塌落触地振动对地铁管片结构的影响研究.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 6 年1 2 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．3 3N O ．4 D e c ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 2 6 塌落触地振动对地铁管片结构的影响研究 黄小武1 ，谢先启1 ，钟冬望2 ，贾永胜1 ，姚颖康1 1 ．武汉爆破有限公司，武汉4 3 0 0 2 3 ；2 ．武汉科技大学，武汉4 3 0 0 6 5 摘要为研究建 构 筑物爆破拆除塌落触地振动对地铁管片结构的影响，结合武汉市精武片区爆破拆 除工程，采用A N S Y S 有限元软件对周边地铁管片结构进行了模态分析和动力响应研究。模态分析的计算结 果表明地铁管片结构的前十阶主振频率在0 ．1 ～0 ．2 6H z 之间，属于低频。说明管片结构对低频的触地振 动比较敏感，低频成分高的触地振动更容易对其造成破坏。塌落触地振动作用下地铁管片结构的动力响应 计算结果表明，行车道墙角处的质点振动速度峰值与实测值比较吻合，地铁结构顶板和侧帮位置处的最大主 应力值比较接近，最大值为3 ．2 4M P a ，低于钢筋混凝土材料的拉伸极限。 关键词爆破拆除；触地振动；地铁管片结构；动力响应 中图分类号T D 2 3 5 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 1 3 5 0 5 S t u d yo nI n f l u e n c eo fI m p a c tV i b r a t i o no nS u b w a yS e g m e n t sS t r u c t u r e H U A N GX i a o W U l ，X I EX i a n q i l ，Z H O N GD o n g w a n 9 2 ，J I AY o n g s h e n 9 1 ，Y A OY i n g k a n 9 1 1 ．W u h a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，W u h a n4 3 0 0 2 3 ，C h i n a ； 2 ．W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fs u b w a ys e g m e n t ss t r u c t u r eu n d e ri m p a c tv i b r a t i o ni n d u c e db yc o l l a p s eo fb u i l d i n gi n d e m o l i t i o nb l a s t i n gi ss t u d i e db a s e do nd e m o l i t i o nb l a s t i n go fb u i l d i n g si nJ i n g W ud i s t r i c ti nW u h a nc i t y ．M o d a la n a l - y s i sa n dd y n a m i cr e s p o n s eo fs u b w a ys e g m e n t ss t r u c t u r ea r er e s e a r c h e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ．T h e m o d a la n a l y s i so ft h es u b w a ys h i e l dt u n n e ls e g m e n t ss h o w st h a tt h ef i r s tt e nn a t u r a lf r e q u e n c i e sb e t w e e n0 ．1 ～ 0 ．2 6H zb e l o n gt ol o wf r e q u e n c y ，S Ot h es t r u c t u r eo fs u b w a yt u n n e li sm o r es e n s i t i v et ot h el o wf r e q u e n c yv i b r a t i o n ， a n dt h ei m p a c tv i b r a t i o nw i t hl o wf r e q u e n c yc a nm a k ed a m a g et os h i e l dt u n n e lm o r ee a s i l y ．T h ed y n a m i cr e s p o n s eo f s u b w a ys e g m e n t ss t r u c t u r eu n d e ri m p a c tv i b r a t i o ns h o w st h a tt h ep e a kv a l u eo fv i b r a t i o nv e l o c i t yo nd r i v e w a yc o r n e r i sc o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e m e n to n e ．T h em a x i m n mp r i n c i p l es t r e s so nt h er o o fi sc l o s et ot h ev a l u eo ns i d ep a r t s ． T h ep e a kv a l u ei s3 ．2 4M P aw h i c hi sl e s st h a nt h el i m i tv a l u eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ． K e yw o r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；i m p a c tv i b r a t i o n ；s u b w a ys e g m e n t ss t r u c t u r e ；d y n a m i cr e s p o n s e 近年来，我国城市控制爆破工程多集中在闹市 区，周围建 构 筑物分布密集，地下管线错综复 杂‘1 | 。例如2 0 1 2 年2 月，南京市水西门高架桥爆 破拆除工程；2 0 1 3 年5 月，武汉市沌阳高架桥爆破 收稿日期2 0 1 6 一0 7 1 6 作者简介黄小武 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，从事工程力学相关的 科研工作， E m a i l h o h o s h a r k 1 2 6 ．c o n 。 通讯作者谢先启 1 9 6 0 一 ，男，湖北洪湖市人，教授级高级工程师、 博士生导师，主要从事工程爆破理论研究与工程实践工 作， E - m a i l x x q b l a s t 1 6 3 ．c o n 。 基金项目国家自然科学基金 5 1 1 7 4 1 4 7 拆除工程；2 0 1 4 年8 月，武汉市红旗家俱国际博览 中心爆破拆除工程；以及2 0 1 4 年1 1 月，武汉市交通 学校 北区 8 栋群楼爆破拆除工程等。城市控制爆 破技术为城市建设作出了巨大的贡献，同时，也带来 了一些难以避免的有害效应。其中，爆破振动波及 的范围广、危害大，负面影响最为突出。以前，有关 爆破振动的研究多着眼于保障地面上的建 构 筑 物的安全，而忽视了对地下结构和地下管线的保 护口’3J 。最近几年，我国城市地铁等地下结构的发 万方数据 1 3 6爆破 2 0 1 6 年1 2 月 展建设迅速，天然气管道、输油管道、电线、电缆等地 下管线的分布非常广泛。在城市实施爆破拆除作业 时，塌落体触地诱发的触地振动可能对这些对下结 构和地下管线造成破坏，如此严峻的问题逐渐引起 爆破研究人员的广泛关注。王文辉、赵根对城市大 型高架桥爆破拆除工程进行了研究，发现桥体垮塌 触地振动的影响范围有限，振动频率高于自然地震 的频率，不易对周边建 构 筑物造成破坏，采取合 适的降振、防护措施，可以保证周边建筑物和地下管 线的安全HJ 。王春玲、梁为民等以一座1 5 0m 烟囱 爆破拆除工程为例，分析了高耸建筑物爆破拆除塌 落触地振动的危害，通过优化爆破参数和采取安全 防护措施，保证了周边建筑物和地下管线的安 全∞J 。韩传伟采用理论分析和数值模拟手段，研究 了房屋和高架桥爆破拆除倒塌的触地振动对周边建 筑物和地下管线的影响MJ 。刘沐宇、卢志芳采用 A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元软件，对接触爆炸荷载作 用下长江隧道的动力响应问题进行了分析，发现隧 道衬砌最易受损的部位在顶板、底板和左、右侧帮 处l7 I 。李秀地、郑颖人等建立了爆炸荷载作用下地 下结构的局部层裂模型，计算得到不同围岩作用下 地下结构的应力时程1 。国胜兵、王明洋等采用有 限元软件F L A C ，对爆炸荷载作用下地下结构的动 力响应问题进行了分析，并建立了地下结构的土体 围岩分析模型∽J 。 目前，爆破拆除工程中，普遍采用周家汉研究员 提出的经验公式来估算建 构 筑物爆破拆除倒塌 触地时周边地面的振动速度H0 。。采用同样的计算 公式来估算地下结构的振动速度，势必存在较大误 差。通过查阅大量国内外相关文献，可以发现，有关 地铁管片结构在触地振动作用下的动力响应研究还 比较匮乏。亟需通过理论分析、模型试验和原型观 测等方法研究爆破拆除塌落触地振动对地铁管片结 构的影响。结合武汉市精武片区爆破拆除工程，采 用A N S Y S 有限元程序计算了地铁管片结构的模态， 并分析了触地振动作用下地铁管片结构的动力响应 情况。 爆破拆除塌落触地振动作用下的振动特性，及其可 能存在的破坏形式，进而评价整个结构的稳定性。 采用A N S Y S 有限元软件对盾构隧道及周围围岩模 型进行模态分析，研究其在不同频率下的振动响应 情况。根据勘察和设计资料[ 1 1 ] ，建立A N S Y S 有 限元计算模型。地铁盾构隧道管片衬砌内径为 5 ．4m ，管片厚度为3 0c m ，隧道顶板距离地面为 1 1m 。有限元计算模型自上而下，根据土层的物理 力学性质不同而分为4 层，依次为杂填土、粘土夹砾 石、风化泥岩和泥岩，如图1 所示。根据圣维南原 理，地铁盾构隧道周围围岩的计算模型取为隧道内 径的4 ～5 倍，整个模型的水平方向长度为8 0m ，竖 向高度 深度 为3 9 ．7m ，地铁盾构隧道的有限元计 算模型如图2 所示。 图1围岩分层情况示意图 单位c m F i g ．1 D i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k u n i t c m 图2 模态分析有限元模型 F i g ．2 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm o d a la n a l y s i s 1 地铁盾构隧道管片结构的模态分析 通过A N s Y s 有限元软件计算，得到地铁盾构隧 为分析地铁盾构隧道管片结构在建 构 筑物道管片结构的前十阶模态如表1 所示。 表1 地铁管片结构前十阶振型对应的频率值 单位H z T a b l e1F i r s tt e nn a t u r a lf r e q u e n c i e so fs u b w a ys e g m e n t ss t r u c t u r e u n i t H z 万方数据 第3 3 卷第4 期黄小武，谢先启，钟冬望，等塌落触地振动对地铁管片结构的影响研究 1 3 7 分析地铁盾构隧道管片结构的模态计算结果， 可以发现地铁盾构隧道管片结构的前十阶振型的 主振频率在0 ．1 0 ．2 6H z 范围内，属于低频，说明 该地铁盾构隧道管片结构对低频的外界激励比较敏 感。结合本文的研究目的，在进行建 构 筑物爆破 拆除工程中，低频成分高的触地振动更容易对周边 地铁盾构隧道管片结构造成破坏。 2 触地振动作用下地铁结构的动力响 应分析 武汉市精武片区群楼爆破拆除工程中，一栋待 爆破拆除的工业大楼，整体呈长方体，长4 5m 、宽 1 2m 、高4 9 ．6m ，总质量约为4 2 0 0t 。距离其一侧 6 ．0m 处是武汉市地铁二号线，地铁盾构隧道顶板 距离地面为1 1m ，如图3 所示。采用定向倒塌爆破 拆除方案时，塌落体触地引起的振动，可能对周边地 铁盾构隧道管片结构造成危害。因此，在实施爆破 拆除之前，需要分析建筑物爆破拆除倒塌的触地振 动对地铁盾构隧道的影响。 图3 待拆除建筑物与地铁盾构隧道示意图 单位m F i g ．3 D e m o l i s h e db u i l d i n ga n ds u b w a y s h i e l dt u n n e l u n i t m 爆破切口为三角形切口，切口高度为1 5m ，建 筑物倒塌后，重心下降高度约为3 0m ，重心距离盾 构隧道的水平距离约为3 0m 。在实际建模过程中， 考虑到建 构 筑物的结构比较复杂，建立模型难度 大，且会形成庞大的单元数。所以，为简化计算模 型，提高计算效率，可以采用圆柱体夯锤自由落体冲 击地面引起的扰动，近似建 构 筑物爆破拆除倒塌 触地振动【12 | 。由于大楼倒塌过程是依次倒塌触地， 换算成塌落体自由落体触地振动，塌落体的质量取 建筑物总质量的1 ／3 ，重心高度按2 0m 进行估算， 有限元计算模型如图4 所示。 图4夯锤冲击地面有限元模型 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr a m m e rt e s 根据土层和岩层的分层情况，在L S D Y N A 有限 元动力分析软件中。13 | ，杂填土材料采用木M A T S O I L A N D _ F O A M 本构模型，粘土夹砾石、风化泥岩 和泥岩材料均采用木M A T J O H N S O N H O L M Q U I S T C O N T R E T E 本构模型，而夯锤、隧道防水层和钢筋混 凝土管片材料均采用木M A T P L A S T I C 一ⅪN E M A 皿C 双线性随动硬化材料模型。最终计算得到盾构隧道 管片结构的顶点和行车道墙角 靠近塌落点 的振动 速度波形如图5 和图6 所示，得到盾构隧道顶板和侧 帮处的最大主应力波形如图7 和图8 所示。 i ∞0 g 一2 j d 似 制一6 幅 蜷一8 一1 0 对 山 羔 奄 R 目 州 斗 嘣 图5不同位置处质点振动速度时程曲线 F i g ．5 V i b r a t i o nv e l o c i t ycurveo fd i f f e r e n tp o s i t i o n H 引日J t l s 罔60 i ㈤f 讧什处．f { { 人{ 应力H J 。r “f - 1 I t t I 线 I l g ．6 M a x i m u mI l _ i t ．i p a ls 【I { 、s s 、u r 、7 eo t ’ t i f t h e n tp “s i l i o n 计算结果表明，地铁盾构隧道管片结构中A 点 处的振动速度最大值为9 ．2 5c m ／s ，B 点处的振动速 度最大值为6 ．7 6c m ／s ；地铁盾构隧道顶板处最大 主应力为2 ．4 2M P a ，隧道侧帮处最大主应力峰值为 万方数据 1 3 8爆破 2 0 t 6 年1 2 月 3 ．2 4M P a 。可见，隧道管片结构中各质点的振动速 度在爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 2 容许的范围 防护钢板 内，隧道管片结构截面上的最大主应力低于钢筋混 凝土材料的拉伸极限。 图7 不同时刻地铁管片的V o n M i s e s 有效应力云图 F i g ．7 V o n M i s e se f f e c t i v es t r e s sn e p h o g r a mo fs u b w a ys e g m e n t so nd i f f e r e n tt i m e 缓冲沙层 图8 爆破现场地下管网防护不意图 F i g ．8 P r o t e c t i o no fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e si nb l a s t i n gs i t e 重心高度为2 0m 的夯锤在盾构隧道的正上方 的一侧自由落体撞击地面的过程中，观察不同时刻 盾构隧道管片结构的V o n ．M i s e s 有效应力云图，可 以发现夯锤在盾构隧道的正上方一侧自由落体撞 击地面时，诱发的应力波以圆形沿着土层和岩层传 播；在1 ．9 2s 时，应力波最先到达盾构隧道管片的 侧帮处 撞击点与管片结构直线距离最短的位置 ， 然后沿着侧帮向盾构隧道的径向和周向传播。夯锤 在盾构隧道的正上方的一侧自由落体撞击地面的过 程中，应力主要集中在隧道的左、右侧帮处。 3 现场监测结果与分析 为缓轻工业大楼爆破拆除塌落触地振动，进一 步保证地铁盾构隧道安全，提高安全系数。在建筑 物塌落范围的地面上铺设一层钢板，钢板上再铺 3 0c m 厚度的细沙，用以吸收塌落体触地撞击地面的 能量；在建筑物塌落区域与盾构隧道之间，开挖减振 沟，减小工业大楼爆破拆除塌落引起的触地振动损 坏地铁盾构隧道管片结构。 在爆破拆除现场，于地铁行车道墙角处 靠近 爆破区域一侧 布置由加拿大I n s t a n t e l 公司研发的 M i n iM a t eP l u s 爆破记录仪监测地铁管片结构的振 动速度。该记录仪的爆破振动量程为0 ．1 3 ～ 2 5 4m m ／s ，精度可达0 ．1m m ／s ，系统频率响应范围 为2 3 0 0H z 。监测得到地铁行车道墙角处的振动 速度峰值如表2 所示。 表2 行车道墙角的振动速度峰值实测数据 T a b l e2P e a kv i b r a t i o nv e l o c i t yo nd r i v e w a yc o r n e r 注“水平纵向”为指向爆破区域的方向 薹薰器鋈li 一目羞萤 墓蚕黧瑟瑟徽 一鞠基蓦裂猫 万方数据 第3 3 卷第4 期黄小武，谢先启，钟冬望，等塌落触地振动对地铁管片结构的影响研究 1 3 9 分析地铁盾构隧道的行车道墙角处的触地振动 峰值实测数据，可以发现，盾构隧道在垂直方向上的 振动峰值为1 ．9 7c m ／s ，与数值模拟的计算值基本 一致 实际施工时，采取了降振措施 。触地振动在 三个方向的主频为3 ．3 6 ．6H z 之间，对地铁盾构 隧道管片结构进行模态分析，得到前十阶主振频率 在0 ．1 0 ．2 6H z 之间。可见，工业大楼爆破拆除塌 落引起的触地振动的频率高于地铁盾构隧道管片结 构的固有频率，从而避免发生“共振”现象而导致隧 道管片结构产生位移或变形。 4 结论 1 对地铁盾构隧道管片结构进行模态分析， 研究了管片结构固有的振动特性。结果表明，地铁 盾构隧道管片结构的前十阶主振频率在0 ．1 ～ 0 ．2 6H z 之间，属于低频。说明该地铁隧道结构对低 频的触地振动比较敏感，低频成分高的触地振动更 容易对其造成破坏。 2 结合武汉市精武片区群楼爆破拆除工程， 运用数值计算方法，分析了建筑物倒塌触地振动对 周边地铁盾构隧道管片结构的影响，得到地铁管片 结构各质点的振动速度峰值为9 ．2 5c m ／s ，在爆破 安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 规定的范围内；地铁管 片结构所承受的最大主应力为3 ．2 4M P a ，低于钢筋 混凝土材料的拉伸极限；建筑物倒塌引起的触地振 动不会损坏附近地铁盾构隧道管片结构。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 谢先启．城市高架桥精细爆破拆除[ M ] ．北京科学出 版社，2 0 1 3 ． [ 2 ] 谢先启．精细爆破[ M ] ．武汉华中科技大学出版社， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 汪旭光，于亚伦．拆除爆破理论与工程实例[ M ] ．北 京人民交通出版社，2 0 0 8 ． [ 4 ]王文辉，赵根．大型城市高架桥爆破拆除振动特性 [ J ] ．工程爆破，2 0 1 4 ，2 0 5 4 1 - 4 5 ． [ 4 ] W A N GW e n h u i ，Z H A OG e n ．V i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l a r g ec i t yv i a d u c tb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ，2 0 1 4 ，2 0 5 4 1 4 5 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 王春玲，梁为民，张英才，等．复杂环境下高耸建筑物 爆破触地振动控制措施[ J ] ．工程爆破，2 0 1 4 ，2 0 5 4 6 4 9 ． [ 5 ] W A N GC h u n l i n g ，L I A N GW e i m i n ，Z H A N GY i n g c a i ，e t a 1 ．B l a s t i n gv i b r a t i o nc o n t r o lm e a s u r e so ft o w e r i n gb u i l d i n g b l a s t i n gd e m o l i t i o ni nc o m p l e xe n v i r o n m e n t [ J ] ．E n g i n e e r - i n gB l a s t i n g ，2 0 1 4 ，2 0 5 4 6 4 9 ． i nC h i n e s e [ 6 ]韩传伟．建 构 筑物爆破拆除倒塌触地振动研究 [ D ] ．武汉武汉科技大学，2 0 1 4 ． [ 7 ] 刘沐宇，卢志芳．接触爆炸荷载下长江隧道的动力响 应分析[ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 7 ，2 9 1 1 1 3 ．1 1 7 ． [ 7 ] L I UM u y u ，L UZ h i - 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4 ． 『1 0 ]Z H O UJ i a h a n ．D i s c u s s i o no nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc o l l a p s i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yc a u s e db yb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 9 ，1 5 1 1 - 4 ． i nC h i - n e s e [ 1 1 ] 武汉爆破有限公司．武汉精武片区群楼爆破拆除工 程技术设计[ R ] ．武汉武汉爆破有限公司，2 0 1 3 ． [ 1 2 ]王瑞贵．建筑物爆破拆除塌落触地震动效应研究 [ D ] ．武汉武汉大学，2 0 0 5 ． [ 1 3 ] L S D Y N AK e y w o r du s e r ’Sm a n u a l [ M ] ．C a l i f o r n i a L s T C ．2 0 0 7 ． 万方数据