地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 024 地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应* 张 忆 1a， 杨文东1a， 彭 振2， 马凯伦3， 周吉学1， 4， 顿文昊1， 5， 李新平1b （1. 武汉理工大学 a. 土木工程与建筑学院; b. 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 武汉 430070; 2. 中交二航局南方工程有限公司， 广州 511400; 3. 深圳市市政设计研究院有限公司， 深圳 518029; 4. 中铁二十局集团有限公司， 西安 710016; 5. 湖北美术学院 环境艺术设计系， 武汉 430060 摘 要 针对城市地铁建设过程中隧道爆破对高层建筑物带来的不利影响， 基于萨道夫斯基公式， 对现场 爆破振动测试与有限元模拟对比分析， 现场测试结果与计算结果吻合较好。以框架结构垂向振速为研究对 象， 采用动力有限元方法对高层框架结构在爆破地震波作用下的响应规律进行了研究， 并分析了并行隧道不 同开挖工况下高层框架结构不同响应特点。计算结果表明 高层框架结构在爆破地震波影响下存在明显高 层放大效应放大倍数最大达 3. 48 倍； 地铁隧道已开挖段对高层结构振动有空腔放大效应， 空腔放大效应的 主要影响因素有框架结构与隧道的间距、 已开挖隧道空腔相对爆源位置等， 前者影响更显著。 关键词 地铁隧道爆破；框架结构；动态响应；放大效应 中图分类号 U45 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0147 -07 Caused Dynamic Response of High Rise Frame Structure by Blasting Excavation of Subway Tunnel ZHANG Yi1a， YANG Wen-dong1a， PENG Zhen2， MA Kai-lun3， ZHOU Ji-xue1， 4， DUN Wen-hao1， 5， LI Xin-Ping1b （1. a. School of Civil Engineering and Architecture; b. Hubei Key Laboratory of Road Bridge 2. The South Construction company of CCCC Second Harbor Engineering Co Ltd， Guangzhou 511400， China; 3. Shenzhen Municipal Design 4. China Railway 20th Bureau Group， Xian 710016， China; 5. Department of Environmental Art Design， Hubei Institute of Fine Arts， Wuhan 430060， China Abstract Focus on the adverse effects of tunnel blasting on high-rise buildings in the process of urban subway construction， based on the Sardowski ula， the field blasting vibration test and finite element simulation are com- pared and analyzed， and the field test results are in good agreement with the calculated results; Taking the vertical vi- bration velocity of frame structure as the research object， the dynamic response finite element is applied to study the response rule of high-rise frame structure under the impact of blasting seismic wave， alongwith the different response characteristics of parallel tunnel under different excavation conditions. The result of numerical simulation shows that， obvious amplification effect was found in the high-rise buildings， the maximum magnification is 3. 48; whats more， excavation section of subway tunnel has cavity amplification effect on the vibration of a high rise struc- ture; main influence factors of cavity amplification are distance between building and tunnel， the relative location of cavity in excavated tunnel from to explosion source etc. and the effect of er one is more significant. Key words subway tunnel blasting;HRFS;dynamic response;amplification effect 万方数据 收稿日期 2018 -01 -21 作者简介 张 忆 （1992 - ， 男， 硕士研究生， 从事岩土工程方向研 究，（E-mail zhangyi19921104163. com。 通讯作者 杨文东 （1965 - ， 男， 博士、 教授， 从事岩土工程方向研 究，（E-mail ywd mail. whut. edu. cn。 基金项目 国家自然科学基金面上项目 （51774222 ; 湖北省自然科 学基金重点项目 （2015CFA136 在城市隧道修建过程中， 难免会遇到下穿建筑 的情况 [1]， 在隧道施工引起的振动势必会对周边建 筑产生不利影响 [2]， 为保障地面建筑物安全， 必须 掌握建筑物振动响应规律， 准确监控建筑物振速。 国内外学者在地铁爆破开挖对周边建筑的影响做了 大量研究， 冯叔瑜院士探讨了地铁爆破开挖对周围 建筑的影响， 提出的标准数值仅考虑地表振速， 未考 虑建筑结构上质点的振速以及建筑结构的振速放大 效应 [3]。胡辉荣通过研究动静条件下隧道爆破地 震波对高层建筑的放大效应， 发现动力条件下更贴 近于实测数据， 围岩条件越好， 高层放大效果越明 显 [4]。黄华东通过有限元 Midas-GTS 软件模拟隧道 爆破地震波对建筑物震动影响， 得出软岩更容易使 建筑产生高层放大效应 [5]。祝文化等发现在相同 的爆破振动高程放大效应条件下， 高差越大， 放大效 应越明显 [6]。张顶立[7]、 杜小刚[8]、 U Ozer、 程跃辉、 管晓明及王仁涛等 [10-12]， 分别对厦门隧道地表复杂 建筑、 既有隧道结构、 卡塔尔地铁隧道地表建筑物、 既有匝道结构、 隧道近距山坡楼房， 及青岛地铁下穿 地表建筑， 进行爆破振动测试研究， 针对不同特点结 构得出了很多有意义的结论。 综上所述， 大多学者研究爆破对高层建筑的影 响时， 由于工程条件局限， 往往只对特征对象的特征 点进行分析， 未对建筑物作全面研究。本文采用 Midas-GTS 有限元软件， 模拟城市地铁钻爆法施工 时隧道爆破对周围高层建筑的振动影响规律， 模拟 与实测结果相似， 在此基础上通过分析全区段震源、 传播途径、 爆心距等因素， 总结隧道爆破空腔放大效 应和建筑高程放大效应， 并着重分析隧道爆破开挖 所引起高层建筑振速变化规律和高层建筑受地震波 影响的破坏规律， 可为今后城市隧道爆破施工中爆 破优化设计和爆破振动安全监测提供参考。 1 三维数值模型 1. 1 工程概况 深圳城市轨道交通三期主体工程某标段主要为 中风化砂岩及灰岩， 均需采用爆破施工开挖， 该段地 表覆盖层 10 23 m， 地表建筑物多， 多为条形基础， 框架结构。地铁区间邻近一栋高层框架建筑， 共 20 层， 含地上 18 层和地下 2 层， 楼高 60 m， 延隧道轴 线方向长 35. 6 m， 垂直隧道轴线方向宽 21. 6 m， 层 高 3 m。该高层建筑为框架钢筋混凝土结构， 筏板 基础。当地铁隧道开挖至建筑正下方时， 采用 TC- 4850N 振动记录仪进行爆破振动监测， 测点布置于 地表建筑边沿柱体末端， 测点布置如图 1。 1. 2 模型参数 现模拟研究地铁隧道爆破对高层建筑的影响采 用三维模型计算， 模型整体图如图 1。 图 1 Midas-GTS 模型整体图 Fig. 1 Whole model diagram in Midas-GTS 土体模型长120 m， 宽100 m， Ⅱ级围岩厚35 m， Ⅳ级围岩厚 5 m。地铁区间为双线隧道， 三心圆断 面， 隧道拱顶埋深 15 m 隧道围岩条件为Ⅱ级， 无仰 拱设置， 循环进尺为 2 m， 共 50 环， 数值计算采用岩 土工程计算软件 Midas-GTS， 本研究内容仅限土体 和钢筋混凝土结构， 故Ⅱ、 Ⅳ级围岩采用摩尔-库伦 本构模型， 建筑采用弹性本构模型。材料计算参数 如表 1 所示。 表 1 材料计算参数表 Table 1 Physico-mechanical properties of rock and concrete 材料 弹模 E/ GPa 泊松 比 μ 容重 γ/ （kNm3 粘聚力 C/ MPa 内摩擦角 φ/ Ⅱ级围岩20. 00. 25 271. 550 Ⅳ级围岩1. 50. 30 230. 727 C35 砼20. 00. 182400 1. 3 计算参数 模型采用曲面弹簧定义弹性边界。根据现场施 工设备条件， 采用 40 mm 的炮孔直径， 设计循环进 尺 2 m， 一级掏槽装药量 3. 6 kg， 最大段 （即二级掏 槽3 段 装药量6. 4 kg， 全断面钻爆法炮孔布置。在 Midas-GTS 中以曲面动力荷载方式加载， 加载在未 开挖隧道轮廓线侧壁上， 环向一周， 方向垂直于侧壁 向外。爆破荷载应力峰值按下式计算 [13， 14] Pmax 139. 97 Z 844. 81 Z2 2154 Z3 - 0. 8034（1 841爆 破 2018 年 3 月 万方数据 式中 Z R/ 3 √Q为比例距离; R 为炮眼至荷载作 用面的距离， m; Q 为炮眼填药量， kg。 由上式计算得等效到隧道轮廓线上的荷载峰值 Pmax 44. 0 MPa 结合数值模拟处理方法和相关文 献， 假定简化的爆破荷载曲线的上升段为 2. 5 ms， 持续总时间为 17 ms， 荷载曲线如图 2 所示。 图 2 荷载曲线 Fig. 2 Load curve 采用萨道夫斯基经验公式回归分析， 对比由现 场测试结果得到的爆破振动速度回归趋势线和由数 值模拟计算得到的回归趋势线， 见图 3， 两者一致性 较好， 表明值模拟计算是可行的。且数值模拟与现 场测试都显示 Z 方向的质点振速最大。诸多学者 提出在分析爆破振动对高层建筑物振动影响时， 速 度峰值可以作为主要评价标准 [15]， 浅埋隧道爆破振 动产生的垂向速度比水平径向速度和水平切向速度 要大 [16， 17]， 所以主要以垂直方向的爆破振速作为对 建筑物振动影响的依据。 图 3 现场测试与数值模拟对比 Fig. 3 Comparison between field test and numerical simulation 2 隧道已开挖段的空腔放大效应 2. 1 单隧道空腔效应分析 隧道由左侧向右以两米为一个进尺分 50 个开 挖步， 逐层开挖， 如图 4 所示。为便于分析对框架建 筑柱体进行编号， 如图 5。从图 6 中可以看出， 由左 向右逐段爆破时， 距离建筑左侧 10 m 以外 （0 22 m 段 的爆破所引起的振动为 1 cm/ s 远小于爆 破安全规程 （商业建筑质点振速≤5 cm/ s ， 无需安 全监测; 同样的， 距离建筑右侧 15 m 以外 （84 100 m 段 的爆破所引起的振动， 无需对建筑进行监测。 右侧较左侧监测范围扩大了 1. 5 倍。是由于右侧爆 破时建筑底部隧道已开挖， 形成了已开挖隧洞段空 腔放大效应， 导致建筑振速增大， 所以需扩大监测范 围。由图 7 可知， 隧道 45 46 m 区段爆破时， 地表 框架结构柱体振速存在较为明显的隧洞空腔放大现 象 [4]， 且随着爆心距的增加放大效应也增大， 最大 放大倍数为 1. 79 倍。 图 4 分段开挖示意图 Fig. 4 Sketch map of sublevel excavation 图 5 地表建筑柱体编号 （单位 m Fig. 5 Column number of the building （unit m 2. 2 双向隧道空腔效应分析 研究两条并行隧道同时施工开挖情况下， 其中 一条 隧道开挖成洞后是否对于地表建筑的峰值振 动速度产生影响， 即隧道爆破开挖时临近隧道空洞 对于高层框架结构爆破振动速度的影响规律。 941第 35 卷 第 1 期 张 忆， 杨文东， 彭 振， 等 地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应 万方数据 图 6 逐进尺 （0 100 m 爆破开挖时柱 y1、 y8 峰值速度变化 Fig. 6 Variation of peak value of column y1 and y8 in layered blasting from 0 100 m 图 7 隧道已开挖与未开挖段地表建筑振速变化曲线 Fig. 7 Vibration velocity variation curve of the surface building above the tunnel excavation and unexcavation section 左线未开挖， 右线中间区间爆破; 左线开挖一 半， 右线中间区间爆破; 左线完全开挖结束， 右线中 间区间爆破， 3 种工况布置如图 8 所示。 图 8 并行隧道不同开挖顺序示意图 Fig. 8 Schematic diagram of different excavation sequence of parallel tunnel 由迎爆侧柱体振动速度图 9 可知， 右侧隧道维 持半开挖， 左隧道依次定义为未开挖、 半开挖和全开 挖。对于 1区域的柱体左隧道未开挖与半开挖振 速数值相差无几， 变化值在 1. 01 1. 02 倍之间; 左 侧全开挖与未开挖或者半开挖相比放大 1. 12 1. 18 倍。对于 “右侧隧道已开挖” 区域柱体 （y4 y1 ， 在三种工况下的柱体振速相近， 振速比值在 0. 90 1. 05 倍之间。可见并行邻侧隧道空洞带来 的振速放大效应， 相对于单一隧道自身的空洞所产 生的地表振速放大效应要弱得多。甚至在部分区域 出现振速减小的情况， 存在侧洞空腔振速阻碍现象。 图 9 框架结构柱体底部振动速度 Fig. 9 Vibration velocity of column at the bottom of frame structure 首先， 对比工况一 （建筑与隧道距离 34. 6 m， 放 大 1. 43 倍 跟单隧道空腔效应 （建筑与隧道距离 13. 5 m， 放大1. 79 倍 ， 可知建筑与隧道的距离是影 响空腔放大效应的主要因素， 距离越近放大效应越 明显。其次， 分析工况一与工况三， 工况一中掌子面 前方已经开挖， 空腔效应明显 （1. 43 倍 ， 而工况三 中， 爆源左侧隧道完全开挖形成的空腔影响一般 （1. 18 倍 ， 可见空腔相对于爆源的位置也是重要影 响因素， 空腔位于同隧道掌子面前方与空腔位于并 行异侧隧道相比， 前者放大效应更明显。再者， 工况 二和工况三中 “右侧隧道已开挖” 区柱体存在侧洞 空腔振速阻碍现象 （0. 9 倍 。 3 建筑高程放大效应 距离建筑最近的区段 48 50 m 爆破开挖时， 按 照各柱体振速随着楼层升高所呈现的不同变化规律 分为 衰减区， 过渡区， 放大区。 3. 1 衰减区 由图10 可知， 迎爆侧的框架柱体 y2、 y3、 y4、 y5、 y6、 y7 内各质点垂向峰值速度分布规律较为相似， 在 1 15 层之间随着楼层的增高， 垂向峰值速度逐 渐减小， 在 5、 6 层时质点垂向峰值速度开始小于 2 cm/ s， 并继续减小后趋于稳定， 15 层之后存在鞭 梢效应， 顶层振速相对于 15 层振速有微弱放大效应 （1. 10 1. 25 倍 。 051爆 破 2018 年 3 月 万方数据 图 10 衰减区各柱体随楼层增高速度变化曲线 Fig. 10 Velocity variation curve of columns in attenuation region with the height of building 1 8 层柱体振速衰减迅速， 以第 8 层振速相对 于第一层振速的减小比率为衰减率， 计算结果如表 2 所示。相同爆心距下， 下部已开挖 y1 柱， 峰值振 速衰 减 40， 未 开 挖 部 分 的 y8 柱， 振 速 衰 减 24. 4。 柱下有已开挖隧道时， 柱体振速衰减比柱下 无隧道时衰减的快。不同爆心距时， 爆心距为 13. 6 m 时， 峰值振速衰减了 84. 1， 而随着爆心距 增加到 22. 3 m 时只衰减了 40， 可见爆心距越远 柱体振速衰减的越慢， 我们称这种空腔加速振速衰 减的现象为 “空腔阻尼效应” [18]。 表 2 柱体振速衰减表 Table 2 Vibration velocity attenuation of columns 爆心距/ m 峰值振速衰减率/ 柱体下侧有已 开挖隧洞 柱体下侧 无隧洞 13. 684. 183. 7 15. 480. 277. 2 18. 467. 352. 6 22. 340. 024. 4 3. 2 过渡区与放大区 从图 11 中可以看出， c2、 y1 柱与 c4、 y8 柱体上 质点垂向峰值速度分布规律极为相似， 同时也是边 角柱交界区向背爆侧边柱放大区的过渡。其图中速 度曲线较为复杂， 柱体在第 1 层至第4 层 （即1/5 楼 高 内振速放大， 最大放大倍数出现在 c2 柱体， Nc2 （max1. 562， 然后开始衰减至第 14 层 （即 3/4 楼 高 ， 其后随着楼层升高， 垂直振速存在微弱的放大 效应， 最大放大倍数 Ny8 （max1. 253。 因此， 对于迎爆侧向背爆侧过渡的区域， 建议对 3 至 5 层的质点进行观测， 防止其达到速度峰值。 同时还需要对建筑顶部进行监测， 观测爆破振动高 程放大效应及其规律。 图 11 过渡区各柱体随楼层增高速度变化曲线 Fig. 11 Velocity variation curve of columns in transition region with the height of building 由图 12 可知， 背爆侧柱体 b1、 b2 、 b3、 b4、 b5、 b6、 b7、 b8 内各质点垂向峰值速度分布规律也极为 相似， 大体上为垂向峰值速度随着楼层的增高有持 续增长趋势。最大放大倍数出现在 i 柱 Nb6 （max 3. 48， 且顶部曲线没有出现平缓趋势， 这是因为顶层 所受约束较小， 相对于约束较大的底层振速出现放大 效应。背爆侧由于爆心距较大， 最大振速Vb1 （max 0.56 cm/ s， 远小于爆破安全规程， 可不予监测。 图 12 放大区各柱体随楼层增高速度变化曲线 Fig. 12 Velocity variation curve of columns amplification region with the height of building 4 结论 利用动力有限元分析软件对隧道不同开挖工况 下高层框架结构响应特点， 总结如下 （1 高层建筑背爆侧边柱存在明显振速放大效 应， 顶层相对于底层最大放大 3. 48 倍。 （2 迎爆侧建筑柱体振速随楼层升高无明显放 大现象， 垂向峰值振速随楼层的增高先减小后增大， 151第 35 卷 第 1 期 张 忆， 杨文东， 彭 振， 等 地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应 万方数据 存在微弱鞭梢效应， 且迎爆侧有明显的隧道空腔放 大效应。 （3 随着楼层的增高， 迎爆侧框架柱体下侧有 已开挖隧洞时柱体振速比无隧洞时衰减的更快， 空 腔阻尼效应明显。 （4 空腔放大效应的主要影响因素有框架结构 与隧道的间距、 已开挖隧道空腔相对爆源位置等， 前 者影响更显著。 参考文献 References [1] 张 旭， 张成平， 韩凯航， 等. 隧道下穿既有地铁车站 施工结构沉降控制案例研究 [ J] . 岩土工程学报， 2017， 39 （4 759-766. 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