隧道爆破与车辆移动荷载对既有百米高墩大跨刚构桥振动影响监测

何能方 曹晓川 张选龙 侯伟名 王李 雷飞亚 段明明

(1.中交隧道局第四工程有限公司，北京 100102；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；3.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

山岭隧道在前期选线及后期施工建设过程中将不可避免地会遇到相关地质难题，同时，隧道修建中与既有运营铁路、公路桥梁近接相交的情况也非常普遍[1-14]。

隧道下穿既有桥梁的施工过程中，会导致周边一定范围内隧道围岩发生形变和位移，当周边围岩的应力及变形传递到桥梁时，会打破桩基周围土体原有的平衡应力状态，降低桩基及上部结构的承载能力和自稳能力，影响既有桥梁的正常使用，甚至会导致桥梁桩基结构及上部结构产生失稳破坏[15]。同时，由于既有桥梁上有移动车辆，移动荷载作用对桥墩的振动影响也不容忽视。成昆铁路扩能改造工程垭口隧道以小净距小角度的方式下穿京昆高速公路城门洞大桥百米高墩，14 100 t的上部结构荷载使得隧道面临极大的偏压，加之连续刚构桥对变形的敏感性，使得工程难度和施工风险都大大增加。通过现场监测的手段展开新建隧道爆破和移动车辆荷载作用下的既有百米运营桥梁高墩振动影响研究，研究结果可为桥墩正常运行提供指导。

1 工程概况

垭口隧道下穿京昆高速公路D2K552+215～+400段属剥蚀高中山地貌，地形起伏较大，沟槽切割较深；上覆第四系全新统人工堆弃碎石土夹块石及坡残积粉质黏土，下伏震旦系片岩夹石英岩；下穿段岩性主要为片岩夹石英砂岩。该地层变质作用强烈，受多期构造影响严重，岩体节理发育，较破碎，围岩稳定性较差。垭口隧道洞门情况如图1所示。

图2为下穿段城门洞大桥桥墩实景，垭口隧道下穿段共穿越京昆高速公路城门洞大桥4个桥墩，分别为左线4号墩、5号墩，右线3号墩、4号墩。4个墩均为单桩基础，且地面以下为实心结构，桥墩尺寸为645 cm×680 cm。左线4号墩高123.5 m，埋入岩土层中约39 m；左线5号墩高137 m，埋入岩土层中约60 m；右线3号桥墩高123.5 m，埋入岩土层中约65 m；右线4号桥墩高138 m，埋入岩土层中约46 m。左线4号墩、5号墩的跨径和右线3号墩、4号墩的跨径均为110 m，桥面宽23 m。

图1 垭口隧道

图2 下穿段城门洞大桥桥墩实景

垭口隧道以30°斜交下穿京昆高速城门洞大桥，隧道开挖边缘距左线4号墩水平净距约7 m；距左线5号墩水平净距约24 m；距右线3号墩水平净距约33 m；距右线4号墩水平净距约6 m。因此，本次监测的桥墩主要为左线4号桥墩和右线4号桥墩。图3和图4分别为垭口隧道下穿京昆高速公路特大桥平面和垭口隧道与城门洞大桥位置关系示意。

图3 垭口隧道下穿京昆高速公路特大桥平面

图4 垭口隧道与城门洞大桥位置关系

垭口隧道拱顶开挖边缘距左线4号墩竖向净距33 m，距左线5号墩竖向净距约20 m，距右线3号墩竖向净距约31 m，距右线4号墩竖向净距约19 m。图5～图8为垭口隧道与四个桥墩的相对位置关系。

图5 垭口隧道与左线4号桥墩立面位置关系(单位：m)

图6 垭口隧道与左线5号桥墩立面位置关系(单位：m)

图7 垭口隧道与右线3号桥墩立面位置关系(单位：m)

图8 垭口隧道与右线4号桥墩立面位置关系(单位：m)

2 监测方案与控制标准

由隧道与百米桥墩相对位置可知，与隧道开挖方向最近的桥墩为右线4号墩和左线4号墩，隧道爆破点距左线4号墩最近。因此，选取左线4号墩和右线4号墩作为观测点，进行了多次观测，隧道爆破监测方案和车辆移动荷载监测方案如表1和表2所示。通过对实测波形进行时域分析和频谱分析，获得了观测点的质点峰值主频率、振动速度、振动持续时间等用于评判爆破振动的参数值，可为隧道爆破施工和桥面车辆限速管理等提供依据，从而确定隧道爆破及车辆移动荷载对桥墩的影响。

理论研究表明，采用物体的振动速度来表示振动强度较为科学、合理，这一结论已逐渐被国内外学者所肯定。

表1 隧道爆破监测方案

表2 车辆移动荷载监测方案

2.1 观测系统

TP3V-10097型速度传感器指标见表3。

表3 速度传感器指标

NUBOX-8016爆破振动记录仪参数：精度为0.001 cm/s，频带宽为5～200 Hz。

该观测系统最大的优点在于方便携带，适用于在不良环境中工作，而且可长期保存并实时监测所记录的数据。

2.2 安全控制标准

《爆破安全规程》(GB6722—2014)中给出了爆破振动的安全影响标准(如表4所示)。

表4 爆破振动安全允许标准

注：爆破振动监测应同时测定质点振动相互垂直的三个分量。

本项目振动速度控制值按最严格标准选取，依据《爆破安全规程》，选取0.1 cm/s作为城门洞大桥桥墩振动速度控制值。

2.3 观测点的布置

测点布置应根据实际隧道走向和隧道工作面与桥墩的位置关系确定。本次观测主要目的是确定右线四号桥墩受隧道爆破振动的影响程度，及时记录并提供监测结果，以实测数据来指导隧道爆破施工以及桥面车辆限速管理等。根据桥与隧的位置关系，布置2个观测点，分别位于右线4号桥墩与左线4号墩。

右线4号墩和左线4号墩振动监测点布置如图9和图10所示，传感器安装如图11所示，现场安装及测量如图12所示。

图12 现场安装及测量

图9 右线四号墩测点位置(单位：m)

图10 左线四号墩测点位置(单位：m)

图11 传感器安装示意(单位：m)

3 观测数据及结果分析

3.1 爆破对百米桥墩的振动影响

爆破监测应根据隧道爆破时间提前布点，隧道爆破过程中，左线4号线桥墩的振速及合成振速如图13和图14所示。从图中可以发现，隧道爆破过程中，百米桥墩出现瞬间峰值，而后逐渐平稳。

图13 隧道爆破过程中左线4号线桥墩振速

3.2 车辆移动荷载对桥墩振动影响

移动荷载的数据采集主要根据百米高墩上的传感器。移动荷载作用在百米桥墩上表现为比较连续的振速传播，出现了多处峰值，且持续的时间较长，这与车辆的速度有一定的关系。移动荷载作用下左线4号线桥墩的振速与合成振速如图15和图16所示。

图14 隧道爆破过程中左线四号线桥墩合成振速

图15 移动荷载作用下左线四号线桥墩的振速

图16 移动荷载作用下左线四号线桥墩的合成振速

3.3 结果分析

对24次观测结果进行数据统计，选取较为典型的12次观测结果，表5和图17为隧道爆破对百米桥墩振动的实测结果。从结果可知，隧道爆破对距离较近的左线4号墩振动影响远比右线4号墩大，其最大振速达0.095 cm/s(出现在上台阶装药量较大的时刻)。最小主振频率出现在右线4号墩，其值为3.052 Hz。

表5 隧道爆破对百米桥墩振动实测结果

注：水平径向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，传感器的X方向对准爆心。

图17 隧道爆破对百米桥墩振动实测结果

表6和图18为车辆移动荷载对百米桥墩振动的实测结果。从结果可知，不同类型车辆对桥墩的影响不同，且监测点距离顶部的距离对监测结果也有影响。右线监测点高于左线，距离顶部车辆较近，故右线监测的振动强度比左线大，由重型移动车辆荷载造成桥墩最大振速可达0.063 cm/s，最小主振频率为3.454 Hz。

爆破振动和车辆荷载对百米桥墩的影响观测时间段为2017年4月6日～2017年4月14日，对监测的典型波形进行时域分析和频谱分析，得到质点峰值的振动速度、主频率和振动持续时间。综合以上结果可知，距离较近的左线4号桥墩受爆破影响最大，其振速达到最大值；上部车辆荷载对其影响较小。距离爆心290.76 m处观测到的右线4号墩最大振速和主振频率均小于左线4号墩，但车辆荷载对其影响较大，最大振速和最小主振频率分别达到0.063 cm/s和3.454 Hz。从结果可以看出，实测质点峰值振动速度值均小于振动安全速度(0.1 cm/s)。因此，可以认为此次垭口隧道爆破振动和上部车辆移动荷载不会对右线4号桥墩和左线4号墩造成损坏性影响(如墩面原有裂隙扩张、墩体开裂、延伸及出现新裂缝等)。从主频率结果可以看出，观测点的最小主频率为3.052 Hz，爆破振动频率大于构筑物的固有频率(构筑物的固有频率一般小于3 Hz)。因此，本次隧道爆破振动不会和桥墩发生共振。

图18 车辆移动荷载对百米桥墩振动实测结果

监测次数监测点移动荷载类型监测日期1小型车2017-04-062右线四号墩中型车2017-04-093重型车2017-04-084小型车2017-04-115左线四号墩中型车2017-04-136重型车2017-04-14通道名最大振速/(cm/s)主振频率/Hz振动持续时间/sX-0.0123.4540.215Y-0.0103.8570.215Z0.0146.4420.215X-0.0239.6540.324Y-0.02812.0450.324Z0.03018.4560.324X-0.06324.9541.043Y-0.03826.1231.043Z0.05151.4251.043X-0.0013.6540.198Y-0.0034.6210.198Z0.0067.4540.198X-0.00610.6350.421Y-0.00813.5420.421Z0.01520.4870.421X-0.02526.5191.352Y-0.02619.6361.352Z0.04340.5641.352

注：水平径向(X向)，水平切向(Y向)，垂直向(Z向)，传感器的X方向垂直向上。

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