地铁隧道爆破给水管道动力响应特征

李跃华

(中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州 贵阳 550025）

0 引言

城市地铁隧道爆破区域周边管线分布错综复杂，爆破产生的地震波对给水管道安全运营构成威胁。大量科学家采用现场测试、数值模拟及相似模型试验的方法对爆破荷载作用下管道的动力响应特征进行了研究。Jie Zhang 等[1]研究了地面爆炸时埋地管道的破坏模式。Mohsen Parviz 等[2]对爆破荷载作用下埋在两种不同土层中给水管道的动力响应特征进行了分析。张震等[3]对地铁站通道爆破开挖时混凝土管道的动力响应特性进行了探讨。王海涛等[4]采用相似模型试验对地铁隧道爆破开挖进行了研究，探索了装药量、爆心距等参数对管道动力响应规律的影响。张黎明等[5]为爆破振动对地下管道的影响，建立了爆破振动质点峰值速度与管道破坏的对应关系。Jong Hwa Won 等[6]基于现场测试和数值模拟研究了振动在多层管道上的传播规律。Amir Sajjad Abedi 等[7]采用数学分析的方法来研究爆炸波作用下的管道的挠度。都的箭等[8]对爆炸冲击作用下埋地管道上的动应力进行了测试分析。钟冬望等[9]对爆炸荷载作用下聚乙烯管道动态响应进行了原型实验。王栋等[10]对地铁隧道爆破开挖时临近埋地管道的振动响应进行了探索。Justin Gossard 等[11]采用现场试验研究了爆破荷载作用下临近既有管道的动力响应特征。另外，Abdollah Sohrabi-Bidar 等[12]对爆炸荷载作用下临近天然气管道的振动特征进行了测试分析。纵览国内外对爆炸荷载作用下临近管线动力响应的研究，对复合地层条件下地铁隧道爆破时临近给水管道动力响应的研究较少。

本文根据贵阳地铁S1 线金马中路-东纵线区间隧道爆破工程，运用动力有限元模拟的研究方法，对两种工况下临近给水管道的动力响应特征进行探讨，得到的结论可以为类似工程爆破开挖时给水管道的安全阈值提供科学依据。

1 工程概况

贵阳地铁S1 线金马中路-东纵线区间位于贵安新区，线路出金马中路地下空间后向东南方向行进，暗挖下穿金马大道，之后连续穿越山区，下穿中心大道后连接东纵线地下空间联络通道。该左线联络通道起讫里程为：ZDK15+147.8～ZDK17+150.5，全长1988.639m；右线联络通道里程为：YDK15+147.8～YDK17+150.5，全长2002.7m。地下空间联络通道为双洞单线结构，左右线间距为14m，隧道拱顶埋深6.5～17m，全部采用暗挖法施工。从地表到地铁隧道的地层为：一是杂填土（Q4ml）：杂色，分布于区间尾部既有民房、道路一带，以粉质黏土为主，夹杂碎块石、建筑垃圾等，层厚0.6～3.2m。二是淤泥质黏土（Q4al+pl）：灰黄色、灰褐色、灰黑色等，流塑状为主，局部软塑状，土质不均匀，夹少量角砾，局部含腐植物，厚1～5m 不等。该层土孔隙比大，含水量高，压缩性高，抗剪强度低，力学性质较差，稳定性较差。三是中风化白云岩（T1a）：灰色，肉红色，微晶结构，中厚层状构造，钙质胶结，节理裂隙较发育，节理面颜色为紫红色。由于掏槽孔单次起爆炸药量最大，因此对掏槽孔爆破时产生的爆破振动进行研究。掏槽形式为楔形，孔深为1.5m，角度为63o，炮孔间距为0.4m，炮孔排间距为0.4m，炮孔数量为6 个，单孔装药为0.6kg，同时起爆药量3.6kg，炸药卷直径为32mm，炸药密度为1061kg/m3，采用连续装药，堵塞长度为0.4m。炮孔布置如图1所示。

2 爆破数值模型

2.1 计算模型与边界条件

结合贵阳地铁S1 线金马中路-东纵线区间隧道爆破工程实际，建立复合地层地铁隧道爆破的数值模型。由于模型对称，建立二分之一模型进行模拟计算，模型如图2所示。根据工程现场炮孔布置特点，取单段掏槽孔最大爆破炸药量建立模型，模型为立方体，模型长度（X 向）为1000cm，宽度（Z 向）为500cm，高度（Y 向）为2500cm。其中炮孔布置在模型左部，距左临空面80cm；炮孔长度为150cm，炮孔个数为3 个，炮孔间距为40cm；基岩均为中风化白云岩，岩层高度为1400cm，淤泥质黏土高度为500cm，杂填土高度为300cm，空气高度为300cm，给水管道埋深为200cm，管道直径为120cm，管道壁厚为15cm。给水管道主要参数如表1所示。

表1 二种爆破工况

模型边界条件为：模型的左面为对称边界，上表面为自由边界，其他各面均为无反射边界。使用三维实体solid164 单元进行网格划分，单元最大长度为0.6m。整个模型共划分29507 个节点和25908 个单元，岩石、淤泥和杂填土单元采用Lagrange 网格划分，炸药和空气单元采用ALE 网格划分，采用流固耦合算法来定义ALE 网格单元和Lagrange 网格单元之间的连接，单位制为cm-g-μs[13]。

通过修改ANSYS/LS-DYNA 软件K 文件中炸药的关键字，来研究高爆速炸药、低爆速炸药二种工况下管道动力响应特征。

2.2 材料模型及参数

模型材料包括炸药、给水管道、岩石、淤泥、杂填土和空气，管道为DN1200 给水混凝土管道。工程现场采用的是2 号岩石乳化炸药，可以应用ANSYS/LS-DYNA 中的高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 进行模拟[14,15]；岩石为中风化白云岩，选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料[16,17]；淤泥也采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料[18]；杂填土采用*MAT_DRUCKER_PRAGER 材料 ；空气采用*MAT_NULL 材料[19]；给水管道采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 材料模型[20]。通过爆破现场工程地质资料和实验室实验，得到炸药、岩石、淤泥、杂填土、空气和给水管道物理力学参数如表2～表6所示。

表2 炸药的物理力学参数

表3 岩石、淤泥的物理力学参数

表4 空气的物理力学参数

表5 杂填土的物理力学参数

表6 管道的物理力学参数

炸药爆轰的状态方程采用JWL 方程进行描述：

式（1）中：P为由JWL 状态方程决定的压力；A、B、R1、R2、ω均为与炸药相关的材料常数；V为相对体积；E0为初始比内能。

空气采用NULL 材料模型，其满足GRUNEISEN状态方程：

式（2）中：c为剪切-压缩波速曲线截距；P为压力；e0为初始比内能；μ=ρ/ρ0- 1；ρ为材料密度；S1、S2、S3为剪切-压缩波速曲线斜率因数；γ0为UNEISEN 常数；α为初始体积修正因数；ρ0为材料初始密度。

3 计算结果分析

取给水管道内侧和外侧上同一个节点在二种工况下动力响应特征进行对比分析，节点在模型中的位置如图3所示。

3.1 两种工况下给水管道内侧动力响应特征对比分析

两种工况下给水管道内侧节点振速矢量叠加峰值如表7、图4所示。

表7 给水管道内侧节点振速峰值

由表7可以得出工况2 只有在管道内侧0o和315o处节点振速矢量叠加峰值比工况1 小，其他节点均比工况1 大。工况1 节点振动速度峰值最大点位于管道内侧315o处，振动速度峰值为0.7cm/s；最小点位于管道内侧270o处，振动速度峰值为0.38cm/s。工况2 节点振动速度峰值最大点位于管道内侧135o处，振动速度峰值为0.77cm/s；最小点位于管道内侧270o处，振动速度峰值为0.43cm/s。工况1 节点振动速度峰值最大值比工况2 降低9.09%。

分析认为工况1 采用低爆速炸药与工况2 采用高爆速炸药相比可以显著降低爆破产生的地震波对给水管道内侧的影响。

由图4可以得出工况1 和工况2 节点振速矢量叠加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.8cm/s 区间，但每个节点的振动速度峰值均不一样。分析认为爆炸产生的地震波在土-管道界面发生透射和放射，同时透射入管道的波发生多次反射和透射，导致每个节点的振动速度峰值均不一样。

3.2 两种工况下给水管道外侧动力响应特征对比分析

两种工况下给水管道外侧节点振速矢量叠加峰值如表8、图5所示。

表8 给水管道外侧节点振速峰值

由表8可以得出工况2 在管道外侧0o、90o、270o、和315o处节点振速矢量叠加峰值比工况1 小，其他节点均比工况1 大。工况1 节点振动速度峰值最大点位于管道外侧0o处，振动速度峰值为0.65cm/s；最小点位于管道外侧225o处，振动速度峰值为0.36cm/s。工况2 节点振动速度峰值最大点位于管道外侧180o处，振动速度峰值为0.6cm/s；最小点位于管道外侧270o处，振动速度峰值为0.39cm/s。工况1 节点振动速度峰值最大值和工况2 接近。

分析认为工况1 采用低爆速炸药与工况2 采用高爆速炸药相比对管道外侧动力响应影响较小。

由图5可以得出工况1 和工况2 节点振速矢量叠加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.7cm/s 区间，但每个节点的振动速度峰值均不一样。分析认为爆炸产生的地震波在土-管道界面发生透射和放射，同时透射入管道的波发生多次反射和透射，导致每个节点的振动速度峰值均不一样。

3.3 工况1 给水管道内侧和外侧动力响应特征对比分析

工况1 给水管道内侧和外侧节点振速矢量叠加峰值如表9所示。

表9 工况1 管道内侧和外侧节点振速峰值

由表9可以得出工况1 管道内侧和外侧节点振速峰值量值基本一致。

3.4 工况2 给水管道内侧和外侧动力响应特征对比分析

工况2 给水管道内侧和外侧节点振速矢量叠加峰值如表10 所示。由表10 可以得出工况2 管道内侧和外侧节点振速峰值量值基本一致，但是内侧节点振动速度均比外侧大。

表10 工况2 管道内侧和外侧节点振速峰值

4 结论

结合贵阳地铁金马中路-东纵线区间隧道爆破工程，运用动力有限元模拟的方法，对两种爆破工况下给水管道动力响应特征进行了研究，结论如下：

其一，两种工况下，管道内侧和外侧节点振速矢量叠加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.8cm/s 区间，但每个节点的振动速度峰值均不一样。爆炸产生的地震波在土-管道界面发生透射和放射，同时透射入管道的波发生多次反射和透射，导致每个节点的振动速度峰值均不一样。其二，在管道内侧，工况1 节点振动速度峰值最大值比工况2 降低9.09%。在管道外侧，工况1 节点振动速度峰值最大值和工况2 接近。工况1 采用低爆速炸药与工况2 采用高爆速炸药相比可以显著降低爆破产生的地震波对给水管道内侧的影响，但是对给水管道外侧影响较小。其三，工况1管道内侧和外侧节点振速峰值量值基本一致，工况2管道内侧和外侧节点振速峰值量值基本一致，但内侧节点振动速度均比外侧大，爆破地震波更易导致管道内侧破坏。