隧道洞中爆破振動對地表影響的數值分析

田 濤 田 密 陳 兵

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)

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隧道洞中爆破振動對地表影響的數值分析

田 濤 田 密 陳 兵

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)

利用Midas/GTS有限元分析軟件，建立了隧道洞中爆破振動對地表影響的模型，分析了模型不同時段總振速的變化規律，結果表明，隨著爆破荷載作用時刻的增加，模型的總振速先增大后衰減。

Midas/GTS軟件，振速，隧道，地表

0 引言

爆破過程中，地震波在一定范圍內影響地面建筑物的結構穩定性，甚至造成結構的破壞。國內外許多學者進行了隧道爆破對地表振動的研究，并有大量成果[1-4]發表。這些研究成果主要集中在城市地鐵隧道爆破對地表振動的影響方面。本文采用Midas有限元分析軟件，建立隧道洞中爆破振動對地表影響模型，分析了模型不同時段總振速的變化規律。

1 模型建立

1.1 工程概況

永吉高速公路4標段那丘隧道洞中爆破掌子面里程為ZK13+400，隧道洞中段圍巖為Ⅳ級圍巖，圍巖巖性也為中風化石灰巖，巖質較硬，巖體較完整。

1.2 模型假定

1)隧道圍巖為連續、均質、各向同性的灰巖，計算時不考慮剪脹。

2)隧道圍巖為彈塑性材料，屈服準則遵循Mohr-Coulomb屈服準則。

3)不考慮隧道出洞口已開挖段初期支護對模型的影響。

4)不考慮隧道施工方法對隧道出洞口爆破模擬的影響。

5)不考慮爆破孔位置和排列方式對隧道爆破模擬的影響。

6)假設爆炸荷載以壓力的形式均布荷載作用在洞室壁上，作用方向垂直于隧道開挖輪廓面。

7)將爆破荷載曲線簡化為等效三角形荷載，如圖1所示。

8)本次分析取加載時間為12 ms,卸載時間為100 ms。總的計算時間取500 ms。

1.3 模型尺寸及單元定義

如圖1所示，模型的X向長度為180 m，Y向寬度為140 m，下邊界離隧道拱底的高度為隧道跨度的4倍，上邊界按那丘隧道左線工程地質縱斷面圖的實際地形情況來建立。同時，模型巖體采用3D實體單元來模擬。

1.4 模型計算參數

模型計算所采用參數如表1所示。

表1 模型灰巖的力學參數

1.5 模型邊界條件

那丘隧道中部爆破的動力分析過程由特征值分析和線性時程分析兩階段組成。首先，進行特征值分析時，需要將邊界定義為文克爾提出的彈性邊界。在Midas GTS軟件中，可以使用地面曲面彈簧功能快捷鍵生成彈性邊界。

模型的特征值分析階段除上邊界和爆破荷載施加邊界為自由邊界外，左邊界、右邊界、前邊界和后邊界、下邊界均為彈性邊界，而且下邊界固定x向、y向和z向的位移。模型的線性時程分析階段除頂部邊界和爆破荷載施加邊界為自由邊界外，左邊界、右邊界、前邊界、后邊界和底部邊界均為粘性邊界，而且底部邊界固定x向、y向和z向的位移。

1.6 模型特征值分析

模型的第1和第2振型的周期分別為0.137 647 1 s和0.124 045 8 s。

1.7 模型爆破荷載施加

那丘隧道左線洞中爆破掘進時，采用的是不耦合裝藥結構，炸藥為2號乳化炸藥。隧道洞中爆破的計算參數：炸藥爆速Dj=3 600 m/s，炸藥密度ρe=1 200 kg/m3，炮孔直徑de=48 mm，藥包直徑db=48 mm，炮孔長度lb=230 cm，藥包長度le=200 cm。

模型隧道洞中爆破循環進尺2 m的總裝藥量:

(1)

根據炸藥爆轟波的C-J理論，作用在炮孔孔壁上的平均炮轟壓力Pj為:

(2)

式中：Pj——瞬時爆轟平均壓力，Pa；ρe——炸藥密度，kg/m3；Dj——炸藥爆速，m/s；γ——炸藥等熵系數，m/s。

在不耦合裝藥條件下，對于不耦合系數較小的柱狀藥包，炸藥爆炸后，單個炮孔壁受到的初始峰值壓力Pb的計算公式為：

(3)

式中：db，de——炮孔直徑和藥包直徑，mm；le，lb——炮孔長度和藥包長度，mm；n——爆炸產物膨脹碰撞炮孔壁時的壓力增大系數，一般取10。

基于連續介質力學的統一本構關系，將整個粉碎區和破碎區都視為爆源，則等效到彈性邊界的爆破荷載計算公式為：

(4)

式中：r0——炮孔半徑，r0=0.5db，mm；r1——粉碎區半徑，mm；r2——破碎區半徑，mm；v——巖體的動泊松比,v=0.28。

一般在柱狀裝藥條件下，粉碎區半徑約為炮孔半徑的2倍～10倍，破碎區半徑約為炮孔半徑的10倍～100倍。本文隧道爆破振動分析取r1=3r0，r2=10r0。

基于力學上的圣維南原理，對隧道的爆源進行簡化處理，等效荷載在建模時不考慮炮孔形狀，即在模型中不予體現出來，然后對爆破荷載時程曲線進行等效，將爆破荷載等效后施加在隧道開挖輪廓面上時，需要施加的等效荷載為：

(5)

其中，S為隧道爆破孔的等效間距，近似等于周邊孔間距，取550 mm。

根據已有研究成果的計算思路，本文采用具有線性上升段和下降段的三角形荷載等效施加到隧道開挖輪廓面上。

1.8 模型測點選取

為了研究模型地表總振速與爆源距離、高程差的關系，本項目借助Origin8.5軟件建立隧道洞中爆破振動模型中的地表振速公式。而此公式的數據采集需要選擇若干具有代表性的地表測點進行擬合分析。因此，模型測點選取的結果如圖2所示。

2 模型計算結果分析

為了準確了解隧道洞中模型0 ms～500 ms內地表總振速在不同時段內的變化規律，選取加載段時刻(t=6 ms)、荷載峰值時刻(t=12 ms)、卸載段時刻(t=18 ms)和持續段時刻(t=120 ms)，振速分布云圖如圖3所示。

從圖3可得，模型的峰值總振速隨著時間的增加而先增大后減少，此外，模型地表最大的總振速為2.15 m/s，發生在模型隧道頂部山體地表的68830節點位置處，其對應的時刻為峰值時刻(t=12 ms)。

3 結語

1)隨著爆破荷載作用時刻的增加，模型的總振速先增大后衰減。

2)模型地表最大的總振速為2.15 cm/s，發生在模型頂部山體地表的68830節點、68831節點、68778節點和68830節點位置處，其對應的時刻都為荷載峰值時刻(t=12 ms)。

[1] Rander-Pehrson, Glenn. An Improved Equation for Calculating Fragment Ballistics[J].Daytona ahailton Daytona Beach , Florida: physics Publishing,1977,25(2):23-27.

[2] C H Dowding. Blast Vibration Mornitoring and Control[M].North-Holland Publishing Company, Amsterdam.1995.

[3] 江勝華,李祥久.城市隧道爆破對附近地表的振動監測與影響分析[J].山西建筑,2014,40(31):198-199.

[4] 楊甲豹.隧道掘進爆破對地表敏感建筑物的振動影響監測與控制[J].鐵道標準設計,2016(1):102-106.

Numerical analysis of the effect of blasting vibration along the tunnel on the ground surface

Tian Tao Tian Mi Chen Bing

(No.1 Engineering Co., Ltd of FHEC of CCCC, Beijing 102205, China)

The numerical model of the effect of the blasting vibration along the tunnel on the ground surface is established by the finite-element analysis software of Midas/GTS software. Analyzed the variation law of model in different periods total vibration velocity. The research results shows that the total vibration velocity of the model first increase and then decrease with the increase of the blasting load moment.

Midas/GTS software, vibration velocity, tunnel, the earth’s surface

1009-6825(2017)16-0165-02

2017-03-17

田 濤(1984- )，男，工程師； 田 密(1987- )，男，助理工程師； 陳 兵(1991- )，男，助理工程師

U452

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