隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

时间：2024-09-03

何理，张微，钟冬望，吴拓，夏志杰，李鹏，李腾飞

(1.武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，武汉 430065；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

地铁作为现代化的城市轨道交通方式，已逐渐成为世界各国解决城市交通拥堵问题的重要举措之一。“十二五”规划以来，中国经济继续快速发展，全国己有22个城市修建了95条地铁，预计到2020年全国地铁总里程将达6 000 km，中国地铁迎来了建设和发展的新高潮[1]。城市地铁隧道的快速发展，给居民生活带来了便利，同时地铁隧道爆破施工过程也对邻近埋地管线、建(构)筑物的安全造成了负面影响[2-3]，大量近现代强烈地震的震害实例分析表明：埋地管道在地震中极易遭受破坏，并且损坏后不易迅速修复，造成相应的生命线工程系统的功能性破坏甚至整个系统的瘫痪，并极大可能由之引发各种地震次生灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。因此，加强城市地铁隧道爆破地震荷载作用下埋地管道动力响应规律研究，分析爆破地震波作用下管道的变形特征，以便提出合理、可行的安全防震措施，具有重要的理论价值及工程实际意义。为此国内外学者已开展了广泛的研究工作。T. E. B. Vorster等[4-5]结合室内模型试验，揭示了隧道施工对埋地管道形变及力学特性的影响规律；刘晓强等[6]、魏纲等[7]、WANG等[8]、ZHANG等[9]分别采用能量变分法、Peck 公式法、Winkler 地基梁法及DCBEM-FEM 耦合法对管道的位移进行了理论分析与预测；王邵君[10]、贾瑞华[11]等通过数值计算方法对管道的变形与力学特性进行了深入的研究。但上述研究中的隧道施工方法多为盾构法及浅埋暗挖法，然而城市地铁隧道工程地质条件复杂多样，例如在青岛、大连、武汉等岩质地区，在综合考虑安全、技术及资金等因素的情况下，钻孔爆破法成为地铁隧道施工的首选[12]。然而，现阶段针对隧道钻爆法施工对邻近埋地管道振动响应、受力与变形特征、管-土相互作用机制及其破坏机理的相关研究仍然不足，对于爆破地震波作用下管道的附加约束力及受力计算与分析、安全判据指标及其控制与保护方案制定等方面均鲜有成果见诸报道，而且研究方法也都局限于现场试验[13-15]与数值模拟[16-18]。

为此，针对爆破地震波对埋地管道影响的研究现状，开展隧道爆破对邻近埋地管道影响的模型试验研究，解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制，并构建地表质点的振动速度预测模型；同时研究爆破振动对邻近埋地管道动力响应影响规律，揭示不同材质管道的振动特性，以期为埋地管道的抗振优化设计提供科学依据。

1 模型试验

1.1 材料

1)围岩材料。由于实际工程中，使用钻爆法对地铁线路开挖过程中所遇围岩往往复杂多变，完整精确地再现实际工况十分困难，因此在模型试验的过程中，选取具有代表性的岩体进行相似材料的制作，实现物理性质和实际工程地质的相似。在模拟围岩的材料制作中，以碎石为骨料，水泥为凝胶材料，以砂子和黄沙作为容重调配剂，混凝土相似材料各成分质量比如表1所示。

表1 围岩材料质量比

2)埋地管道。本次试验以与地铁隧道开挖方向平行的埋地PVC管和钢管为研究对象，对地铁隧道爆破荷载作用下邻近埋地管道的动力响应进行研究和探索。选用埋地PVC管和钢管直径D=4 cm，壁厚δ=1 mm，长度l=80 cm(见图1)。埋地钢管和PVC管物理力学参数如表2所示。

图1 埋地管道Fig.1 Buried pipeline

表2 管道物理力学参数

3)制作模拟药包。在实际工程中，每次爆破的药量相较于试验大很多，工业炸药临界直径较大，在几何相似原则约束下，模型炮孔孔径往往很小，不能满足工业炸药的爆轰要求，因此模型试验中采用单发导爆管雷管和太安炸药组合的方式制作药包。由文献[19-20]可知，单发导爆管瞬发雷管TNT当量为1.07 g，太安炸药的TNT当量系数为1.28。

4)地铁隧道。在实际施工过程中，隧道的建设和支护较为复杂，涉及到较多的施工工序和材料，在本次模型试验过程中，主要考虑隧道钻爆法开挖对埋地管道的影响，隧道的支护材料按照工程要求，选取直径D=10 cm、壁厚δ=3 mm、长度l=40 cm的不锈钢钢管进行模拟。

5)边界条件。在实际工程条件中，边界条件一般相比与模型试验的边界条件更为复杂，为保证最小抵抗线要求和稳定的边界条件，制作的围岩尺寸必须较大，整体试验模型的边界为尽可能真实的模拟实际状况的边界条件，在模型四周加装4块10 mm厚钢板，钢板与模型实体之间接触，通过安装3 mm厚橡胶垫完成，相邻钢板通过4根铁丝连接，并扭紧铁丝给模型施加预应力[21]。

1.2 试验装置

采用制作的模型箱体，利用混凝土代替围岩进行模拟，土层采用与工况相似的黏土进行模拟，并将管道埋入预定位置。试验装置如图2所示。埋地钢管和PVC管道与地铁隧道空间布局如图3所示。

图2 试验装置Fig.2 The test device

图3 埋地管道和地铁隧道空间布局Fig.3 Spatial layout of buried pipelines and metro tunnel

埋地PVC管及钢管上应变片及加速度传感器测点布置如图4所示。应变片粘贴前先使用酒精擦拭测点表面，待酒精挥发干燥后使用502胶水将应变片平铺贴合牢固，并做好应变片及其引出线防水处理。

图4 应变及加速度测点布置Fig.4 Layout of strain and acceleration measurement points

1.3 加载方式

为模拟不同药量爆破对埋地管道的影响，使用单发导爆管雷管或单发导爆管雷管加少量太安炸药的自制药包，试验前将药包放入图2和图3所示的预制炮孔中并接入连接线，通过起爆器起爆雷管来模拟地铁隧道爆破，进而监测地表振动特性及埋地管道的动力响应。

2 试验数据

2.1 应变与加速度

不同炸药量情况下埋地管道各测点处应变及加速度数据如表3所示。

表3 应变及加速度数据

2.2 振动速度

地表各测点处振动速度数据如表4所示。

表4 振动速度数据

3 数据分析与处理

3.1 地表振动速度分析

当爆破地震波在岩土体中传播时，地震波的衰减耗散受多个因素的影响[22]。本文选取单响最大药量Q、爆源深度H、岩体纵波速度Cp、爆心距R、岩体弹模E、泊松比μ、密度ρ作为影响振动速度v的主要因素，各变量量纲如表5所示。

表5 各变量量纲

注：M为质量量纲，L为长度量纲，T为时间量纲。

各变量的关系为

v=F(Q，H，Cp，R，E，μ，ρ)

(1)

式(1)中，共8个变量，3个基本量纲(M、L、T)，根据白金汉π定理选取Q、H、Cp为独立变量[23]，则独立变量Q、H、Cp满足：

(2)

由此可建立5个无量纲变量

(3)

将式(3)代入式(1)可以得到

(4)

针对某爆破开挖工程，场区岩体地质属性E、μ、ρ及Cp均为常量，由此可推导出速度的相似准数方程为

(5)

式中：k为与地质条件相关的系数；α6为质点振速峰值衰减指数；β6为隧道爆破震源深度影响系数。

结合爆破振动预测的萨道夫斯基经典公式与式(5)对表4中振动监测数据进行回归拟合分析，拟合曲线的相关性系数对比情况如表6所示。

表6 振动速度预测精度对比

通过表6可以看出，构建的地表质点振动速度预测模型，拟合曲线的相关性系数在3个方向上均比经典的萨道夫斯基公式高，预测精度良好。这说明式(5)用于隧道爆破时地表质点振动速度峰值预测切实可行。

3.2 埋地管道加速度分析

由表3中不同药量情况下管道加速度数据可以看出，随着药量的增加，埋地管道加速度响应值也增加。相同地铁隧道爆破参数情况下，埋地钢管加速度响应程度比PVC管更为剧烈。相同药量及爆心距情况下，埋地钢管加速度峰值是PVC管加速度峰值的1.5～1.8倍，分析其原因主要是因为钢管弹性模量远大于PVC管弹性模量，故其整体刚度较大，因此可缓解振荡变形在结构内部的传播耗散。同时，由于隧道“空洞效应”，致使埋地PVC管和钢管在成洞区一侧的加速度较非成洞区一侧的大，在埋地管道抗震优化设计时需重点关注下方有空洞区的管道安全。