城市地铁爆破开挖对浅埋地下大直径管道的安全影响研究1

赵建平 宋晓东



城市地铁爆破开挖对浅埋地下大直径管道的安全影响研究1

赵建平 宋晓东

（中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083）

在城市浅埋地铁爆破开挖中，经常遇到地下管网、涵洞等构筑物，而爆破地震效应对其影响范围和程度的正确评价就显得尤为重要。本文以长沙地铁爆破开挖为例，以现场实测数据为基础，采用有限单元法，对爆破振动下大直径混凝土污水管道的动力响应、变形和动应力等进行了计算，评价了爆破地震对管道的安全影响。研究表明：管道在控制爆破作用下是偏于安全的；爆心距是影响管道受到爆炸作用力影响大小的最主要因素；对于以实测数据为基础，采用加速度激励的时程分析方法以爆破振动对埋地管道的影响进行评价，是一种可行且较为精确的方法。

爆破振动 有限元 时程分析 动力响应

引言

随着爆破技术在城市地下工程施工中的逐步应用，爆破振动对埋设在其周围的结构或构件造成的危害也越来越受到关注。地下爆破施工产生的应力波，可以通过土层对其上部埋设的管线结构造成危害，一旦发生破坏将造成严重的经济损失和社会影响。管道通常埋在地下，爆破动力响应无法通过实测数据得出，破坏后不易被发现和修复，容易造成更严重的次生事故，因此如何对这种影响进行正确的评价就显得尤为重要。《爆破安全规程（GB 6722-2003）》（中华人民共和国国家标准，2003）指出，评价爆破振动对结构安全的影响主要依据爆破地震动速度，即通过实测数据与规程允许速度做对比进行评价，但是仅仅根据最大振速来评价对结构安全的影响显然是不够的。宋光明等（2000）和史秀志等（2010）根据爆破振动实地监测及质点振速预测方程，结合现场损伤破坏调查，提出了一种爆破振动危害动态应力比评价方法，然而这种方法对于地下埋地管线的研究还是有一定的局限性；娄建武等（2003）采用反应谱方法研究爆破振动信号的振动速度和频率特征，提出了采用反应谱曲线积分值来评估爆破振动破坏效应，但没有完全分析出结构的动力响应。该类问题实际上是结构动力响应问题，要正确分析结构动力响应最佳的分析方法是依据爆破地震实测数据，采用动力分析的方法准确分析结构的动力响应、变形、动应力等（钱胜国等，2006）。

为了更科学精确地评价地下隧道爆破对埋地污水管道的影响，本文运用有限单元法，基于实测爆破地震动数据，对埋地管道进行了动力时程分析。并以长沙地铁2号线暗挖爆破工程为例，评价了控制爆破工程中爆破地震动对管道的安全影响。

1 结构动力时程分析原理

时程分析法是基于地震动反应数值仿真，模拟实际地震作用的方法，是反映建筑结构地震响应的最直接的方法（吴小峰等，2011）。在计算结构动力响应时，从地基处输入实测爆破地震波，从爆破地震动初动开始，逐步对动力平衡方程积分，直至地震动波振幅为零的时刻停止，以求得地震动过程中任一时刻的结构变形和内力，该方法能“再现”结构在爆破地震动时的变形状况，是非常精确的动力分析方法（陈颖，2009）。

把爆破振动作用下的土-结构作为相互作用的体系进行爆破地震反应分析（裴星洙，2006），根据达朗贝尔原理可以建立该体系在地震作用下任一时刻的动力平衡方程：

式中，［］为系统的质量矩阵；［］为阻尼矩阵；［］为系统的刚度矩阵；、、分别为系统的加速度、速度和位移向量；为输入地震加速度向量。

对该运动方程求解时，采用时程逐步积分法，将整个地震过程分为若干微小时间段，并假设在各微小时间段内体系是线性变化，通过积分可得到体系在整个地震过程中各时刻的运动状态及其变化情况。同时还可将式（1）转变成增量方程：

2 工程概况

分析实例为长沙轨道交通2号线西湖公园站—溁湾镇站区间隧道暗挖工程。区间隧道断面形式采用分离式单洞断面，区间暗挖段线间距13m，采用分离式单洞断面形式，马蹄形断面结构，采用上下台阶法施工，开挖断面宽6.30m，高6.60m，开挖面积34.5m2。本文主要分析区间隧道爆破开挖时，爆破振动对埋地污水管道的影响，故选取位于污水管道上方编号XYCD-4号监测点，对3月25日到4月27日监测到的5次爆破实测数据进行分析（以4月23日数据为例附图）。实测数据见表1；实测振动波形如图1所示。

表1 隧道爆破振动四号测点监测数据表

续表

时间监测点编号最大段量（kg）总药量（kg）爆心距（m）垂直振动速度（cm/s）振动持续时间（s）振动主频（Hz） 4月12日XYCD-411.83555.90.2871.51820.02 4月22日XYCD-49.661.444.70.2161.92441.62 4月23日XYCD-410.050.820.80.6281.82014.65 4月27日XYCD-49.254.672.60.2131.99218.56

图1 4月23日实测垂直方向振动波形

图2 物理模型图

3 浅埋污水管动力响应分析

3.1 有限元模型的建立

爆破地震作用下，埋地管道的动力响应是土与管道结构共同作用、相互影响的结果。对于污水管道，其埋在地下，爆破动力响应无法通过实测数据得出，而借助数值模拟仿真可分析地下结构在爆破地震动作用下的动力响应。

实际场地为三维，为便于分析，截取管道横断面作为分析对象，把三维问题简化为二维平面应变问题。设模型中混凝土污水管道管芯外径为2.40m，厚320mm，埋深4m，上边界为自由地面，下边界距上表面18.4m。结构所处场地上表面距离地下10m为土体，往下8m为基岩，物理模型如图2所示。基于均匀化理论及有限元方法（闫晓鹏等，2011），在ANSYS建模时，钢筒按照与混凝土弹性模量之比，将钢筒等效为混凝土。场地土、混凝土管芯、基岩均采用平面单元PLANE42模拟，预应力钢丝采用LINK8模拟，采用初始应变法施加预应力。预应力钢丝与混凝土采用COMBIN14单元连接。根据工程项目提供的地质资料并查阅相关资料，确定模型中材料特性如表2所示。边界条件底边和两个侧边界均采用粘弹性人工边界条件处理（刘晶波等，2006；2007；刘汉龙等，2001）。根据经验做法，通常取地下结构宽度的5—10倍范围作为计算区域（杜英杰，2008），有限元模型中左右两侧边界取离地下管道25m，本文计算的有限元模型共23087个单元，23522个节点。ANSYS模型及网格划分如图3所示。

图3 有限元模型及网格划分图

表2 材料参数

3.2 动力响应分析结果

实测数据表明，本次爆破以竖向振动为主，故输入地震波采用实测竖向地震动。本文取离污水管道正上方约5m处四号监测点实测竖直方向波形为例进行分析，通过对实测速度波形进行一元微分，得到了加速度时程曲线，然后采用加速度激励的时程方法进行加载求解。计算结果见图4—图6。

图4 污水管道变形图

计算结果表明，爆破振动对污水管道产生的最大拉应力为370.49Pa，主要集中在管道上下两侧的内侧；爆破振动对于整个爆破模型产生的整体最大位移为1.476mm；爆破振动对于污水管道产生的最大位移为1.213mm，几乎可以忽略不计。另外，取污水管道顶部2号节点做时间历程后处理，分别得到了该节点的竖向位移、速度、加速度时程曲线，具体如图7—图10所示。

图7 2号节点位置

图8 2号节点竖直方向位移时程曲线

图9 2号节点竖直方向速度时程曲线

图10 2号节点竖直方向加速度时程曲线

从图9中可以得到，2号节点最大速度为0.625cm/s，这与地表4号测点竖直方向实测数据0.628cm/s相差不大。同时，分别输入其他几次爆破监测实测波形，还可分别得到污水管道垂直方向的动力响应位移、响应应力和2号节点的响应速度，结果见表3。

表3 时程分析结果

3.3 结果分析

从表3可知：①时程分析得到的最大振速与实测数据相差很小，都远小于爆破规程中规定的4cm/s。时程分析数值偏小，是因为四号测点比地下污水管道离爆源更近，但与实测数据很接近，说明时程分析结果基本可靠。笔者建议对地下污水管道的监测可以采用管道上方附近地面实测数据作为重要参考依据。②爆破振动对污水管道产生的响应位移非常小，最小位移为0.179mm，爆心距为20m时最大动力响应位移才1.213mm，几乎可以忽略不计。③爆破振动对管道产生的等效应力最大值为680Pa，远小于混凝土管道MPa级的抗拉强度，也远小于按《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》规定方法的计算结果3MPa（薛景宏等，2005）。可以说，地铁隧道爆破振动对管道影响甚小，管道基本处于安全稳定状态。

另外从表3还可以得出，并不是响应速度越大，响应位移就越大，这还与爆破振动持续时间有关。爆破振动持续时间越长，速度越大，则产生的响应位移就越大。

比较装药量和爆心距对管道动力响应的影响时，当最大段药量相差不大，随着爆心距的减小，表3中第一次和第四次监测动力响应速度和位移增幅较大；在爆心距相差不大时，随着药量的增加，第一次和第五次监测动力响应速度和位移增幅并不明显，位移几乎无变化。时程分析表明，管道的受力及运动情况受爆心距的影响远大于装药量大小的影响。笔者建议在城市地下爆破开挖工程中，如遇到管道的安全问题，应该首先考虑管道到爆源的距离大小，爆心距是影响管道受到爆炸作用力大小的主要因素。

4 结论

（1）对地下污水管道进行的动力时程分析表明，数值计算的管道最大振速与实测数据相差不大，且都远小于爆破规程中规定的4cm/s。爆破对管道产生的动力响应位移和应力也都非常小，几乎可以忽略不计。在地铁控制爆破施工中，爆破振动对埋地管道影响甚小，管道是安全的。建议对于地下污水管道的监测可以采用管道上方附近地面实测数据作为重要参考依据。

（2）地铁控制爆破施工中，爆破振动持续时间也应当引起足够重视；此外，管道的受力及运动情况受爆心距的影响远大于受装药量大小的影响。建议在进行地下爆破时，对于管道的安全问题应该首先考虑管道距爆源的距离大小，爆心距是影响管道受到爆破作用力影响大小的主要因素。

（3）以实测数据为基础，采用实测数据结合加速度激励的时程分析有限元方法，就爆破地震对埋地污水管道的影响进行了评价，计算出了实际变形、动应力等。结果表明本文的计算方法是有效的和较为准确的。

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Security Impact of Blasting Excavation of Urban Subway on Shallow Buried Large Diameter Pipeline

Zhao Jianping and Song Xiaodong

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In the process of shallow buried underground blasting excavation, there often exists underground pipe network, culverts and other buildings. Therefore, the influence range and degree of accuracy evaluation for the blasting is particularly important. Taking Changsha subway tunnel blasting construction as an example, we used finite element method based on spot-measuring data to calculate the pipeline dynamic response on buried sewage pipeline under tunnel blasting vibration as well as deformation and stress, and to evaluate the safety effect of blasting vibration on pipeline. The results show that the pipelines are basically safe. Blasting distance is the main factor to pipeline affected by explosive force size. Finally, time-history analysis method of acceleration excitation is a feasible and accurate method for evaluating the impact on buried pipeline and blasting vibration.

Blasting vibration; Finite element; Time-history analysis; Dynamic response

国家自然科学基金青年基金（51104178）

2014-12-19

赵建平，生于1977年。博士，副教授。研究方向：工程爆破、岩土工程。E-mail：jpzcsu@126.com