随着现代化步伐的加快以及城市人口的聚集, 城市地铁建设进入大规模发展阶段。在城市地铁隧道施工中, 重庆、南京等具有硬岩地质条件的城市通常采用钻爆法。钻爆法是一种经济、快速的施工方法, 但城市周围建筑结构密布, 因爆破产生的振动、噪声等会对结构造成影响。如田运生等^[1]通过实测爆破作用下的民房, 得出了民房的破坏不仅取决于爆破地震波的特征, 还受到房屋的形式、构造、质量以及地基的局部场地条件等多因素的影响。目前, 国内外学者对隧道爆破施工下的围岩振动速度场分布特性、框架结构和砖混结构动力响应研究较多, 不同形式的古建筑也成为研究方向, 但高台基古建筑在隧道爆破开挖下的振动效应还很少涉及^{[2,3,4,5,6,7]}。

　　 本文以南京地铁四号线鼓楼站区间隧道工程为背景, 通过ANSYS有限元模拟与现场监测验证, 分析了不同工况下爆破振动对南京鼓楼的影响, 希望为今后类似古建筑保护与地铁施工提供参考。

　　 南京鼓楼是南京标志性建筑之一, 为江苏省文物保护建筑。鼓楼主要由上、下两部分组成, 上部分为重建于清初的木结构碑楼和石碑, 下部分为明初留存的由砖石砌筑的拱券城台。南京地铁四号线一期工程D4-TA03标云南路站-鼓楼站区间, 西起云南路与北京西路交叉口的云南路站, 沿北京西路东行, 至鼓楼公园北侧的鼓楼站, 全长约524m。鼓楼与隧道的相对位置关系见图1 (a) 。单线隧道采用单洞单线马蹄形复合式衬砌结构, 隧道到鼓楼最小水平距离1.3m, 最小竖向距离14.5m。为确保古建筑的安全, 爆破开挖前对鼓楼进行临时加固, 其中楼廊柱柱脚都采用钢制靴进行加固, 钢制靴与地坪采用地锚连系, 柱间增设竖向桁架及水平桁架, 连接处采用橡胶垫块。城阙采用周边抱箍方法, 在城阙四个角点设置钢结构箱形柱, 城阙拱券采用劲性骨架满堂支撑的方法加固, 劲性骨架与拱券之间采用木楔顶紧, 鼓楼结构加固如图2所示。

　　 利用ANSYS软件对南京鼓楼站单线隧道掏槽爆破开挖进行模拟。采用三维模型, 厚重屋顶采用Mass21单元以集中质量的形式加载在柱顶, 上部木结构主要考虑梁柱, 采用Beam188单元, 临时加固钢支撑采用Beam188单元, 与城阙固接。城阙和土均采用Solid45单元来模拟, 两者之间固定, 鼓楼下部岩土层分布不均匀, 主要为填土层、粉质黏土层、强风化砂砾岩 (图1 (b) ) , 隧道底板距底部边界距离大于45m时, 可忽略底部边界反射波对地表振动的影响^[8], 下部土体模型尺寸取为150m×67m×100m, 侧向边界和底部边界均为固定约束。主要材料参数见表1, 有限元计算模型见图3。

　　 单线隧道爆破施工采用分台阶、短进尺、毫秒延期起爆的松动控制爆破方案, 每炮循环进尺控制在0.5m, 采用毫秒延期起爆技术少装药、弱爆破进行松动, 而后用机械破碎, 按照先掏槽、后掘进、再周边、最后底部炮眼的起爆顺序施工。目前计算多孔装药起爆产生的应力还没有准确的方法, 根据爆破对岩体的破坏的不同, 爆破范围分为近区、中区和远区。爆破远区的岩土只发生弹性振动, 利用圣维南荷载等效原则, 将作用在炮孔璧上的孔状荷载等效成面荷载垂直施加在隧道壁上, 爆破振动效应模拟中多采用三角形脉冲波加载, 时程曲线如图4所示。

　　 爆破荷载应力峰值P_max^[9,10]按下式确定:

　　 ${\rm P}{}_{\max }=\frac{139.9}{z}+\frac{844.81}{z{}^2}+\frac{2154}{z{}^3}-0.8034(1)$

　　 式中z为比例距离, $z=R/\sqrt[3]{Q}$, 其中R为炮眼至荷载作用面的距离, m;Q为炮眼填药量, kg。

　　 右线隧道爆破施工过程中, 按照式 (1) 以60g掏槽爆破药量计算爆破振动荷载峰值, 得到隧道周边围岩峰值压力为0.028MPa。

　　 典型爆破荷载升压时间t₀为8～12ms, 卸载时间为50～120ms。据此, 作用时间取100ms, 在10ms时爆破振动荷载达到峰值, 在100ms时爆破荷载作用结束。

　　 由于南京鼓楼主体分层, 每层结构材料不同, 测点需分层布置。现场振动监测主要测量振速, 在城阙上下角点共布置8个测点 (测点编号为1～8) , 碑楼上部角点布置4个测点 (测点编号为9～12) 。每个测点监测垂直方向、水平切向、水平纵向共三个方向振动速度, 测点位置见图5。爆破振动试验采用941B传感器进行测定, 传感器信号采用INV3 060A 信号采集分析仪进行数据采集, 并用DASP V10工程版软件进行信号分析与处理。

　　 将实测振动速度峰值与数值计算的结果进行比较, 表2列出了部分监测点不同方向的振动速度峰值实测值和计算值及误差分析结果。

　　 通过对比可知, 鼓楼有限元模型简化与地质条件差异导致结果存在一定误差, 相对误差普遍在30%以内, 有的相对误差显得较大, 但是绝对误差较小, 说明本文的数值模拟计算方法是可行的。

　　 有限元模拟爆源在右线隧道距离鼓楼水平距离最小处, 炸药量为60g时爆破振动对鼓楼的影响, 图6给出不同方向上鼓楼各监测点振动速度峰值大小。

　　 从图6可以看出, 随着爆源距的增大, 城阙测点不同方向上振动速度峰值总体呈减小趋势。垂直方向振动速度峰值最大, 最大值在城阙底部距离隧道最近处, 为3.31mm/s, 是水平方向最大值的1.13倍, 表明振动波在城阙中传播以高频为主。爆破振动的显著影响范围为40m, 超过该范围后, 振动强度很小。爆源距增大时, 测点振动速度峰值有增大现象, 这是建筑高度的放大效应。

　　 碑楼测点的振动速度峰值最大值只有城阙测点的1/5。高频波迅速衰减, 垂直方向振动速度峰值快速减小, 比水平方向振动速度峰值小。两个水平方向随距离的衰减趋势不明显, 在0.25～0.6mm/s范围内变化。水平切向振动速度峰值最大, 振动波传播在碑楼中以低频波为主, 水平切向比水平纵向振动峰值大, 这与一般规律不同, 可能是加固之后碑楼的刚度发生变化。

　　 有限元模拟爆源在右线隧道距离鼓楼水平距离最小处, 分别选取炸药量60, 150, 300g三种工况对鼓楼的影响。图7给出了不同药量时鼓楼各监测点振动速度峰值。从图7可以看出, 城阙测点振动速度峰值随着炸药量增大逐渐递增, 爆源距最近时, 炸药量150g时振动速度峰值比60g时增大1.39倍, 炸药量300g比150g时增大1.3倍。爆源距增大时, 振动速度峰值增大倍数逐渐减小。同一炸药量时, 测点振动速度峰值随爆源距的增加逐渐减小, 符合衰减规律。部分测点随爆源距的增大出现增大现象, 这是建筑高度的放大效应。

　　 碑楼测点振动速度峰值随着炸药量增大逐渐递增, 测点振动速度峰值随爆源距的增加逐渐减小, 建筑高度相同的测点随爆源距的增大出现增大现象, 可能是碑楼加固后结构刚度发生变化的影响。

　　 根据我国《爆破安全规程》 (GB 6722—2014) ^[11], 爆破振动安全允许标准中规定的一般古建筑与古迹安全允许质点振动速度为1.0～3.0mm/s, 鼓楼爆破施工药量宜控制在60g以内, 并采取微差爆破技术减小振动效应。

　　 有限元模拟爆源在右线隧道距离鼓楼水平距离最小处, 分别选取进尺0.5, 1, 1.5m三种工况对鼓楼的影响。图8给出了不同进尺时鼓楼各监测点振动速度峰值。从图8可看出, 城阙测点振动速度峰值随进尺增大而逐渐增大, 最近点处的振动速度峰值随进尺变化影响很大, 振动速度峰值最大值为22.2mm/s, 随着爆源距的增大, 进尺的变化对振动速度峰值的影响减小, 主要是高频波在近场范围衰减速度快, 最近点距离较近, 影响较大。

　　 碑楼测点振动速度峰值随进尺增大而逐渐增大, 进尺1m时振动速度峰值是进尺0.5m时的2倍, 进尺1.5m振动速度峰值是进尺1m时的2.2倍。随爆源距增大, 进尺增加的变化对振动速度峰值的影响和城阙的规律不同, 主要是碑楼以低频波作用, 在近场范围衰减速度较慢。

　　 (1) 通过数值计算来模拟隧道爆破开挖引起鼓楼振动, 可以获得鼓楼振动反应规律, 数值分析结果与现场监测结果基本一致, 在工程中可以采取数值模拟分析与现场振动监测相结合的方法来研究相关问题。

　　 (2) 对于鼓楼城阙, 垂直方向振动速度峰值最大, 振动波在城阙中传播以高频为主, 施工振动监测在城阙上应该以竖直方向为主。对于碑楼, 水平切向振动速度峰值最大, 振动波传播在碑楼以低频波为主, 碑楼以水平监测为主。

　　 (3) 测点振动速度峰值随药量和进尺的增大而逐渐递增, 随着爆源距的增加而逐渐减小, 高度放大效应会让部分测点随爆源距的增大出现增大现象。随着爆源距的增大, 进尺的变化对城阙振动速度峰值的影响逐渐减小。

　　 (4) 南京鼓楼爆破施工药量宜控制在60g以内, 进尺宜采用0.5m, 并采取微差爆破技术减小振动效应。