，Su J H，et al .Code for environmen ? tal protection design? of machinery? industry：GB 50894―2013[S]. Beijing：China Planning Press，2013.

[30]龔曉南.樁基工程手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

Gong? Xiaonan . Pile? Foundation? Engineering? Manual [M].2nd ed . Beijing：China Building Industry Press，2016.

[31] Swiss? Association? for? Standardization （SNV）. Swissstandard? for? vibration? in? buildings ：SN 640312―1992[S]. Switzerland：Swiss? Association? for? Standardiza ?tion，1992.

Safety evaluation method for vibration of rectangular underground concrete structure under strong surface impact load

WANG Guo?bo1，YIN Yao1，CEN Xin?xin1，XIE Wei?ping2，JI Shan2，QIE Jia?lin3

（1.College of Civil Engineering and Architecture，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China；

2.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；

3.China Construction Third Engineering Bureau Group South China Co .Ltd .，Guangzhou 510600，China）

Abstract： Concrete underground structure is widely used in engineering practice，but its vibration safety evaluation method under surface strong impact load needs to be improved . The existing vibration safety evaluation methods at home and abroad are summa? rized in the paper . The parameter analysis of key influencing factors，including the volume，height，number，location of the impact block，and the form and depth of the underground structure，is carried out based on the existing numerical methods . A simple and practical vibration safety evaluation method for rectangular concrete underground structures under different site types is proposed . The results show that the evaluation indexes of vibration safety of underground structures in different codes are quite different，and most of them lack theoretical basis because they are based on blasting engineering or some statistical data . The site soil type has a significant impact on the vibration safety of underground structures . Therefore，the corresponding vibration safety threshold of the underground structure must be recommended according to the site soil type . The vibration velocity of underground structure has a good linear relationship with the vibration velocity of corresponding surface points . Therefore，when it is not easy to obtain the vi? bration velocity of underground structure，the vibration velocity of corresponding surface points can be used for safety evaluation .

Key words ： underground structure；impact load；vibration velocity；safety evaluation

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)波（1979―），男，博士，教授。E ?mail：wgb 16790604@126.com。

通訊作者：謝偉平（1965―），男，博士，教授。E ?mail：wpxie@sina .com。