地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价_刘长红.pdf

引用格式：刘长红，朱斌，蒋楠，等地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价安全与环境工程，（）：，（）：地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价刘长红，朱斌，蒋楠，于洋（中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司，江西 南昌 ；中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ；华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 ）摘要：保证城市地下空间建设时邻近建（构）筑物的安全稳定具有重要意义。以武汉地铁某车站基坑爆破开挖工程为依托，选取邻近典型的三层框架结构为研究对象，采用有限元数值模型并结合现场爆破监测数据，分析地铁车站基坑爆破邻近框架结构的动力响应特征，以此评价其结构安全性。结果表明：数值模型计算得到的峰值振动速度以及振动主频率特征与现场实测数据的差异较小，说明建立的数值计算模型及参数选取合理；在基坑爆破振动作用下，该框架结构的振动响应以竖直方向振动为主，且振动最大的点出现在距离爆源较近的柱脚位置；该框架结构的动应力沿长度和宽度方向呈现出先增大后减小的趋势，沿宽度方向呈现出震荡变化的趋势，其 有效应力较大的位置为靠近爆源的位置；该框架结构单元的爆破峰值振动速度在安全控制范围以内，结构单元的 有效应力远小于抗拉强度标准值，该框架结构处于安全状态。关键词：地铁车站；基坑爆破；邻近框架结构；动力响应；振动速度；有效应力；安全性评价中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（、）作者简介：刘长红（），男，工程师，主要从事桥梁、隧道及机场工程方面的研究。：通讯作者：蒋楠（），男，博士，副教授，主要从事地下建筑、爆破工程方面的研究。：，（，；，（），；，）：，；，；第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，；，：；随着我国城市地下空间的不断开发，城市地铁隧道、车站基坑等地下岩土工程的开挖建设不断涌现。当城市地下工程建设遭遇坚硬岩石地层时，往往会采用爆破开挖。城市工程建设环境复杂，地表、地下建（构）筑物繁多，岩石爆破会产生爆破振动等有害效应，严重时会对邻近建筑物产生破坏，造成生命和财产的损失。基坑爆破工程作为常见的城市地下工程，其建设时对周边房屋建筑的影响及安全控制问题一直受到研究人员的广泛关注。如史鹏等以实际工程为例，分析了基坑爆破施工对邻近建筑物的振动加速度及速度响应规律；翟旭东等结合深圳地铁试验段 标浅埋隧道爆破施工实际，开展了地表质点振动监测，并通过现场爆破试验测定结果，确定了合理的爆破安全判据；陈文宇等以深圳地铁某车站基坑开挖遇硬岩爆破施工为工程背景，分析了基坑爆破开挖对邻近建筑物的振动加速度及速度响应规律；张玉琦等以武汉地铁号线竖井基坑工程为依托，通过现场爆破试验及振动测试，分析了基坑开挖爆破振动沿地表的衰减规律及其对建筑物结构的影响；周航生等结合基坑开挖的实际工程与有关的理论模型，研究了地铁车站基坑开挖对周围土体沉降的影响，进而研究其对周围建筑物的影响，并建立了一套评价体系。本文以武汉地铁某车站基坑爆破开挖工程为依托，选取邻近典型的框架结构为研究对象，采用有限元数值模型并结合现场爆破监测数据，分析地铁车站基坑爆破邻近框架结构的动力响应特征，并评价其结构安全性，该研究成果对于保证邻近框架结构的安全性具有实际意义，也可为类似工程提供参考。工程概况1.1地铁车站基坑工程概况武汉地铁某车站设计为地下三层 单柱岛式站台车站，车站主体布置在八一路与科技小路交叉路口处，周边建筑物密集，站位西北象限为中国科学院武汉分院职工宿舍楼，站位东北象限为中国科学院武汉教育基地，站位西南象限为八一路加油站、金三利大酒店，该地铁车站及周边环境如图所示。图武汉地铁某车站及周边环境示意图 该地铁车站主体车站起点里程为右 ，车站终点里程为右 ，车站有效站台中心线里程为右 ，车站长为 ，标准段宽度为 ，基坑总开挖面积为 ，基坑深度为 。基坑开挖地层自上而下分别为 填土层，黏土夹碎石层、中风化灰岩及微风化灰岩层，基坑岩土体基本质量等级分类为、类。该地铁车站主体采用 钻孔灌注桩围护结构形式，内支撑体系采用五道混凝土支撑、一道钢支撑、一道（局部两道）钢支撑换撑，沿基坑深度方向布置道混凝土支撑，支撑间距为，钢支撑换撑间距为。基坑平面内一般采用对撑，在端部与角部采用斜撑。基坑支护及地层分布如图所示。1.2爆破工程概况根据该地铁车站基坑开挖地区地层分布情况进行分片爆破开挖，共分为和两个爆破区域，基坑上部软弱土层拟采用机械挖除，当爆破区域遭遇坚硬岩石层时采用岩石乳化炸药爆破开挖，开挖深度约为。该地铁车站基坑爆破区域的施工参数如图所示。为了保护基坑周边支撑围檩，当爆破施工点距支护结构 时，采用预裂爆破形安全与环境工程 ：第 卷图武汉地铁某车站基坑支护及地层分布示意图 图武汉地铁某车站基坑爆破区域施工参数示意图 成隔振带，以减少爆破振动。基坑爆破时采用多段位非电毫秒雷管起爆，最大单段装药量控制在 ，炮孔直径为，炮孔深为，炮孔间距为 ，单孔装药量为 ，起爆段数根据单次总药量控制在 段左右。数值模型建立与参数选取2.1数值模型建立根据现场爆破施工实际，采用动力有限元软件 建立该地铁车站基坑开挖至 时，距离左侧爆破区域最近的金三利大酒店爆破振动数值计算模型。金三利大酒店为等跨式三层框架结构，全长为 ，宽为，钢筋混凝土柱尺寸为 ，跨度约为，层高为；主梁尺寸为 ，结构为现浇浅基础，埋深约为。根据框架结构与爆破开挖区域的相对位置关系，为了保证数值模拟研究所选取的模型不受边界尺寸效应的影响，将模型中基坑爆破及结构周围范围取值均大于倍的基坑边界、框架结构的最小尺寸，数值模型整体尺寸设为 ，如图所示。模型采用节点 实体单元，网格划分均采用 网格划分，掏槽孔弹性边界处网格应不大于 ，其余部位的网格依次增大以合理地缩短计算时间，保证计算精度。图数值模型示意图 2.2材料模型及参数选取由图可知，数值计算模型中需要选择和设置材料参数的模型材料包括：填土层；黏土夹碎石层；中风化灰岩层；基坑围护结构；房屋基础；房梁、立柱、板；墙；窗户。其中，土壤作为松散多孔的非均质材料，其物理力学性能受多种因素的影响，材料模型库中提供的 模型，能很好地模拟关于土壤介质的相关力学特征变化特点。这种材料模型使用了改进的 屈服准则，使屈服表面的形状可以扭曲成更真实的土壤模型。岩体介质是非连续、不均匀的，数值模拟通常将岩体假设为连续的、各向同性的弹塑性材料，材料模型库中 提 供 的 模型，能够较为准确地模拟岩石材料的应力应变行为，该模型的数学本构表达式如下：（）（）烅烄烆（）第期刘长红等：地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价式中：为岩石的屈服强度（）；为岩石的初始屈服强度（）；为岩石的应变率；为岩石的有效塑性应变率；、为岩石的应变率参数；为岩石的硬化参数；为岩石的塑性硬化模量（）；为岩石的切线模量（）；为岩石的弹性模量（）。基坑围护桩体、框架结构基础、房梁、立柱、板等为钢筋混凝土复合材料，由于实际工程中爆破炸药量少，所受力很小，故可视钢筋混凝土材料为弹性体，采用 材料模型进行模拟。为了便于计算，参考相关文献 利用等效模量的方法进行简化建模。把钢筋混凝土等效成均质材料，根据钢筋配筋率考虑钢筋对单元刚度的贡献，将钢筋弥散于整个单元中，其等效模量采用下式计算：（）式中：为钢筋混凝土弹性模量（）；为混凝土弹性 模 量（）；为 钢 筋 弹 性 模 量（）；为构件中钢筋截面面积（）；为构件截面总面积（）；为配筋率（）。本文梁、柱配筋率按照 取值；钢筋选用 ，其弹性模量为 ；混凝土选用 ，其弹性模量为 ；基坑围护桩体和框架结构基础混凝土为 ，其弹性模量为 ，根据式（）可计算出各材料的等效模量。数值模型中各材料参数，见表。表数值模型中各材料参数 材料编号密度（）弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）抗拉强度 、2.3爆破荷载及边界条件设置根据现场爆破参数，模型采用施加等效爆破荷载的方式进行爆破开挖数值模拟。将爆炸荷载等效施加在炮孔弹性等效边界上，压力作用范围与炮孔内装药段长度相等，如图（）所示。根据相关研究，采用三角形加载函数可以近似模拟炮孔压力时程，具体计算公式如下：（），烅烄烆（）式中：（）为炮孔压力（）；为时间（）；为峰值荷载上升时间（），等于炮孔装药长度与炸药炮轰速度的比值；为荷载作用时间（）。图岩石等效爆破荷载曲线及加载示意图 对于多个掏槽孔装药爆破产生的荷载等效时，炮孔初始平均压力与等效到弹性边界上的荷载峰值的计算公式如下：（）（）（）（）烅烄烆（）式中：为 炸 药 密 度（）；为 炸 药 的 爆 速（）；为炸药的等熵指数；为装药直径（）；为炮孔直径（）；为掏槽孔群孔起爆时的影响系数；为炮孔半径（）；为柱状装药下的粉碎区半径（）；为柱状装药下的破碎区半径（）；为岩石的泊松比。该地铁车站基坑现场爆破施工的炸药采用岩石乳化炸药，炸药炮轰参数为 ，为 。根据现场爆破设计参数，取，取，为倍，为 倍。根据式（）、（）计算得到 爆破 开 挖 等 效 到弹性边 界 上 的 荷 载 峰 值 。根据计算结果取荷载上升时间为安全与环境工程 ：第 卷 ，荷载下降时间为。综上所述，得到岩石等效爆破荷载曲线如图（）所示。根据工程现场的特点，计算模型顶面为自由边界，其他各面均采用无反射边界条件，无反射边界可以解决爆破地震波在模型边界折射反射带来的影响，更好地模拟实际工程中爆破振动在岩土介质中的传播特征。2.4模型可靠性验证该地铁车站爆破开挖时在被保护结构周围设置爆破振动监测点，用于实时监测爆破开挖邻近建（构）筑物的振动情况。为了验证数值计算模型及参数选取的合理性，利用该地铁车站基坑爆破开挖时现场的振动监测数据进行验证。现场爆破振动监测采用 进行测试，对距离爆破区域较近的保护区域内的建筑物进行合理的测点布置，其中左侧爆破区域爆破时其邻近建（构）筑物的爆破振动测点布设如图所示，图中红色为测点位置。根据上述测点布设及振动监测数据，选取模型中测点位置的质点进行了对比验证研究。其中，测点的现场监测与数值模拟垂向、切向、竖直方向的振动速度时程曲线对比，见图。图现场监测与数值模拟振动速度时程曲线的对比 由图可知：爆破振动起爆后，由爆源传播至监测点位置所需时间大约为 ，质点振动持续时间 。根据现场监测数据，提取其他测点各方向的峰值振动速度（见表），并根据振动时程曲线采用 变换得到测点的振动主振频率。表现场实测与数值模拟振动速度对比验证 测点编号振动速度实测值（）振动速度数值模拟值（）垂向切向竖直垂向切向竖直平均误差 注：平均误差表示三个方向上振动速度数值模拟值与实测值的误差的平均值。由表分析可知：现场测点峰值振动速度实测值略小于数值模拟计算结果，合振速误差率最高为 。现场监测测点振动主频率在 左右，数值计算测点振动主频率在 左右，现场监测监测振动主频率略小于数值计算结果，误差在 左右。综上分析可见，数值计算模型得到的测点峰值振动速度以及振动主频率特征与现场实测数据的差异较小，表明建立的数值计算模型及参数选取合理、可靠。地铁车站基坑爆破邻近框架结构的动力响应分析3.1框架结构的振动响应分析根据上述数值计算模型，对基坑开挖深度为 时左侧爆区爆破邻近框架结构进行了动力响应分析。根据结构特征，分别沿框架结构长度方向（轴方向）、宽度方向（轴方向）、高度方向（轴方向）选取合适的梁、柱、墙板等结构单元（见图），研究地铁车站基坑爆破开挖时邻近框架结构的振动响应特征及衰减规律。根据选取的结构单元振动速度时程曲线，提取其沿竖直（轴方向）、垂向（轴方向）、切向（轴方向）的峰值振动速度。其中，沿框架结构长度、宽度、高度方向的峰值振动速度变化规律，见图。由图可知：沿框架结构长度方向，其各方向的峰值振动速度呈现随距离不断衰减的趋势，表现为竖直方向的峰值振动速度垂向的峰值振动速度第期刘长红等：地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价图框架结构方向示意图 图框架结构峰值振动速度的变化规律 切向的峰值振动速度，最大峰值振动速度在底层柱脚处，此处也为现场监测点布设处，其值为 ；沿框架结构宽度方向，其各方向的峰值振动速度呈现随距离波动增加的趋势，其中墙单元的峰值振动速度小于柱单元，仍以竖直方向的峰值振动速度较大，最大值出现在远离爆源端的柱脚处，其值为 ；沿框架结构高度方向，其各方向的峰值振动速度呈现随高度先减小后增大的趋势，中间楼层较底层和顶层的峰值振动速度较小，且随楼层高度出现一定的放大效应，但由于楼层较低，其放大效果不明显。综上所述，在基坑爆破振动作用下，该邻近框架结构的振动响应以竖直方向振动为主，且振动最大的点出现在距离爆源较近的柱脚位置。3.2框架结构的应力响应分析动应力分析是结构动力响应和安全评价的重要部分。钢筋混凝土是复合结构，其失效破坏由钢筋和混凝土共同作用，由于本文采用可等效模量的方法对钢筋混凝土进行了等效建模，因此在研究其力学响应时选取 有效应力作为响应指标。根据上述建立的数值计算模型，基坑爆破振动作用下该邻近框架结构的 有效应力随时间变化云图，如图所示。图框架结构的 有效应力随时间变化云图 由图可知：当基坑未爆破时，框架结构各部分单元动应力为，爆破发生后爆破振动由基坑爆源安全与环境工程 ：第 卷处向远处传播，经过围护结构、土层传至最近的结构基础，结构基础传递到结构各部分，引起应力发生变化；约 后爆破振动开始在结构中传播并引起结构各部分应力发生变化；约 后，结构动应力达到峰值后开始逐渐震荡衰减，约 后振动消失，结构动应力趋于。根据上述振动响应分析选取单元，对框架结构长度方向（轴方向）、宽度方向（轴方向）、高度方向（轴方向）的梁、柱、墙板等结构单元峰值 有效应力进行分析。其中，沿框架结构长度、宽度、高度方向峰值 有效应力的变化规律，如图 所示。图 框架结构 有效应力的变化规律 由图 可知：沿框架结构长度方向，其 有效应力呈现出震荡并逐渐衰减的规律，其中以距离爆源 的柱脚处 有效应力最大，其值为 ；沿框架结构宽度方向，结构单元 有效应力呈现出震荡变化的规律，其中以距离远点 处的柱脚处 有效应力最大，其值为 ，而震荡中值基本稳定在 ；沿框架结构高度方向，其 有效应力呈现出先增大后减小的趋势，最大值出现在第二层柱脚，其值为 。综上所述，在基坑爆破振动作用下该框架结构的动应力沿长度和宽度方向呈现出先增大后减小的趋势、沿宽度方向呈现出震荡变化的趋势，有效应力较大的位置为靠近爆源的位置。3.3不同基坑开挖深度下框架结构的响应分析根据上述基坑爆破开挖的工程实际，基于上述基坑开挖深度为 的数值模型与参数取值，保持爆破药量不变，根据工程开挖进度分别建立基坑爆破开挖深度分别为、时爆破区域邻近框架结构的动力响应数值计算模型，并根据模型计算结果，得到不同基坑爆破开挖深度沿框架结构高度方向的峰值振动速度和 有效应力的衰减规律，见图 和图。图 不同基坑爆破开挖深度下沿框架结构高度方向峰值振动速度的衰减规律 由图 和图 可知：同一基坑爆破开挖深度下沿框架结构高度方向的峰值振动速度及 有效应力呈现出相同的震荡规律；随着基坑爆破开挖深度的加深，爆破距离不断增加，其爆破振动对框架结构高度方向的影响逐渐减弱，其峰值振动速度和 有效应力不断减小；基坑开挖深度从 第期刘长红等：地铁车站基坑爆破邻近框架结构动力响应特征及安全性评价图 不同基坑爆破开挖深度下沿框架结构高度方向 有效应力的衰减规律 到，其峰值振动速度的衰减幅度约为，有效应力的衰减幅度约为。地铁车站基坑爆破邻近框架结构的安全性评价4.1框架结构安全性评价根据 国 家 标 准 爆 破 安 全 规 程（）中第 款的规定，评价各种爆破对不同类型建（构）筑物和其他保护对象的振动影响，应采用不同的爆破振动安全允许标准。本工程涉及工业和商业建 筑 物，其 允 许 振 动 速 度 应 控 制 在 ，根据现场监测及数值模拟的振动主频率分布特征，将此框架结构的安全控制振动速度取值为。根据现场监测数据及数值模拟统计数据，当基坑爆破开挖深度在 时，保持最大单段药量在 ，该框架结构各部位单元各方向的峰值振动速度均未超过此安全控制振动速度。根据钢筋混凝土构件强度失效准则，以钢筋屈服强度及混凝土抗拉强度作为构件破坏的准则，当钢筋或者混凝土超过屈服或抗拉强度时结构发生破坏。本结构钢筋混凝土标号为 ，根据我国 混凝土结构设计规范（）中第 条：等级的混凝土，抗压强度标准值 为 ，抗压强度设计值为 ，抗拉强度标准值 为 ，抗拉强度设计值为 。根据上述数值模拟计算结果，不同基坑爆破开挖深度下该三层框架结构各部位单元的 有效应力远小于其抗拉强度标准值，因此该框架结构处于安全状态。综上所述，在基坑爆破开挖深度为 、单段药量在 时，该框架结构单元的爆破峰值振动速度在安全控制范围以内，结构各部位单元的 有效应力远小于抗拉强度标准值，表明该框架结构处于安全状态。4.2爆破安全药量控制根据相关研究，最大单段药量爆破开挖引起的一定距离范围内的地表振动速度由萨道夫斯基公式进行描述，其表达式如下：（槡）（）式中：为爆破药量（）；为测点距离爆源的爆破距离（）；、为场地系数。根据前述框架结构动力响应分析，沿框架结构长度、宽度及高度方向上振动速度的衰减规律变化不一，振动控制难度较大。因此，为了便于现场施工时对框架结构各部位单元进行爆破振动安全控制，根据上述建立的不同基坑爆破开挖深度下的数值计算模型，利用模型模拟得到该框架结构各方向峰值振动速度计算值，通过该计算值拟合得到了该框架结构长度、宽度、高度方向的地表振动速度衰减公式，其拟合结果见表。表框架结构各方向地表振动速度衰减公式的拟合结果 框架结构方向拟合公式拟合度长度 槡（）宽度 槡（）高度 槡（）根据表中拟合公式可知：由于框架结构本身的特点，该框架结构不同部位拟合得到的、系数已经不在岩土场地条件的参数取值范围内，但衰减规律的拟合度较好，表明公式（）可以用于现场爆破振动安全控制。由该框架结构的安全控制振动速度为，可以得到在不同基坑爆破开挖深度（爆心距）下的最大单段安全控制药量，见图。由图 可知：按照萨道夫斯基公式计算得到的框架结构不同方向的最大单段安全控制药量不一，图中底部曲线与坐标轴包围的范围内为该基坑开挖深度作用下的最大单段安全控制药量。根据最不利原则，在特定的基坑爆破开挖深度条件下，爆破区域安全与环境工程 ：第 卷图 不同基坑爆破开挖深度下的最大单段安全控制药量 的最大单段药量按照最底部曲线上的值进行取值可以保证基坑开挖过程中框架结构的安全性。结论本研究以武汉地铁某车站基坑爆破开挖工程为依托，选取邻近典型的三层框架结构为研究对象，采用有限元数值模型并结合现场爆破监测数据，分析地铁车站基坑爆破邻近框架结构的动力响应特征，评价其安全性，得到主要研究结论如下：（）现场测点峰值振动速度实测值略小于数值模拟计算结果，合振速误差率最高为 ；现场监测振动主频率略小于数值模拟计算结果，误差在 左右，表明建立的数值计算模型及参数选取合理。（）该框架结构的振动响应以竖直方向振动为主，且振动最大的点出现在距离爆源较近的柱脚位置；框架结构的动应力沿长度和宽度方向呈现出先增大后减小的趋势，沿宽度方向呈现出震荡变化的趋势，靠近爆源的位置 有效应力较大。（）该框架结构各部位单元的峰值振动速度均未超过的安全控制振动速度，不同基坑爆破开挖深度下该三层框架结构各部位单元的 有效应力远小于其抗拉强度标准值，因此该框架结构处于安全状态。（）该框架结构各部位单元的、系数已经不在岩土场地条件的参数取值范围内，根据安全控制振动速度可得到框架结构不同部位单元在不同基坑爆破开挖深度（爆心距）下的最大单段安全控制药量。参考文献：，：，：史鹏，段景川基坑爆破施工对邻近建筑物动力影响研究天津建设科技，（）：翟旭东，彭立敏，吴涛，等城市浅埋隧道工程爆破震动效应与安全评价 安全与环境工程，（）：陈文宇，张云，陈行，等 基坑爆破施工对邻近建筑物的动力响应 科学技术与工程，（）：张玉琦，蒋楠，周传波，等 地铁基坑爆破振动作用邻近高层框架建筑物结构动力响应 煤炭学报，（增刊）：周航生，马引祥，夏森炜，等 地铁车站基坑开挖对周围房屋影响的评价方法研究 科技通报，（）：，：，（）：朱斌，蒋楠，周传波，等 粉质黏土层直埋铸铁管道爆破地震效应 浙江大学学报（工学版），（）：梁瑞，包娟，周文海，等 地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响 爆破，（）：孔丹丹，赵颖华，王萍，等 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