随着城市轨道交通的不断发展, 在施工过程中偶尔会遇到基岩埋深较浅的情况, 这种情况下通常采用钻爆法施工, 但由于地铁施工多位于城市繁华地段, 地表既有构筑物复杂, 地层中既有管线繁多, 必须采取一定的减振措施保证周围建、 (构) 筑物的安全^[1,2,3]。目前针对减振沟、槽进行的研究多为减振沟、槽自身参数, 其中易长平、陈明等人对比分析了不同深度、不同宽度减振沟的减振效果以及减振沟与炮孔相对深度不同时的减振效果, 得出减振沟宽度对减振效果影响不大, 减振沟越靠近掌子面减振效果越好^[4,5]。顾宏伟针对减振沟数量对减振效果的影响进行分析, 得出两道减振沟减振效果优于单道减振沟的结论^[6]。余德运、梁开水等人针对减振沟的减振机理进行了一定的研究^[7,8]。但以上研究多针对岩质地层, 而对目前城市区域中的土岩复合地层研究较少^[9,10,11,12], 因此为了探讨此类条件下的减振问题, 应用数值计算软件对土岩复合地层条件下进行爆破数值计算以研究此种地层减振措施的减振效果。从而积累一定的理论基础, 为未来类似工程提供借鉴价值。

肖家河站—西苑站区间全长2 424.1 m, 设1座区间风井和2座区间竖井横通道, 其中区间风井—肖家河站采用盾构法施工, 长1 853.5 m, 区间风井—西苑站采用矿山法施工, 长539 m, 2座区间竖井采用倒挂井壁法施工。肖西区间硬岩段位于区间标准段和南侧渡线段以南, 隧道东侧为圆明园西路和万泉河高架桥, 西侧为国际关系学院。单线长118.2 m, 隧道顶板地层以强风化、中风化砂岩为主, 洞身和底拱主要位于中等风化砂岩中, 强风化砂岩以钙质~硅质胶结, 岩芯多呈碎块状, 中风化砂岩坚硬, 完整性好, 岩芯多呈柱状、长柱状, 饱和极限抗压强度91.27~110.70 MPa。隧道埋深16 m, 基岩上方土体分别为杂填土与砂卵石。

本次数值计算采用大型有限元软件ABAQUS, 由于其具有非常多的本构模型, 可以比较真实地反映出土岩复合地层的性状, 而且其在非线性问题求解上具有较大优势, 较为适合计算岩体因爆破产生振动波的传播与衰变规律, 因此选择ABAQUS中的Explicit分析模块进行运算。现建立模型尺寸为80m×80m×50m, 将形状复杂地层简化为规则块体, 模型四周采取无反射边界, 共计72 568个单元, 模型剖面如图1所示。爆破荷载采用三角形荷载^[4], 如图2所示, 升压时间为0.01s, 荷载作用时间为0.1s, 峰值压力为102.15MPa, 岩石参数密度取为2 600kg/m³, 弹性模量取为60 GPa, 泊松比为0.2, 其余参数依照Concrete Damage Plasticity本构模型进行设置, 上覆土体采用Mohr-Coulomb本构模型设置。区间隧道开挖方式为台阶法爆破开挖, 上下台阶错距15m。针对减振沟自身参数, 分别对减振沟与掌子面间错距、减振沟深度与宽度共进行8种不同工况进行计算, 如表1所示。

数值计算完成8种工况后, 分别控制单一变量对是否设置减振沟与减振沟的深度、宽度以及距掌子面间距进行对比分析, 由于实际工程中爆破点与西苑北桥最近水平距离为13m, 故选取水平距离距爆破点15, 20, 25, 30, 35, 40, 45m处地表点进行研究, 将不同工况下数据对比得出以下结论。

对比数值模拟中设置减振沟与未设置减振沟两种工况发现 (见图3) , 在爆心距15m的测点处, 设置减振沟后爆破引起的振速峰值为4.4mm/s, 未设置减振沟爆破后的振速峰值为16.9mm/s, 设置减振沟后振速峰值下降了12.4mm/s, 对比未设置减振沟工况下, 振速峰值下降了73.3%, 有效地控制了振速峰值, 保护既有构筑物的安全。随着爆心距的增加, 振速不断下降, 于15~20m范围内下降最快, 因此也应对此范围内既有构筑物进行严密监测, 以防止构筑物被过大的振速差值破坏。

将7处地表点因爆破引起的振动数据进行汇总并对比发现, 减振沟随着与掌子面错距增大, 其减振效果越差, 如图4所示。地表距爆破点15m的测点显示减振沟与掌子面错距2.5m的工况下, 爆破引起的峰值振速为4.4mm/s, 而减振沟与掌子面错距10.0m的工况下, 其爆破引起的峰值振速为3.4mm/s, 后者峰值振速为前者的77.3%。而随着爆心距的增长, 爆破引起的峰值振速也不断地下降, 尤其是在爆心距20m以上的情况下, 爆破对地表的影响已经在规范要求之下。当爆心距为45m时, 爆破峰值振速已衰减为0.3mm/s左右, 对地表既有构筑物影响已可忽略不计。

如图5所示, 随着减振沟深度的增加, 减振效果也随之增强。当减振沟深度为0.5m时, 其爆破引起的峰值振速为5.8mm/s, 而减振沟深度为2.0m时, 爆破峰值振速为3.7mm/s, 后者爆破峰值为前者的63.8%。同样, 随着爆心距的增长, 爆破引起的振动在逐渐减小, 直至爆心距45m处的测点监测振动数据表明爆破引起的振动对地表既有构筑物无影响。在爆心距<30m的情况下, 随着爆心距的增大, 爆破引起的振速峰值下降较快, 但爆心距>30m时, 爆心距增大对振速峰值下降速率影响变小, 曲线趋于平缓, 最终稳定在0.3mm/s左右。

通过3种不同工况 (减振沟宽度分别为0.5, 1.0m与2.0m) 进行对比分析, 发现减振沟宽度对减振效果的影响较小, 如图6所示, 代表3种工况的曲线发展趋势相近, 数值相近, 不同的减振沟宽度并未引起比较明显的减振效果差异。因此可说明减振沟宽度对减振效果影响不大, 同时工程上在减振措施施工中也常常利用岩石预裂来代替减振沟, 一定程度上结合并应用了现有的研究成果, 从侧面印证了减振沟宽度对减振效果影响较小。

现场通过试爆进行地质参数K, α的确定, 我国爆破安全规程采用保护对象所在地质点峰值振动速度作为爆破振动判据的主要物理量指标, 按下式计算爆破时产生的地面质点峰值振动速度:

式中:V为地面质点峰值振动速度 (cm/s) ;Q为炸药量 (kg) ;齐发爆破为总药量;延迟爆破为最大一段药量;R为观测 (计算) 点到爆源的距离 (m) ;K, α为与爆破点至计算点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

通过计算并综合本工程中所爆岩石形状, 且岩石顶部为土层, 振动衰减较快, 因此取K=150, α=1.7。西苑北桥距爆区最近距离为13m, 最大单响药量为0.8kg, 则该处的爆破振动速度为:1.69cm/s。计算得该点振动速度峰值为1.69cm/s<2.0cm/s。图7为实际爆破过程中地表监测点监测数据记录情况, 为单次爆破3个方向振动监测数据, 记录显示爆破引起的振速最大峰值方向为z方向 (隧道开挖方向) , 最大值为1.97cm/s, 与计算结果大致相同。可以看出, 数值模拟中未设置减振沟工况与实际现场施工中爆破引起的振动峰值数据二者数据相近, 曲线发展趋势大致相同, 但由于现场地质情况复杂, 施工质量可控性较差, 因此同样未采取减振措施情况下, 爆心距较小处测点峰值振速较数值计算结果稍大, 但差异较小, 可认为本次数值计算的有效性。经对比, 增加减振沟后的数值模拟较未施工减振沟的振速降低了73%, 数值计算与实际工况数值计算增设减振沟后峰值振速普遍在5mm/s以下, 因此说明减振沟在城市区域爆破施工中的重要性。

现场实际施工过程中与掌子面前方约3m处提前进行减振沟的施工, 减振沟自身参数分别为:距掌子面距离3m;减振沟宽度0.8m;减振沟深度2.0m。由于地下减振沟施工过程较困难, 所以减振沟深度控制效果较差, 但总体上减振沟深度可以保持在1.7～2.0m。随着爆破施工的进行, 爆破产生的碎石对施工好的减振沟产生了一定程度的回填, 但由于回填不密实, 减振沟中仍存在较多空隙, 因此其对爆破产生的体波和表面波仍有较好的削弱作用。施工减振沟后地表监测点监测数据如图8所示。

对比图7与图8得出实际施工减振沟后, 监测测点监测到的振速峰值3个方向均有显著程度的下降, 其中x方向振速峰值削弱66%左右, z方向振速峰值削弱50%左右, 证明了减振沟在实际施工中的有效性。

通过以上数值计算与实际监测数据的比较, 可以得出以下结论。

1) 在土岩结合地层条件下, 施加减振沟可以有效地控制爆破对地表既有构筑物的振动影响, 施加减振沟后可以降低约73%的峰值振速, 对保护地表建筑起到了重要作用。

2) 减振沟与掌子面间的错距越小, 减振效果越明显。错距2.5m工况下比错距10.0m工况下减振效果提高22.7%, 因此应合理设置减振沟与掌子面的间距, 从而达到良好的减振效果。

3) 减振沟深度增加, 减振效果越明显。由数值计算中得出深度2.0m工况下比深度0.5m工况下减振效果提高37.2%, 因此若场地条件受限, 可考虑增加减振沟深度来提高减振效果。

4) 减振沟宽度变化对减振效果无较大影响, 文中分析了3种不同宽度的减振沟, 但是振速峰值并未发生明显变化, 因此得出减振沟宽度对减振效果影响较小的结论。