循環(huán)爆破對在建橋梁的振動影響研究

車云浩，池恩安，趙明生

(貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550000)

橋梁作為國家最為重要的建設(shè)項(xiàng)目之一，工程施工中產(chǎn)生的爆破振動會對橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在爆破振動載荷的反復(fù)作用下，若振動超過某一臨界值，將不可避免的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷，結(jié)構(gòu)裂紋及微裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展正是循環(huán)爆破振動效應(yīng)的體現(xiàn)。當(dāng)損傷累積到一定程度，將對建筑物的安全使用產(chǎn)生威脅。頻繁的擾動將加重結(jié)構(gòu)的受損程度，大大降低建筑物的使用期限，還可能造成建筑物的直接破壞[1-5]。現(xiàn)在關(guān)于爆破對橋梁影響的研究大多只關(guān)注單次爆破，沒有考慮循環(huán)爆破的影響。

隧道爆破施工距離橋梁位置較近時(shí)，由于在建橋梁結(jié)構(gòu)未成形，混凝土結(jié)構(gòu)未完全凝固，橋梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不高，多次爆破作業(yè)對其產(chǎn)生的影響將尤為明顯，本文以貴州晴隆戰(zhàn)馬田的泄洪隧道工程為背景，利用FLAC3D 6.0建立三維模型，探索循環(huán)爆破產(chǎn)生的振動對在建橋梁建筑結(jié)構(gòu)、橋面、橋墩以及對凝固中的混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

隧洞下穿在建晴隆至光照二級公路路基，隧洞與道路附近相交，交角79°，在建道路路面高程約1 204 m，與隧洞頂部開挖輪廓線標(biāo)高1 110 m高差96 m；洞身輪廓線北側(cè)距孔家莊大橋最近橋臺43 m，輪廓線與橋臺樁基底部距離約75 m；洞身輪廓線與橋臺樁基底部距離約100 m；上部正在進(jìn)行道路和邊坡施工，交叉點(diǎn)西側(cè)山坡表面 有路基開挖堆砌的松石。平均每天進(jìn)行8次爆破。

2 隧道與橋梁模型的建立

2.1 隧道及橋梁材料的模擬

模型參數(shù)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知：隧道開挖高4.4 m，寬4 m，斷面面積17.2 m2。隧洞剖面如圖1所示。建模時(shí)為了避免邊界效應(yīng)，模型寬度高于隧道洞徑寬度5倍。由于下邊界對隧道模型的爆破振動影響很大，模型高度高于3倍隧道高度，上邊界為實(shí)際隧道的平均埋深[6]。隧道循環(huán)進(jìn)尺為2～2.5 m，參考實(shí)際工程，設(shè)置掌子面已開挖段為100 m；為消除掌子面前方邊界條件，設(shè)置掌子面未開挖段為50 m。

圖1 戰(zhàn)馬田隧洞(剖面)Fig.1 Longitudinal section of Zhanmatian Tunnel

該段隧道圍巖為塊狀角礫狀白云巖，使用霍克布朗本構(gòu)模型模擬山體，其中白云巖材料參數(shù)如表1所示。

表1 白云巖材料參數(shù)

橋梁模型長1 400 m，寬4.5 m，高11 m，模型總體尺寸為140 m×40 m×30 m，為進(jìn)一步減弱邊界效應(yīng)，模型四周均設(shè)置為無反射邊界。

橋梁采用鋼筋混凝土打造，測量時(shí)橋墩橋柱已經(jīng)鋪設(shè)完畢，正在鋪設(shè)橋面，本文探討循環(huán)爆破對未凝固橋面混凝土的影響，因此橋面模型的混凝土強(qiáng)度低于橋柱，因?yàn)闃蛎鎸儆谠诮ú课唬曰炷翉?qiáng)度應(yīng)該處于較低階段，密度較低，而橋梁由鋼筋混凝土制作而成，因此使用霍克布朗本構(gòu)模型模擬橋梁的鋼筋混凝土材料，由于還未完全凝固，材料參數(shù)略低于完全凝固的材料，根據(jù)對鋼筋混凝土的模型參數(shù)研究進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體數(shù)值如表2所示[7]。

表2 鋼筋混凝土材料參數(shù)

2.2 爆破的模擬

2.2.1 爆破基本參數(shù)的確定

爆破所用的炸藥是2號巖石乳化炸藥，爆速D為3 500～5 000 m/s，炮泥采用與介質(zhì)一樣的材料。爆破參數(shù)如表 3所示。

表3 爆破參數(shù)

主要爆破方案如下，掌子面爆破布孔位置如圖2所示，掏槽孔位于斷面的下部，4個(gè)或6個(gè)，裝藥密度為0.33 kg/t或0.42 kg/t，最終根據(jù)實(shí)際工程監(jiān)測結(jié)果選擇，其他炮孔均為0.3 kg/m；掏槽孔距開挖斷面底部0.6～0.8 m，為最先起爆的炮孔。周邊孔共20個(gè)，孔距E取0.50～0.55 m，炮孔向輪廓線方向適當(dāng)傾斜，裝藥密度為0.25 kg/t。輔助孔共23個(gè)，底板孔共有8個(gè)。

圖2 掌子面爆破布孔Fig.2 Blastholes layout of face

2.2.2 爆破參數(shù)的優(yōu)化

影響爆炸產(chǎn)生荷載的影響因素有很多，根據(jù)公式及現(xiàn)場條件選取經(jīng)濟(jì)、重要且便于操控的參數(shù)作為研究變量[8]，即掏槽孔數(shù)量、掏槽孔內(nèi)裝藥量及不同的延時(shí)分段；通過4種實(shí)際的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方案對比實(shí)際峰值振速測量選擇方案：方案1(4掏槽孔，裝藥密度為0.33 kg/t)，方案2(4掏槽孔，裝藥密度為0.42 kg/t)，方案3(6掏槽孔，裝藥密度為0.33 kg/t)，方案4(6掏槽孔，裝藥密度為0.42 kg/t)。對比4種爆破方案對橋面產(chǎn)生的最大峰值振速，選擇最佳的施工參數(shù)方案，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同爆破方案峰值振速Fig.3 Peak vibration velocities of different blasting schemes

由圖3可以看出4個(gè)方案中方案1及方案2的峰值振速整體最低，而方案4的爆破振動使得橋面峰值振速最高，對橋面安全影響最大。由于施工應(yīng)當(dāng)追求效率，方案1的每循環(huán)進(jìn)尺為1.7 m/次，方案2的每循環(huán)進(jìn)尺為1.9 m/次，因此施工建議采用方案2進(jìn)行隧道挖掘。

在隧道施工采用方案2的基礎(chǔ)上研究不同的分段延時(shí)對隧道附近橋面的影響情況，沿橋梁軸向進(jìn)行振速分布分析，不同延時(shí)分段在橋面軸向上的三向峰值振速如圖4～圖6所示。

圖4 方案2橫向峰值振速Fig.4 Lateral peak vibration velocity of scheme 2

圖5 方案2縱向峰值振速Fig.5 Longitudinal peak vibration velocity of scheme 2

圖6 方案2垂向峰值振速Fig.6 Vertical peak vibration velocitiy of scheme 2

由圖4～圖6可知：①隨著爆破延時(shí)時(shí)間的遞增，在距離爆破點(diǎn)的橫向距離50 m的橋面范圍內(nèi)，不同延時(shí)分段的爆破方案在橋面的橫向峰值振速降低較快，然后不同延時(shí)分段之間的差距逐漸減小，縱向和垂向交叉影響難以分辨振速影響最低的延時(shí)，而延時(shí)30 ms爆破荷載產(chǎn)生的橫向峰值振速數(shù)值最大。②在橋面50～250 m范圍內(nèi)，延時(shí)30、40 ms的同一次和同一監(jiān)測點(diǎn)的橫向和縱向峰值振速相互波動超越。延時(shí)30 ms的縱向最大峰值振速在3者中最大，遠(yuǎn)大于其他3個(gè)延時(shí)分段的峰值振速；在200 m以后峰值振速基本沒有發(fā)生變化，因此延時(shí)30、40 ms對于橋梁的振動影響最高，延時(shí)50 ms比延時(shí)60 ms振速低。③250～400 m范圍內(nèi)延時(shí)50、60 ms的振速差別不大。④綜合比較3段范圍內(nèi)的橋面軸向的三向振速可以發(fā)現(xiàn)，峰值振速最大的是延時(shí)30 ms，最小的是延時(shí)50、60 ms，由于延時(shí)50 ms的振動速度比延時(shí)60 ms在中段更占優(yōu)勢，同時(shí)為了保證爆破效果，選取延時(shí)50 ms進(jìn)行施工和模擬。

2.3 隧道開挖輪廓面上的荷載模擬

使用FLAC3D中的動荷載模擬爆破產(chǎn)生的振動，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要將等效后的爆破荷載施加到有限元單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。爆破動態(tài)荷載等效計(jì)算公式為

P(t)=pmf(t)

(1)

式中：pm為脈沖峰值，在不耦合連續(xù)裝藥條件下，初始應(yīng)力峰值如下進(jìn)行計(jì)算:

(2)

(3)

(4)

爆炸荷載所作用時(shí)間，按照炸藥參數(shù)和文獻(xiàn)[10]的處理辦法，升壓時(shí)間取為100 μs，正壓作用時(shí)間為600 μs，爆破地震波的持續(xù)時(shí)間取為0.6 s。三角形沖擊波荷載如圖5所示。根據(jù)表1和公式(1)和(2)計(jì)算的爆破峰值壓力pm為1.258 GPa。

圖7 簡化三角形爆破荷載Fig.7 Simplified triangle blasting load

3 頻繁爆破模擬及監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 爆破振動測點(diǎn)布置

振動監(jiān)測點(diǎn)布置在橋面與橋墩上，橋面布置監(jiān)測點(diǎn)11個(gè)，編號1～11，地面上的橋墩處布置監(jiān)測點(diǎn)11個(gè)，編號12～22(見圖8)。橋樁處監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置為模型中的歷史監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)置于最靠近隧道的橋柱中部，編號為測點(diǎn)23。由于貴州雨季降雨量大，即將有山水匯聚產(chǎn)生洪水的風(fēng)險(xiǎn)，工期時(shí)間短任務(wù)重，因此隧道爆破次數(shù)頻繁，一天內(nèi)能達(dá)到8～11次之多。隧道采用光面爆破，在模型中使用動態(tài)荷載，即在FLAC3D動荷載情況下采用變動的環(huán)向應(yīng)力起爆模擬炸藥在隧道爆炸，使用歷史記錄觀察橋梁監(jiān)測點(diǎn)的變形、位移速度和應(yīng)力狀態(tài)[11]。

圖8 振動測點(diǎn)布置Fig.8 Layout of vibration measuring points

3.2 循環(huán)爆破振動對橋梁模型應(yīng)力云圖分析

由隧道應(yīng)力云圖(見圖9)可知，在爆破初期炸藥產(chǎn)生的能量使隧道內(nèi)部圍巖受到?jīng)_擊，炸藥產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力從隧道拱形表面向四周開始擴(kuò)散，由于應(yīng)力波向掌子面圍巖傳播，使得周圍的巖土層應(yīng)力平衡狀態(tài)得到破壞，周圍巖層得到卸壓，隧道頂部應(yīng)力擴(kuò)散速度明顯比隧道底部區(qū)域快，在擴(kuò)散過程中巖層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力互相影響，使得掌子面附近應(yīng)力狀態(tài)迅速恢復(fù)平衡狀態(tài)，但應(yīng)力波在山體巖石中得到迅速傳遞。

圖9 隧道應(yīng)力云圖Fig.9 Cloud of tunnel stress

由橋臺及橋面應(yīng)力云圖(見圖10)可知，隨著振動波傳遞到位于隧道上方的橋臺，橋臺受力引發(fā)振動產(chǎn)生的應(yīng)力最為劇烈，說明峰值振速高且振動也最為劇烈。接著振動波將傳導(dǎo)向橋面，使得橋面變成整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中峰值振速最明顯的區(qū)域。

圖10 橋臺及橋面應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud of abutment and bridge deck

由橋柱應(yīng)力云圖(見圖11)可知，振動由橋面向橋柱傳導(dǎo)后，使得橋柱中部峰值振速升高。對比模型發(fā)現(xiàn)隧道爆破對鄰近橋梁振動較為明顯的區(qū)域是橋柱中部的淺藍(lán)色區(qū)域，說明這里振動明顯。

圖11 橋柱應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud of bridge column

3.3 循環(huán)爆破對橋梁振動速度影響分析

在橋梁建造時(shí)，要求保證在橋梁混凝土的強(qiáng)度大于95%時(shí)6 h內(nèi)振動允許值在2 cm/s以下，72 h以后低于6 cm/s，而此施工橋梁外的產(chǎn)生的最高振速為0.235 cm/s，說明此次隧道爆破最大峰值振速是在安全范圍內(nèi)的[12]。

3.3.1 峰值振速的實(shí)測值分析

通過對橋梁振動進(jìn)行監(jiān)測，得出橋梁的橋面和橋樁底部的峰值振速時(shí)程分別如圖12、圖13所示。

圖12 橋面測點(diǎn)峰值振速實(shí)測Fig.12 Measured peak value of vibration velocity at bridge deck measuring points

圖13 橋樁測點(diǎn)峰值振速實(shí)測Fig.13 Measured peak value of vibration velocity of bridge pile measuring points

由圖12、圖13可知，橋面的最高峰值振速為0.235 cm/s，橋樁底部峰值振速為0.095 cm/s；可以看出在0.2 s左右橋面和橋樁底部的峰值振速達(dá)到最高，分別是距離爆破隧道最近的測點(diǎn)1和測點(diǎn)12，0.5 s左右，由于橋梁各部分應(yīng)力波反彈、抵消，橋梁的整體峰值振速降到谷底開始反彈，重新升高，直到1 s之后逐漸衰弱。

3.3.2 峰值振速的模擬值分析

由FLAC3D模擬的橋面和橋樁底部的峰值振速波形(見圖14和圖15)可以看出，橋面測點(diǎn)1的峰值振速模擬值最高，為0.250 cm/s，橋樁模擬的峰值振速為0.095 cm/s，兩者整體呈現(xiàn)出規(guī)律的變化，和實(shí)際檢測值的最大峰值振速誤差較小，說明數(shù)值模擬結(jié)果可以接受。模擬值的峰值振動相較實(shí)測值而言，最大峰值振速出現(xiàn)的時(shí)間在0.3 s左右。

圖14 橋面測點(diǎn)峰值振速模擬Fig.14 Simulation of peak vibration velocity of bridge deck measuring points

圖15 橋樁測點(diǎn)峰值振速模擬Fig.15 Simulation of peak vibration velocity of bridge pile measuring points

根據(jù)FLAC3D的模擬，預(yù)測位于橋柱中部的測點(diǎn)23～33的最大峰值振速為0.209 cm/s。

由此可以得出和云圖類似的結(jié)果：隧道爆破引起在建橋梁的峰值振速最高的是橋面的0.235 cm/s，然后是橋柱的0.209 cm/s和是橋樁底部的0.095 cm/s。

3.3.3 多次爆破振動對在建橋梁狀態(tài)的監(jiān)測值分析

為了對橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行宏觀分析，選取橋頭、橋中、橋尾位置測點(diǎn)峰值振速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對橋面測點(diǎn)1、橋柱底部橋墩測點(diǎn)12、橋柱中部測點(diǎn)23進(jìn)行多次測量，峰值振速如圖16所示。

圖16 橋面、橋樁、橋臺測點(diǎn)峰值振速實(shí)測Fig.16 Measured peak value of vibration velocity of bridge deck, bridge pile and abutment

由圖16可以看出前5次振速峰值3個(gè)測點(diǎn)不規(guī)律，但是從第5次開始，累計(jì)爆破3個(gè)測點(diǎn)的峰值振速逐漸穩(wěn)定，并且可以看出總體呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定上升繼而平緩的趨勢，處于0.25 cm/s以下。因此循環(huán)爆破產(chǎn)生的峰值振速低于橋梁建設(shè)安全標(biāo)準(zhǔn)(2.5 cm/s)的要求。

由于橋梁測點(diǎn)振速總體都處于0.05～0.25 cm/s間，這對短期內(nèi)未完全凝固的混凝土可能產(chǎn)生輕微影響；而在橋梁建造時(shí)，要求橋梁混凝土的強(qiáng)度保證大于95%時(shí)需要6 h內(nèi)振動允許值在2 cm/s以下，72 h以后低于6 cm/s；在此次工程中隧道爆破點(diǎn)距離橋梁43 m，爆破施工對橋梁產(chǎn)生的最高振動強(qiáng)度為0.1 cm/s，處于振動安全標(biāo)準(zhǔn)2 cm/s以下，因此爆破施工對橋梁的鋼筋混凝土材料產(chǎn)生的振動影響處于安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)[13]。

4 結(jié)論

1)優(yōu)化過的爆破方案(4掏槽孔，0.42 kg/t裝藥密度及50 ms延時(shí))在此次工程中是既保證了工程效率又符合安全標(biāo)準(zhǔn)的較佳爆破方案。

2)經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)和模型計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)橋梁峰值振速最高的地方是橋面的0.235 cm/s(模擬值0.250 cm/s)，然后是橋柱的模擬值0.209 cm/s和橋樁底部的實(shí)測值0.081 cm/s(模擬值0.095 cm/s)。

3)在隧道爆破點(diǎn)距離橋梁43 m時(shí)，爆破施工對橋梁產(chǎn)生的峰值振速處于0.05～0.1 cm/s間，參考《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)關(guān)于“爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)”，累計(jì)爆破產(chǎn)生的峰值振速低于橋梁建設(shè)峰值振速所要求的標(biāo)準(zhǔn)，6 h內(nèi)橋梁振速允許值需在2 cm/s以下，因此在建橋梁隧道爆破振動對橋梁混凝土的振動是在安全范圍內(nèi)。

4)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的爆破方案后，隧道內(nèi)每日8次循環(huán)爆破產(chǎn)生的振動對43 m外的橋梁結(jié)構(gòu)(即橋面、橋柱、橋柱底部的橋墩)和材料(混凝土)不會產(chǎn)生安全影響，不會影響橋梁的建設(shè)施工。