山嶺隧道爆破振動對鄰近建筑物影響研究

敖翔 ,徐志豪 ,劉寬,沈俊,包小華,湯淵,王興興

(1.廣東長正建設有限公司,廣東 珠海市 519000;2.深圳大學交通與土木工程學院,廣東 深圳市 518061;3.上海隧道工程有限公司,上海 200032)

0 引言

我國是人口大國,城市交通擁堵形勢嚴峻,修建城市快速路逐漸成為解決該問題的有效途徑。一些大城市地下開發方興未艾,地下快速路、地鐵及地下空間的設計、施工難度變得越來越大。珠海市位于珠三角地區,是粵、港、澳大灣區中心城市,興業快線項目是珠海市銜接“粵港澳大灣區”的重要組成部分。但是該項目在掘進過程中遇到大量的堅硬巖層,使掘進出現一定的困難。對于堅硬巖層的開挖,爆破掘進是一種高效且經濟的方式[1]。但是在爆破掘進的過程中,炸藥爆炸會產生爆破振動,有可能對鄰近隧道的建筑物造成一定的危害[2-4],使建筑物出現開裂,更嚴重時會導致建筑物失穩坍塌。

近年來爆破振動對于建筑物的動力響應研究逐漸成為熱點課題,許多學者進行了相關研究。高富強等[5]使用數值模擬對4層的建筑物進行研究,分別選取不同的爆破振動振速以及主頻,發現振動的增加會增大結構產生的振速和位移,而地震波主頻如果與結構自身頻率相似,會使建筑物產生的振幅變大。高騰飛等[6]使用數值模擬軟件對礦山爆破下的多層建筑物進行模擬分析,發現隨著樓層的不斷增高,質點最大振動速度和位移都在不斷增加,在頂層達到峰值。劉趕平[7]采用現場監測與數值模擬相結合的方法,研究了隧道爆破振動的速度響應特性,并建立了主洞和斜井圍巖的爆破振動速度預測模型。田力等[8]對隧道爆破下具有筏板基礎、地下室的框架以及框剪結構所受到的動力響應進行了研究。魏海霞等[9]對多點布測得到的數據進行分析,同時采用多分辨小波分析的方法,對結構物的動力響應進行了研究。

目前在爆破振動對建筑物的動力響應方面,主要研究的是單次爆破振動的影響,但是在實際爆破過程中,建筑物可能會遭受頻繁爆破的影響。在興業快線項目中,爆破需對巖體進行多次開挖,在鄰近建筑物上產生了多次爆破的影響,出現了一定裂損。本文通過對廠房進行數值建模,建立廠房的數值模型,對多次爆破過程中混凝土材料的衰弱程度進行判斷,研究多次爆破對廠房的具體影響,為其余存在頻繁爆破施工的鄰近建筑物影響分析提供參考。

1 頻繁爆破損傷分析

在山嶺隧道的爆破工程中,爆破對于結構的破壞主要有3個方面:

(1)爆破振動使結構物所在的地區出現滑坡、地裂等較大地面變形,使結構直接出現較大變形,產生破壞;

(2)爆破地震波使場地出現沙土液化等,使地基承載力下降甚至失效,導致結構出現破壞;

(3)爆破地震波由于多次爆破,使結構頻繁振動,容易出現低周疲勞作用,致使結構出現破壞。

在興業快線項目施工過程中,一直對爆破振動進行監測,監測結果均符合安全振速,但是在鄰近的廠房依舊出現了開裂的情況,因此本次主要研究上述結構破壞中的第3種結構損傷。

在第3種結構損傷中,建筑物的破壞形式主要有兩種[10]:一是首次超越破壞,即爆破地震波對結構產生的應力或者位移超過結構的承受能力,直接發生破壞,出現較少;二是建筑物的疲勞損傷破壞,即建筑物受到爆破振動而產生的動力響應較小,爆破振級較低,但是由于爆破振動次數的累積,使建筑物的材料性能下降,最終使結構出現損傷。

由于爆破振動次數的增加,混凝土材料內部會發生一定的損傷,在數值模擬中,最能體現其變形的為彈性模量和泊松比2 個參數。根據已有研究文獻[11-16],總結了計算混凝土受到多次振動后的彈性模量和泊松比,主要分為以下幾個步驟:

(1)確定疲勞的極限次數Nf

Nf可以通過初始彈性模量E0求出:

式中,E0為初始彈性模量,×104MPa;

(2)求解系數Smax:

(3)得出受到N次振動荷載之后構件的彈性模量E和泊松比v。可由下式確定:

式中,E,v為爆破荷載加載N次之后的彈性模量和泊松比,E0和v0為初始的彈性模量和泊松比。

圖1為混凝土遭受0～20 000次振動后彈性模量以及泊松比的變化曲線。由圖1可知,振動次數變多,會導致混凝土的彈性模量變小;振動次數變多,會導致泊松比出現先增加、后減小、再增加的情況,整體呈現上升趨勢。以上可以表明混凝土在振動多次后確實會出現損傷,導致混凝土強度出現一定的軟化。

圖1 彈性模量和泊松比隨著振動次數的變化曲線

由于數值模擬中,無法進行模塊累加功能,即不能在上一次施加爆破振動的基礎上再次施加爆破振動,所以我們選擇計算結構在多次爆破振動后的泊松比和彈性模量,然后再根據計算得出的結果對模型的泊松比和彈性模量進行更改,以此來實現頻繁爆破對結構的損傷模擬。

2 頻繁爆破數值模擬

2.1 數值模型

本次研究根據隧道洞口一個廠房來進行數值建模,該廠房整體尺寸為15 m×30 m×5 m,短邊一跨為3 m,長邊一跨為5 m,整體以鋼筋混凝土柱梁作為支撐,其余地方以砌體來補充,是一個簡單的磚混結構廠房,在廠房中間也有一排鋼筋混凝土柱作為支撐。頂棚使用桁架結構,以及鍍鋅鐵板,在建模中均有表現。其中砌體墻厚度為240 mm,鋼筋混凝土柱尺寸為360 mm×360 mm,每跨均有窗洞,窗洞尺寸為2 m×1.5 m。模型示意如圖2所示。

圖2 模型示意

為了簡化建模的計算量,在本次模擬中均有如下假設:

(1)砌體和混凝土視為各向同性;

(2)僅考慮地面以上部分,不對地基等進行建模;

(3)砌體與混凝土使用固結接觸,不發生錯動;

(4)當受到較大壓力或者達到失效應變后會退出工作。

使用有限元軟件LS-DYNA 進行建模分析,使用m-kg-s單位制,運用SOLID164八節點單元作為混凝土以及砌體結構的組成,而鋼桁架則使用beam單元,鍍鋅鐵板使用shell板單元。各結構之間使用共節點方式進行耦合,保證各單位的連接。

2.2 材料模型及參數

砌體是砂漿和砌塊組成的復合材料,如果將兩者分開建模,離散性過大,并且嚴重增加了計算時長,因此在本次模擬中將砌體作為各向同性的材料來進行建模。為了建模的簡便,將混凝土也視為各向同性的材料來進行建模,因此使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模型,該模型能夠很好地表現出材料的彈塑性應變。由于混凝土或者砌體在振動中會出現開裂的可能,因此我們添加*MAT_ADD_EROSION 關鍵字來定義材料的失效應變以及失效應力值,當材料達到任意狀態時便認為材料失效,即建筑物出現裂縫,將該單元刪除后繼續進行運算。其中鐵皮以及鋼桁架為鋼鐵材料,材料參數見表1。

表1 材料參數

首先計算出不同振動次數下混凝土的彈性模量和泊松比,再施加爆破振動數據,研究建筑物的振動規律。由于爆破次數平均在每月60次左右,選取爆破次數為0次、500次、1000次、2000次來進行模擬,根據振動的頻次來改變材料模型的彈性模量和泊松比。但是沒有較好的方式估計砌體遭受多次爆破振動的影響,因此先不考慮砌體彈性模量以及泊松比的變化。混凝土彈性模量以及泊松比數據見表2。

表2 混凝土彈性模量以及泊松比變化

2.3 模型激勵施加

為了研究多次爆破振動對該廠房產生的影響,使用TC-4800爆破測振儀對廠房地表進行爆破振動監測,并對監測數據進行收集。為了計算的簡便,本文建立了單層廠房的有限元模型,然后對底部節點施加激勵,給予底層節點相應的振動速度,以此來研究爆破振動對廠房結構的動力響應。

將現場監測得到的三向爆破振動速度作為激勵荷載施加到模型的底面節點,然后研究其對不同程度損傷廠房造成的影響。表3為現場監測得到的爆破振動的峰值速度。模型加載時間為1 s。

表3 單次監測數據

3 砌體及混凝土結構動力分析

由于廠房的鋼結構桁架、鍍鋅鐵皮受爆破振動的影響較小,在具體爆破中也未出現問題,因此在后期的處理中不研究兩者結構動力響應,主要選取混凝土及砌體在結構中的表現。本工程在爆破振速規范的情況下進行爆破,但是仍舊出現了現場廠房砌體較大規模開裂的問題,因此,將模型中的砌體作為主要的研究對象。在建模時對砌體的損傷參數進行了定義,包括失效應變以及失效應力,因此提取結果中的結構位移變化圖和應力變化圖來進行分析研究。

3.1 砌體結構動力影響分析

3.1.1 砌體的爆破振動位移響應分析

如圖3所示,x方向位移在大門側以及門對側出現的位移量最大,其中在靠近門窗的部位位移量較大。在振動0 次、500 次、1000 次、2000 次后,x方向最大位移分別為0.712 mm、0.7935 mm、0.8163 mm、0.9668 mm。

圖3 砌體x 方向的位移云圖

如圖4所示,y方向位移在跨度較大的一側出現的位移量最大,大位移主要集中在窗戶部位。在振動0次、500次、1000次、2000次后,y方向最大位移分別為1.007 mm、1.062 mm、1.104 mm、1.297 mm。

圖4 砌體y 方向的位移云圖

如圖5所示,z方向位移也在跨度較大的一側出現的位移量最大,大位移主要集中在梁周圍的砌體結構。在振動次0 次、500 次、1000 次、2000 次后,z方向最大位移分別為0.5846 mm、0.6070 mm、0.6270 mm、0.6680 mm。

圖5 砌體z 方向的位移云圖

由此可知,振動次數的增加會使3個方向的最大位移變大。其中y方向位移值最大,z方向位移值較小。因為y方向為廠房跨度較大一側的墻體,且y方向的峰值振動速度最大。由于混凝土彈性模量減小,泊松比增大,其堅固程度降低,從而導致砌體在各方向受到的約束力減小,振動產生的位移便隨著振動次數的增加而不斷增大。從各位移圖中可以看出,隨著位移增大,砌體結構會出現破壞的情況。

3.1.2 砌體的爆破振動應力響應分析

圖6為砌體在爆破振動中產生的應力圖,在本次模擬中,振動為0次、500次、1000次、2000次時,受到的最大應力分別為10 270 Pa、11 520Pa、12 120 Pa、14 080 Pa。

圖6 砌體應力云圖

由此可知,砌體隨著振動次數的增加,所受的最大應力逐漸增大,其中較大應力主要集中在窗角位置,產生了應力集中現象。從圖6中可以看出,在振動次數500次時砌體已經出現一定的破壞,大部分在窗角的位置。而振動次數增加到2000次時,破壞的程度增大,沿著窗角橫向以及斜向均產生較大裂縫。但是最大的應力值并沒有達到設置的失效應力,顯然是由于振動使砌體結構內部產生變形,導致單元失效變形。研究表明,窗角以及洞口處的應力集中現象會導致其應力增加,開裂風險要遠遠大于其他部位。

圖7為該廠房在2000次振動后砌體的開裂情況。由圖7可以看出,砌體在0.9 s時還未出現開裂情況,在0.95 s時在窗角形成裂縫,到0.99 s裂縫逐漸延伸增大。從出現裂縫開始到振動結束,裂縫都是沿著窗角橫向發展或者與地面成45°角發展,且隨著振動時間的延長,裂縫逐漸展開。但是在混凝土柱和梁周圍的砌體結構并沒有產生較多破壞,原因是混凝土更加堅固,能夠更好地抵抗變形,保護砌體。

圖7 模型各時間開裂現象

由以上分析可知,爆破次數的增加會使建筑物的承重結構性能逐漸下降,即使建筑物處于原本可以承受的振速情況下,也是有可能發生開裂等現象。

3.2 混凝土結構動力響應分析

3.2.1 混凝土的位移響應分析

如圖8所示,x方向位移與砌體相同,在大門側以及門對側出現的位移量最大。在振動0 次、500次、1000次、2000 次后,x方向的最大位移分別為0.4933 mm、0.5264 mm、0.5760 mm、0.5989 mm。

圖8 混凝土x 方向位移云圖

如圖9所示,y方向位移在跨度較大的一側出現的位移量最大,最大位移主要集中在橫梁。在振動0次、500次、1000次、2000次后,y方向最大位移分別為0.7896 mm、0.8396 mm、0.8793 mm、0.9265 mm。

圖9 混凝土y 方向位移云圖

如圖10所示,z方向位移在跨度較大的一側出現的位移量最大,最大位移依舊主要集中在橫梁。在振動0 次、500 次、1000 次、2000 次后,z方向最大位移分別為0.5689 mm、0.5846 mm、0.6003 mm、0.6428 mm。

圖10 混凝土z 方向位移云圖

由圖8至圖10可知,隨著振動次數的增加,混凝土產生的位移也在不斷增加,原因是混凝土的彈性模量變小,混凝土出現“軟化”,抵抗變形的能力變弱,爆破振動次數增加時會產生更大的位移。但是相比起砌體結構,混凝土在3個方向產生的位移相對較少,在模擬中表現得也更為穩固,并未出現開裂等現象。究其原因,主要是混凝土的強度要比砌體高很多,即便出現“軟化”后,其承載力仍舊遠高于砌體。

3.2.2 混凝土的應力響應

由圖11可知,該廠房的混凝土結構的應力最大值均出現在梁柱交接以及柱底的部位,在振動0次、500次、1000次、2000次后,混凝土結構的最大應力分別為33 790 Pa、38 130 Pa、41 200 Pa、45 880 Pa。

圖11 混凝土應力云圖

由此可知,當振動次數增加時,混凝土受到的最大應力會不斷增加。由于彈性模量和泊松比的改變,混凝土內部結構發生變化,產生更大的應力釋放,導致應力增大。但是該應力遠遠達不到破壞混凝土的程度,并且計算結束后混凝土并未破損,說明混凝土較為安全,實際廠房也并未出現混凝土開裂現象。混凝土受到的應力遠大于砌體受到的應力,說明混凝土對于抵抗爆破振動造成的影響具有重要作用。

4 廠房爆破振動判據

由于振動模擬是根據現場實際輸入的三向振速實現的,現將三向振速分離開,并將幅值以及頻率調整到相同程度來探究各個方向振速對建筑物的影響。在模擬中采用的是開裂刪除單元的方法,因此,通過計算開裂前以及開裂后的單元數目來對砌體的損傷程度進行判斷。選取本次爆破振動中y方向的振速曲線進行施加,分別對建筑物底層節點的x、y、z方向施加振速,同時約束底層節點另外兩個方向上的位移。為探究導致建筑物出現開裂的主要振速,選取上文中建筑物振動次數為2000次的材料參數,能夠更清晰地表征出建筑物的開裂狀況。

當僅輸入x方向振速時,砌體在計算前的單元總數為69 289個,在計算后為68 009個,因此可以計算出整個模型被刪除了1280個單元,主要開裂區域為窗角部位,且為應力集中區域。僅輸入y、z方向振速時砌體單元并未受到損傷。

由以上3種情況的模擬分析可知,爆破振動對于該廠房的主要損傷是由x方向造成的,其造成主要開裂的原因是力效應,即地面節點的地震力與上部結構節點的水平慣性力相反,再加上多次反復振動后使其在窗角等處發生變形,出現開裂。而開裂的地方主要出現在跨度較大的一側,同時承受著x方向的振速,如圖12所示。x方向對廠房影響較大的原因主要是該廠房在x方向的跨度比較大,并且具有較多的窗洞,較大的跨度使砌體能夠累積更高強度的應力,而較多窗洞給了砌體更大的變形空間,因此在x方向上造成較多的損傷。但是在y方向,跨度比較小的同時窗洞也較小,不易造成損傷。z方向為豎向振動,低層建筑對于豎向荷載的抵抗力較強,并不易發生破壞。因此對于這種大跨度建筑物,其振動控制措施應該著重考慮影響大跨度以及脆弱部位的振動速度。

圖12 廠房開裂原理

由此可以得出結論,對該廠房造成破壞的主要原因為x方向的振速,因此要對廠房的損傷進行控制,限制x方向振速。由于爆破源在建筑物的水平方向,水平方向振速較大,因此可以考慮將其作為安全振動速度。

為了確定建筑物的安全振速,分別在振動為0次、500次、1000次、2000次的模型上施加不同幅值的x方向振速,通過單元數目的減少來確定其安全性。由于數值計算所用模型較多,因此選取較有代表性的幾個分析結果,相鄰兩種情況的數值差距均較小。

由表4可知,能夠使廠房保持安全的振速隨著振動次數的增加在不斷減小。振動次數為0時的安全振速為0.749 cm/s,振動次數為500次時的安全振速為0.531 cm/s,振動次數為1000次時的安全振速為0.525 cm/s,振動次數為2000次時的安全振速為0.516 cm/s。該安全振速是由最危險的x方向振速計算而來,因此若建筑物的振速不超過該振速,則建筑物能夠最大程度上保證安全。此外,當建筑物遭受較多次數的振動時,其安全振動速度也會隨著材料性能的衰減而逐漸下降,因此在進行建筑物的安全振動判據確定時,應將爆破振動次數對于建筑物的損傷考慮進去。

5 結論

本文通過數值模擬方法對山嶺隧道鄰近建筑物的損傷進行分析,得到以下主要結論。

(1)隨著振動次數的增加,混凝土會出現“軟化”現象,其彈性模量和泊松比會發生變化,產生的位移量和受到的應力值都會增大。

(2)砌體結構在受到多次爆破振動后,產生的位移量和受到的應力值也會增大,最終發生損傷破壞,其表現與實際情況相似,裂縫的展開主要是沿著窗角橫向或者成45°角斜向發展,并隨著時間的增長而逐漸增大。裂縫主要出現在建筑物跨度較大、窗洞偏多的一側。

(3)建筑物所能承受的最大振速也會隨著振動次數的增加而降低,在實際工程中應將多次爆破振動對建筑物的影響進行考慮,合理制定安全振動判據。