45 m深基坑減振爆破技術

韋良文，張 斌，韓風雷，張學富

(重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074)

城市軌道交通車站建設過程中，基坑開挖爆破會對圍護樁、豎井結構、區間隧道結構產生的影響。為了降低開挖爆破對上述結構物的影響，需要對爆破方案進行優化設計，提出可靠的減振措施，以此來減小結構物質點的振動峰值速度，保證結構物的安全可靠性。

重慶市江北城軌道車站，該車站為明挖段，共47.59 m。采用逆作法施工，下部巖質邊坡及暗洞仰坡采用錨桿與噴混凝土支護，上部土層采用樁板擋墻支護，開挖與支護交替進行。地層由上而下依次可分為第四系全新統填土層、殘坡積層和侏羅系中統沙溪廟組沉積巖層。

基坑開挖采用爆破施工方法，對爆破減振的技術控制要求很高，需要對爆破進行控制，有效地減小爆破應力波產生的破壞作用。

1 減振爆破設計

為保證良好的減振爆破效果，主要是在爆破區域周邊布設減振孔或減振隔離帶，為開挖爆破增加凌空面，阻隔爆破應力波向結構物方向傳播。其主要原理是利用爆破減振隔離帶，在爆破時將其爆破振動能力吸收及耗散；使其降低隔離帶后面的區域所受到的振動。

1.1 炮孔布置原則

為了使減振爆破達到預計的效果，本工程開挖爆破炮孔鉆孔直徑為40 mm，炮孔深度為2.0 m，最小抵抗線為1.35 m，炮孔間距為1.8 m。根據該工程的地質條件，采用2號巖石硝銨炸藥[1]，密度大于0.95 g/cm3，爆力298 mL，猛度12 mm，爆速為3 200 m/s。在爆破應力波向結構物傳播的方向上布設減振隔離帶，使其降低或阻斷應力波向結構物傳播。炮孔布置如圖1。

圖1 炮孔布置示意Fig.1 Layou of blasting hole

1.2 爆破藥量計算

基坑開挖采用多排淺孔松動爆破，優化裝藥量能使巖土體松動，不會對周邊結構產生過大的振動影響。松動爆破每單孔裝藥量按式(1)計算[2]：

Q=α·e·q′·W3·L

(1)

式中：α為平均裝藥系數，即裝藥長度與炮孔長度L之比，一般為0.5～0.7，取0.7；e為炸藥換算系數，取1.0；q′為單位炸藥消耗量，對于斜坡或臺階地形q′=0.36q(q由巖石堅固性系數f決定，f取1.2)；W為抵抗線，取1.35；L為條形藥包長度，取1.6。

根據式(1)計算出單孔裝藥量為1.2 kg，總裝藥量為21.6 kg，其主要目的是使巖土體產生松動，避免爆破時產生的碎石向周邊散落。

2 減振爆破數值模擬

2.1 計算模型建立

建立有限元模型，計算模型由巖土體、混凝土、空氣、高能炸藥4種材料組成。模型大小為長X= 102 m，寬Y= 60 m，高Z= 85 m。考慮到爆破應力波在巖土體介質中傳播速度過程，及質點振動時程曲線的完整性，將求解時間設置1 s。建模時采用cm-g-μs單位制，所有單位均可由此單位導出，最后速度單位為106cm/s。有限元計算模型如圖2。

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element model of computation

2.2 LS-DYNA計算理論分析

減振爆破數值模擬采用LS-DYNA非線性有限元動力學分析程序。在爆破數值模擬過程中用Lagrange算法來模擬巖土體材料單元，用ALE算法來模擬炸藥單元[3]。將各介質視作理想體介質處理，在分析過程中忽略土的重力影響，假設爆炸產物的膨脹是絕熱過程[4]。采用JWL(Jones-Wilkens-Lee)狀態方程，描述高能炸藥爆炸產物壓力與體積關系。通過狀態方程求得高能炸藥爆炸產物的單元壓力P，JWL狀態方程P-V關系[5]如式(2)：

(2)

式中：V為相對體積；E為內能常數；A，B，R1，R2，ω為特征參數，對具體一種炸藥為常數。

按2號巖石硝銨炸藥，物理參數如表1[6]。

表1 高能炸藥材料參數

數值模擬將空氣定義為Null模型，空氣密度ρ=1.29 kg/m3。巖土體與混凝土采用塑性力學模型，定義方式為MAT_PLASTIC_KINE MATIC。材料物理參數如表2。

表2 巖石材料參數

3 減振爆破數值模擬結果分析

3.1 數值模擬受力結果分析

以基坑南側中心區開挖爆破為例，分析爆破之后所產生的沖擊波影響區域。從圖3中可知，爆破0.1 s后，壓應力大小為5 MPa，拉應力未出現在結構物上。對圍護樁、豎井結構、隧道結構拱頂的影響很小。

圖3 爆破后0.1 s時應力Fig.3 Stress of 0.1s after blasting

3.2 數值模擬振動速度結果分析

從質點振動的峰值速度來評估爆破所產生的影響。按照具體布設測點的測試值與對應質點的數值模擬值進行對比，分析質點峰值速度的大小。根據GB 6722—2011《爆破安全規程》所規定的爆破對地面建筑物豎向振動速度容許值，混凝土或鋼筋混凝土結構振動速度V≤2.5 cm/s。

對基坑4個區域的開挖爆破進行分析研究。區域1——基坑南側中心區開挖爆破；區域2——基坑南側中心區20 m深處開挖爆破；區域3——基坑東側中心區開挖爆破；區域4——基坑東側中心區20 m深處開挖爆破。各區域開挖爆破時，圍護樁、豎井結構、隧道結構拱頂處質點振動峰值速度模擬值與測試值如表3，變化規律如圖4。

表3質點振動速度

Table3Particlevibrationvelocity/(cm·s-1)

圖4 振動峰值速度模擬值與測試值Fig.4 Simulation and test values of vibration peak velocity

從表4可知爆破振動速度大都能控制在2.5 cm/s，該減振爆破方案設計能有效地控制爆破振動速度。從圖4可看出，數值模擬值與測試值有著相同的變化趨勢，表明了數值模擬的可靠性很好。

4 結 論

1)數值模擬表明，設置減振帶能有效隔斷爆破沖擊波的傳播，在距爆源一定區域出現高應力區，當到達圍護樁處，會出現不同程度的衰減，對圍護樁的影響很小。

2)通過對數值模擬與現場測試值進行比較，表明數值模擬值與現場測試值較為符合，混凝土或鋼筋混凝土結構振動速度均在安全規范容許值內，合理的減振爆破方案設計能有效地減小爆破對結構產生的影響。

3)在爆破區域周邊布設減振孔或減振隔離帶，能有效的降低爆破對基坑圍護樁、豎井結構、區間隧道結構產生的影響。

4)在合理的裝藥量的情況下設置減振帶，能有效的控制爆破振動速度，振動速度峰值衰減比較明顯。

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