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)

鐘明壽， 龍 源， 劉 影， 路 亮， 劉健峰， 紀(jì) 沖

(1. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007； 2. 中國人民解放軍72351部隊(duì)，山東 萊蕪 271109)

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)

鐘明壽1， 龍 源1， 劉 影1， 路 亮2， 劉健峰1， 紀(jì) 沖1

(1. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007； 2. 中國人民解放軍72351部隊(duì)，山東 萊蕪 271109)

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)城市高架橋塌落振動(dòng)及其對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了適于描述橋體塌落沖擊作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的三維有限元計(jì)算模型。通過比較有、無防護(hù)條件下橋體塌落沖擊隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)過程，得到了不同工況下典型質(zhì)點(diǎn)單元三向振動(dòng)速度及應(yīng)力時(shí)程曲線變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，與無防護(hù)措施條件下橋體塌落沖擊隧道結(jié)構(gòu)相比，以“鋼板-橡膠輪胎”為主要形式的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)使隧道所受的振動(dòng)速度、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值分別下降了98.7%、95.6%及94.4%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性，隧道結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)速度低于地鐵管理部門提出的安全閾值要求，綜合防護(hù)體系設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。

高架橋；塌落沖擊；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；防護(hù)；數(shù)值模擬

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及城鎮(zhèn)現(xiàn)代化改造步伐的加快，拆除爆破技術(shù)以其施工周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度低及經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)在市政改建、擴(kuò)建工程的應(yīng)用越來越廣泛[1]。然而，由于城鎮(zhèn)地域空間相對(duì)狹小，拆除爆破在得到應(yīng)用的同時(shí)也不可避免地帶來一系列的負(fù)面效應(yīng)，其中爆破地震效應(yīng)被公認(rèn)為這些破壞作用的公害之首[2]，按產(chǎn)生機(jī)理其又可分為裝藥爆炸產(chǎn)生的爆破振動(dòng)[3-4]及建(構(gòu))筑物觸地瞬間引起的塌落振動(dòng)兩部分。大量工程實(shí)踐表明，由于拆除爆破裝藥分布于建(構(gòu))筑物的各個(gè)支撐部位，空間分散，且各裝藥采用微差間隔技術(shù)控制起爆，使得爆破振動(dòng)的危害性相對(duì)較??；而失去穩(wěn)定的大體積、高重量拆除結(jié)構(gòu)在觸底瞬間將產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊地壓，并以應(yīng)力波的形式向外傳播；相關(guān)資料表明，塌落振動(dòng)的主振頻率與建(構(gòu))筑物的固有頻率相當(dāng)，且振幅較大、持續(xù)時(shí)間較長[5-7]。因此，與爆破振動(dòng)相比，拆除爆破塌落振動(dòng)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物及設(shè)施安全的影響將更大[8]，尤其當(dāng)爆區(qū)附近建(構(gòu))筑物較多、地下管線密布時(shí)，塌落振動(dòng)極易對(duì)這些目標(biāo)構(gòu)成威脅。

近年來，針對(duì)拆除爆破塌落振動(dòng)的研究主要集中在利用實(shí)驗(yàn)手段或測(cè)試技術(shù)分析塌落振動(dòng)的傳播規(guī)律及影響機(jī)理方面[9-10]。然而，隨著拆除爆破工程的迫切需要及對(duì)塌落振動(dòng)潛在危害的深入認(rèn)識(shí)，對(duì)建(構(gòu))筑物在塌落振動(dòng)作用下地下淺埋管件的動(dòng)力響應(yīng)[11]做出定性及定量分析，以便使拆除爆破技術(shù)朝著更為科學(xué)、可控的方向發(fā)展是廣大工程技術(shù)人員迫切需要的。當(dāng)前，建(構(gòu))筑物的抗震設(shè)計(jì)均以構(gòu)造(天然)地震作用為依據(jù)，而塌落振動(dòng)與構(gòu)造地震波存在很大的時(shí)頻特性差異[12]。因此，在爆破前事先對(duì)塌落振動(dòng)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理進(jìn)行理論分析及安全評(píng)估，并將存在安全隱患的結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)、加固處理，以確保待保護(hù)目標(biāo)的安全穩(wěn)定是非常有必要的。

本文以某市城西干道快速化改造工程為背景，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立適于描述高架橋塌落沖擊地鐵隧道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對(duì)橋體倒塌觸地沖擊作用下城市地鐵隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，并依據(jù)復(fù)合防護(hù)措施條件下隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算，為綜合防護(hù)體系的設(shè)計(jì)及爆破方案的優(yōu)化提供進(jìn)一步的借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

高架橋作為一種典型建(構(gòu))筑物，研究其塌落沖擊作用下淺埋管線動(dòng)力響應(yīng)過程具有十分重要的實(shí)際意義。本文以某市城西干道快速化改造過程的高架橋塌落沖擊淺埋管線為研究對(duì)象，著重研究橋體塌落振動(dòng)條件下淺埋管線及周圍土體的動(dòng)力響應(yīng)過程。該高架橋主體結(jié)構(gòu)呈南北走向，分別與漢中路、廣州路相交，橋體兩側(cè)道路沿街房屋多為臨界商鋪和辦公寫字樓，距離最近處僅有6 m，周邊環(huán)境示意圖見圖1。其中針對(duì)本次拆除爆破工程需重點(diǎn)保護(hù)的目標(biāo)之一就是穿越高架橋14#墩地下15 m處正在運(yùn)營的地鐵2#線隧道。如圖1所示，圖中紅線部分表示地鐵隧道走向，黃線部分表示隧道上方待拆除的高架橋主體結(jié)構(gòu)(13#～15#墩)。

圖1 高架橋拆除爆破周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Surroundings schematic diagram of blasting demolition

為確保高架橋塌落后，橋體結(jié)構(gòu)觸地沖擊地面形成的塌落地震效應(yīng)不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及地鐵正常運(yùn)營構(gòu)成安全威脅，本文將采用仿真計(jì)算的方法對(duì)塌落沖擊作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，為優(yōu)化城市高架橋體塌落沖擊作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究提供參考。

2 橋體塌落沖擊隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

實(shí)際工程中距離地鐵較遠(yuǎn)的橋體倒塌觸地產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及其設(shè)施的影響相對(duì)較小，因此，為減小計(jì)算量，本節(jié)重點(diǎn)考慮地鐵隧道正上方的橋體部分，即13#～15#墩之間的橋體。由于高架橋橋體塌落觸地后引起的地面振動(dòng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的力學(xué)過程，為使問題簡(jiǎn)化，在誤差允許的情況下本文對(duì)所建立的計(jì)算模型作以下假設(shè)：

假設(shè)1 研究所涉及的土體及高架橋混凝土材料均為連續(xù)且各向同性的均質(zhì)材料；

假設(shè)2 高架橋塌落整體以自由落體的方式垂直沖擊地面，不考慮其它阻力因素。

根據(jù)高架橋的實(shí)際尺寸，橋體模型長寬高尺寸分別設(shè)置為50 m×20 m×0.6 m，距地面高度為7.0 m；隧道襯砌支護(hù)層為50 cm厚的C50鋼筋混凝土。根據(jù)地鐵隧道實(shí)際尺寸，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立如圖2所示的1/2高架橋-土體-隧道有限元計(jì)算模型。為模擬土體的半無限空間，約束對(duì)稱面節(jié)點(diǎn)的法向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，并將模型側(cè)面及底面設(shè)為透射邊界。橋體添加自7 m處自由落體獲得的速度載荷(11.7 m/s)，為了清楚描述“高架橋-土體-隧道”動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，對(duì)于該系統(tǒng)均采用Lagrange網(wǎng)格和Solid 164實(shí)體單元進(jìn)行有限元化，橋體、土體及地鐵隧道的材料參數(shù)選擇參考文獻(xiàn)[13]；為更加直觀展現(xiàn)應(yīng)力波在隧道結(jié)構(gòu)中的傳播過程，沿隧道襯砌內(nèi)表面半環(huán)向均勻選取五個(gè)距地表不同深度h的特征單元，其分布模式如圖2(b)所示。

圖2 塌落振動(dòng)有限元計(jì)算模型(1/2模型)Fig.2 Finite element model of collapse vibration of building (structure) conformation(1/2 model)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

研究橋體塌落振動(dòng)的傳播及其對(duì)地鐵隧道的作用

過程，以橋體倒塌觸地時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，設(shè)置整個(gè)計(jì)算時(shí)間長度為80 ms。計(jì)算得到橋體塌落觸地應(yīng)力波在土體及隧道結(jié)構(gòu)中的傳播過程如圖3和圖4所示。高架橋塌落觸地時(shí)作用于土體的沖擊載荷經(jīng)土體介質(zhì)再作用于隧道結(jié)構(gòu)，應(yīng)力波在土體中的衰減是由于波陣面

圖3 應(yīng)力波在土體中的傳播過程Fig.3 Process of stress wave propagation in the soil

圖4 應(yīng)力波在隧道中的傳播過程Fig.4 Process of stress wave propagation in the tunnel lining

面積不斷增加引起的輻射衰減、介質(zhì)內(nèi)黏性內(nèi)摩擦所產(chǎn)生的吸收衰減及沖擊振動(dòng)引起介質(zhì)永久塑性變形所產(chǎn)生的衰減。因此，要想增大橋體塌落時(shí)載荷高速?zèng)_擊土體介質(zhì)后作用于隧道結(jié)構(gòu)的速率，必須考慮具有一定剛度且具有良好吸能材料介質(zhì)作為緩沖。

圖5是隧道結(jié)構(gòu)特征單元的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，從圖中還可以看出，在高架橋塌落沖擊荷載的作用下，隧道結(jié)構(gòu)主要承受y向振動(dòng)速度的影響，x向和z向振動(dòng)速度相對(duì)較??；隨著距離地表深度的增加，質(zhì)點(diǎn)三向振動(dòng)速度峰值均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。圖6是隧道特征單元的應(yīng)力時(shí)程曲線，從圖中可以看出隧道上y向及z向的最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻中心處，而該處x向的應(yīng)力與隧道上的其它單元相比要小得多。

數(shù)值計(jì)算表明橋體塌落沖擊中心，隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度峰值出現(xiàn)在管道頂部(6.25 m/s)，而有效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道邊墻上(壓應(yīng)力為43.7 MPa；拉應(yīng)力為22.3 MPa)。在此條件下，橋體塌落振動(dòng)作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)速度及有效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足隧道結(jié)構(gòu)的安全閾值[14]要求，地鐵隧道處于極度危險(xiǎn)中。

因此，橋體塌落沖擊地鐵隧道動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值較大，針對(duì)埋地管線進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p震防護(hù)措施是必要的，本文擬在預(yù)塌落區(qū)域地面鋪設(shè)一種復(fù)合減震結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到吸收橋體塌落沖擊能量、保護(hù)埋地管線的目的。

圖5 隧道特征單元振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.5 Vibration velocity-time curve of typical units in the tunnel lining

圖6 隧道特征單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.6 Vibration stress-time curve of typical units in the tunnel lining

3 有防護(hù)措施下城市隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

在無防護(hù)措施的條件下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明高架橋塌落觸地對(duì)地面的沖擊荷載極有可能對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。因此，為切實(shí)確保地鐵隧道的正常運(yùn)營，根據(jù)以往理論計(jì)算[15]和類似爆破工程減震措施的經(jīng)驗(yàn)[16]，項(xiàng)目部優(yōu)化設(shè)計(jì)了爆破拆除方案及綜合防護(hù)體系[17]，從而達(dá)到吸收塌落橋體沖擊能量、保護(hù)埋地管線的目的。為提高數(shù)值計(jì)算效率，本文著重針對(duì)綜合防護(hù)體系中的“鋼板-橡膠輪胎”復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

按照2.1節(jié)中的基本假設(shè)及相應(yīng)參數(shù)建立如圖7所示的有防護(hù)措施的塌落振動(dòng)計(jì)算模型，其中，鋼板-橡膠輪胎復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的局部放大模型如圖8所示，鋼板及橡膠輪胎的材料參數(shù)均取自參考文獻(xiàn)[13]。

圖7 有防護(hù)措施的塌落振動(dòng)計(jì)算模型(1/2模型)Fig.7 Finite element model of collapse vibration of building (structure) conformation with protective measures(1/2 model)

圖8 鋼板-橡膠輪胎復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖Fig.8 Schematic diagram of steel plate-rubber tires system

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

高架橋橋體塌落首先與橡膠輪胎發(fā)生碰撞，設(shè)初始碰撞時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間為80 ms。圖9為各特定時(shí)刻橡膠輪胎中應(yīng)力波的傳播及受橋體沖擊的變形情況。當(dāng)t=25 ms時(shí)，橡膠輪胎受沖擊后豎向變形已達(dá)到17.46 cm，由此可知，由于防護(hù)結(jié)構(gòu)的緩沖作用，高架橋橋體塌落過程釋放的位能部分轉(zhuǎn)換為橡膠輪胎的變形能，從而能夠減弱對(duì)土體介質(zhì)的直接沖擊作用。

圖10是應(yīng)力波在土體中的傳播過程，從圖中可以看出，橋體的沖擊能量通過復(fù)合防護(hù)措施的緩沖后，作用于地表土體的能量與圖3相比已大幅衰減；圖11是應(yīng)力波在隧道結(jié)構(gòu)中的傳播過程，通過圖11可以發(fā)現(xiàn)，

圖9 橡膠輪胎受橋體沖擊后的變形情況Fig.9 Deformation of the tire rubber under collapse vibration

拱頂至邊墻中心之間的隧道所承受的應(yīng)力峰值較大，且持續(xù)時(shí)間較其他位置也要長得多。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由地面防護(hù)結(jié)構(gòu)的擺放與隧道結(jié)構(gòu)的空間相對(duì)位置引起的，隧道側(cè)面正上方的兩組橡膠輪胎將更多的應(yīng)力波能量直接作用于上部邊墻位置的隧道結(jié)構(gòu)，因此，防護(hù)措施的合理設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)力波在土體中的傳播及其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用過程至關(guān)重要，只有合理匹配防護(hù)結(jié)構(gòu)的擺放與隧道位置的關(guān)系才能確保隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

圖10 應(yīng)力波在土體中的傳播過程Fig.10 Process of stress wave propagation in the soil

圖11 應(yīng)力波在隧道中的傳播過程Fig.11 Process of stress wave propagation in the tunnel lining

按照?qǐng)D2(b)所示的位置在有防護(hù)措施的計(jì)算模型中選取距地表不同深度h的土體及隧道結(jié)構(gòu)特征單元，通過計(jì)算分別得到如圖12所示的振動(dòng)速度時(shí)程曲線及如圖13所示的應(yīng)力時(shí)程曲線。

通過與圖5和圖6中無防護(hù)措施條件下隧道特征單元的振動(dòng)速度時(shí)程曲線、應(yīng)力時(shí)程曲線的對(duì)比可知，鋼板-橡膠輪胎組合防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)高架橋橋體的沖擊起到了較好的緩沖作用，隧道結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)速度峰值、應(yīng)力峰值得到極大幅度的衰減。其振動(dòng)速度最大值(8.25 cm/s)出現(xiàn)在拱頂處，壓應(yīng)力最大值(1.94 MPa)出現(xiàn)在邊墻上，而拉應(yīng)力最大值(1.25 MPa)出現(xiàn)在底板上，與無防護(hù)措施條件下的對(duì)應(yīng)值相比分別下降了98.7%、95.6%及94.4%，由此可見，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護(hù)措施可以有效降低高架橋橋體塌落時(shí)產(chǎn)生的位能向土體及隧道結(jié)構(gòu)中傳遞的百分比，能夠達(dá)到保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)、確保地鐵正常運(yùn)營的目的。

圖12 隧道特征單元振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.12 Vibration velocity-time curve of typical units in the tunnel lining

圖13 隧道特征單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.13 Vibration stress-time curve of typical units in the tunnel lining

4 工程實(shí)測(cè)結(jié)果分析

高架橋橋體拆除爆破工程實(shí)際操作中，為充分保證橋體下方地鐵隧道的安全穩(wěn)定性，在對(duì)有防護(hù)措施進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵隧道的不同位置進(jìn)行了橋體塌落沖擊震動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)與傳感器設(shè)置位置兩個(gè)內(nèi)容。相關(guān)研究表明，鄰近爆炸載荷作用下隧道周邊振動(dòng)場(chǎng)分布特點(diǎn)是最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在隧道迎爆側(cè)的墻壁和拱部，墻腳點(diǎn)振動(dòng)速度較小，背爆側(cè)振動(dòng)相對(duì)較輕。由于地鐵隧道上部為供地鐵運(yùn)行的電力設(shè)備，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果地鐵軌道底部振動(dòng)較小，因此將測(cè)點(diǎn)分別選取在迎爆側(cè)位于隧道側(cè)壁上、中和下三處。測(cè)點(diǎn)的具體布置如圖14所示，分別在距離地鐵隧道底部3.5 m, 2.5 m 和1 m處布置測(cè)點(diǎn)1#, 2#和3#。為了避免地鐵隧道中列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)誤觸發(fā)爆破測(cè)振儀，觸發(fā)值設(shè)置為0.5 cm/s。

圖15是地鐵隧道不同位置處三向振動(dòng)速度時(shí)程曲線的監(jiān)測(cè)值。從圖中可以看出，在高架橋塌落沖擊荷載的作用下隧道結(jié)構(gòu)承受Y向的振動(dòng)速度幅值最大，因此，基于對(duì)地鐵隧道類淺埋管線結(jié)構(gòu)的保護(hù)要著重考慮建(構(gòu))筑物直接受沖擊方向的塌落沖擊危害效應(yīng)，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)果是一致的；靠近隧道結(jié)構(gòu)頂部的振動(dòng)速度較大，1#測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度為-3.12 cm/s，沿隧道頂部到底部逐漸減小，2#、3#測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度分別為-2.00 cm/s、0.75 cm/s；實(shí)測(cè)振動(dòng)波形由初始爆破地震波和橋體塌落振動(dòng)產(chǎn)生的地震波疊加而成，爆破地震波幅值相對(duì)橋體塌落震動(dòng)產(chǎn)生的地震波幅值較小，可以忽略，符合數(shù)值計(jì)算的基本假設(shè)條件；橋體塌落振動(dòng)引起地鐵隧道動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長，這主要是由爆破拆除高架橋的過程中采用的綜合防護(hù)體系不僅僅限于“鋼板-橡膠輪胎”復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)、橋體塌落過程中觸地時(shí)間不一致產(chǎn)生多次振動(dòng)效應(yīng)等因素造成的。

圖14 地鐵隧道不同位置測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.14 Schematic diagram of typical units in the tunnel lining

圖15 隧道不同位置振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.15 Vibration velocity-time curve of typical units in the tunnel lining

高架橋塌落及鋼板-橡膠輪胎復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況如表1所示。從表中可以看出高架橋爆破拆除的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工程爆破結(jié)果吻合較好，說明利用有限元分析的方法對(duì)拆除爆破塌落沖擊作用下城市隧道的動(dòng)力響應(yīng)及防護(hù)措施進(jìn)行研究是非常有效的，能夠?yàn)轭愃乒こ讨性u(píng)估爆破方案的可行性及防護(hù)措施提供有力的技術(shù)支撐。

本工程實(shí)例應(yīng)用中所選擇的綜合防護(hù)系統(tǒng)既有一定的“剛性”，又要有一定的“柔性”，剛?cè)嵯酀?jì)穿插進(jìn)行，從而達(dá)有效削減塌落橋體的沖擊動(dòng)能進(jìn)而保護(hù)地下淺埋管線結(jié)構(gòu)的目的。如應(yīng)用橡膠輪胎作為一種柔性結(jié)構(gòu)在承接塌落沖擊載荷的同時(shí)能產(chǎn)生一定的變形(彈性或彈塑性變形)來有效削減塌落橋體的直接沖擊動(dòng)能，達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的結(jié)果。而鋼板作為一種剛性結(jié)構(gòu)可以將橋體塌落沖擊載荷在自身發(fā)生較小變形幅值條件下均勻作用于地面，結(jié)合橡膠輪胎組成具有一定剛度的柔性材料或柔性結(jié)構(gòu)來接載、緩沖、消能，減小對(duì)地面及其地下淺埋管線的震動(dòng)影響。因此工程中所選取的鋼板加橡膠輪胎的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其豎向有一定的剛度和彈性，側(cè)向又有一定的抗剪切變形的能力。綜合防護(hù)系統(tǒng)的接載和消能效果明顯。

高架橋爆破拆除塌落過程中，經(jīng)過綜合防護(hù)體系及地鐵隧道表面淺埋土體的作用，塌落橋體沖擊地面產(chǎn)生的地震波幅值已產(chǎn)生大幅度的衰減。對(duì)地鐵隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隧道結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)速度低于地鐵管理部門提出的安全閾值要求，且經(jīng)專業(yè)部門檢查評(píng)估，地鐵隧道結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施均完好無損，爆破方案及防護(hù)體系設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。

表1 高架橋橋體塌落及鋼板-橡膠輪胎復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況

5 結(jié) 論

(1) 通過有效模型簡(jiǎn)化和假設(shè)，建立了城市高架橋塌落沖擊作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，研究了橋體塌落沖擊地面產(chǎn)生應(yīng)力波在土體及隧道中的傳播規(guī)律特征。

(2) 針對(duì)有(無)防護(hù)措施條件下隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究結(jié)果表明以“鋼板-橡膠輪胎”為主要形式的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)使隧道所受的振動(dòng)速度、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值分別下降了98.7%、95.6%及94.4%；橋體塌落沖擊地鐵隧道結(jié)構(gòu)的工程實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)深入優(yōu)化的爆破方案及綜合防護(hù)體系能夠確保高架橋塌落沖擊作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)及設(shè)施的安全穩(wěn)定。

(3) 利用有限元分析的方法對(duì)拆除爆破塌落沖擊作用下城市隧道的動(dòng)力響應(yīng)及防護(hù)措施進(jìn)行研究是非常有效的，能夠?yàn)轭愃乒こ讨性u(píng)估爆破方案的可行性及防護(hù)措施的有效性，從而改進(jìn)工程實(shí)施計(jì)劃提供有力的技術(shù)支撐。

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Dynamic response and protection technology research onmetro tunnels under collapse vibration of city viaduct

ZHONG Mingshou1, LONG Yuan1, LIU Ying1, LU Liang2, LIU Jianfeng1, JI Chong1

(1. College of Filed Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. 72351 Troops, PLA, Laiwu 271109, China)

The collapse vibration performance laws of city viaducts to metro tunnels were obtained by using ANSYS/LS-DYNA software. The calculation model of collapse bridge impact to the underground tunnels of cities was established. Dynamic response of a metro tunnel including three-direction vibration velocity and stress process of typical units was also obtained. The results show that as a main form of composite protective structure consisting of a steel plate-rubber tires system can make maximum of metro tunnel vibration velocity, compressive stress and tensile stress were decreased by 98.7%, 95.6%, and 94.4% compared with the absence of protective measures. It has shown excellent agreement between measured data and simulation results. Metro tunnel borne vibration speed is lower than the administration proposed safety threshold requirement and the design of comprehensive protection system achieves the expected result.

viaduct; collapse vibration; dynamic response; protection; numerical simulation

城市橋梁拆除爆破塌落振動(dòng)對(duì)市政管線的損傷機(jī)理和安全判據(jù)研究(51508569)；爆破振動(dòng)危害效應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)機(jī)理及減振策略研究(BK20151449)；基于能量原理的碳酸鹽巖激發(fā)機(jī)理研究(51304218)

2016-03-02 修改稿收到日期： 2016-06-28

鐘明壽 男，博士，講師，1983年生

劉影 女，博士，副教授，1975年生

O329

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.002