臺(tái)階法隧道掘進(jìn)爆破時(shí)地表及鄰近隧道的振動(dòng)響應(yīng)?

王肖輝 杜 鍍 韓 超

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院(河南鄭州，450064)

引言

工程爆破中，爆破振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的危害不容忽視。較高的爆破振動(dòng)強(qiáng)度極有可能引起地表建(構(gòu))筑物的損傷、破壞。地下隧道爆破掘進(jìn)時(shí)，對(duì)已開挖鄰近隧道也有一定的影響。為減小爆破振動(dòng)的危害，工程現(xiàn)場(chǎng)大多對(duì)爆破振動(dòng)引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其對(duì)爆源周邊環(huán)境的影響[1-3]。

目前，很多學(xué)者都采用薩道夫斯基(薩氏)公式對(duì)監(jiān)測(cè)獲得的爆源周邊介質(zhì)振速進(jìn)行擬合，以分析爆破振動(dòng)波的傳播衰減規(guī)律，并反饋指導(dǎo)施工。張繼春等[4-5]基于薩氏公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)未開挖區(qū)地表測(cè)得的振動(dòng)強(qiáng)度要高于已開挖區(qū)。樊浩博等[6]使用數(shù)值模擬軟件，結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了隧道爆破施工引起的地表振速峰值。李勝林等[7]分析淺埋地鐵隧道施工引起的地表振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)掏槽孔爆破時(shí)振速最大?；谧钚《朔?，馮志樓等[8]分析并預(yù)測(cè)了露天礦深孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值具有較好的一致性。汪平等[9]采用HHT方法研究了爆破振動(dòng)對(duì)鄰近既有隧道的道的影響，結(jié)論和文獻(xiàn)[7]一致。李新平等[10]研究了地下洞室邊墻爆破振動(dòng)傳播衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在爆源近區(qū)和邊墻中心區(qū)域，地下洞室爆破引起的邊墻質(zhì)點(diǎn)振速峰值傳播衰減具有更大的放大效應(yīng)。劉趕平[11]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析軟件ANSYS/LS-DYNA，分析了主洞爆破開挖對(duì)鄰近斜井支洞圍巖中的爆破振速的影響，基于最小二乘法，建立了主洞及斜井兩側(cè)圍巖中最大質(zhì)點(diǎn)振速處的爆破振速預(yù)測(cè)模型。費(fèi)鴻祿等[12]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬研究了隧道爆破施工中巖體和地表的振動(dòng)傳播規(guī)律，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。

通過現(xiàn)場(chǎng)隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，使用最小二乘法獲得臺(tái)階法爆破施工引起的地表振速的薩氏公式，并結(jié)合數(shù)值分析軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了隧道爆破施工引起的鄰近隧道的振動(dòng)效應(yīng)，為類似地質(zhì)條件下的隧道爆破施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

隧道位于北京城區(qū)西部平原?，F(xiàn)場(chǎng)爆破掘進(jìn)時(shí)，炮孔?42 mm，藥卷?32 mm，裝藥長(zhǎng)度1.2～2.0 m，采用2＃巖石乳化炸藥，隧道斷面采用上、下臺(tái)階法爆破開挖，具體爆破參數(shù)見表1和表2。

沿線周圍有已開挖隧道，兩隧道平行，中心線的最小距離約為12 m?；谧钚《朔ê蛿?shù)值分析研究爆破振動(dòng)對(duì)地表及鄰近既有隧道的影響。

2地表振速采集及回歸分析

2.1 監(jiān)測(cè)儀器與測(cè)點(diǎn)布置

爆破測(cè)振儀型號(hào)為TC-4850。為獲取隧道爆破引起的地面質(zhì)點(diǎn)振速，測(cè)點(diǎn)布置方式(俯視圖)如圖1所示。橫向測(cè)點(diǎn)和縱向測(cè)點(diǎn)分別沿平行掌子面和垂直掌子面方向布置，測(cè)點(diǎn)1＃位于掌子面正上方，其余測(cè)點(diǎn)依次向后布置，各測(cè)點(diǎn)實(shí)際間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定。

表1 上臺(tái)階法爆破參數(shù)Tab.1 Blasting parameters of upper bench method

表2 下臺(tái)階法爆破參數(shù)Tab.2 Blasting parameters of lower bench method

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

由于爆炸應(yīng)力波傳播的復(fù)雜性及巖體介質(zhì)的非均勻性，理論推導(dǎo)地表介質(zhì)的振速幾乎不可能。目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)可并使用的經(jīng)驗(yàn)公式，即薩氏公式

式中:v是質(zhì)點(diǎn)振速峰值，cm/s；Q是單段最大藥量，kg；R是測(cè)點(diǎn)到爆源的距離，m；K、α是與爆破參數(shù)及地形、地貌相關(guān)的參數(shù)。

對(duì)式(1)兩側(cè)同時(shí)取以e為底的對(duì)數(shù)，得到

令式(2)中Y＝lnv、X＝(lnQ-3lnR)/3、a＝lnK，b＝α，可得到

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)帶入式(3)，即可得到a值與b值，進(jìn)而換算成薩氏公式中相應(yīng)的K與α。

上臺(tái)階法爆破振速峰值的薩氏公式為

下臺(tái)階法爆破振速峰值的薩氏公式為

由于測(cè)振儀水平放置于地表，爆炸振動(dòng)波引起垂直地表的振速最大?；貧w分析時(shí)，取此方向振速峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別對(duì)上臺(tái)階法及下臺(tái)階法爆破時(shí)多日、多次監(jiān)測(cè)獲得的地表振速匯總處理。使用作圖軟件Origin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到上、下臺(tái)階法爆破時(shí)的回歸曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，上、下臺(tái)階法爆破時(shí)的回歸曲線的線性關(guān)系很好。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，上、下臺(tái)階法爆破時(shí)回歸得到的薩氏公式中K值存在一定差異，而α值基本不變。上臺(tái)階法爆破時(shí)只有一個(gè)自由面，此時(shí)爆破受到的巖石夾制作用較大，更多的爆破能向巖石內(nèi)部傳遞，加大了爆破振動(dòng)強(qiáng)度，相應(yīng)的K值增大；而下臺(tái)階法爆破時(shí)自由面為兩個(gè)，炮孔所受限制變?nèi)?，爆破引起的振?dòng)強(qiáng)度隨之減弱，K值變小。而在具體的工程中，周邊地質(zhì)狀況相對(duì)穩(wěn)定，與地形、地貌相關(guān)的衰減系數(shù)α值基本不變。

基于回歸得到的爆破現(xiàn)場(chǎng)的薩氏公式，按規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)允許的最大振速vm，可以反算出允許最大單段藥量Qmax＝R3(vm/K)3/α，為類似地質(zhì)條件下爆破施工提供指導(dǎo)。

為便于直觀分析地表測(cè)點(diǎn)振速與藥量和距離的關(guān)系，將薩氏公式中的定義為比例距離R′，振速峰值與比例距離的關(guān)系如圖3所示。

通過引入比例距離R′，圖3可以直觀看出，爆破時(shí)地表質(zhì)點(diǎn)振速峰值隨比例距離的增加呈指數(shù)衰減。比例距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，振速峰值的衰減幅較快，之后幅度減緩，這種指數(shù)衰減規(guī)律在爆破振動(dòng)控制中可以考慮作為重要的參考依據(jù)。

3 爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道的影響

新建隧道爆破掘進(jìn)施工對(duì)鄰近既有隧道有一定影響。為防止造成損傷、破壞，通過數(shù)值模擬能夠很好地預(yù)測(cè)爆破方案對(duì)鄰近隧道的振動(dòng)效應(yīng)，并有助于優(yōu)化爆破參數(shù)、改進(jìn)爆破方案。

3.1 模型建立

實(shí)際爆破施工中，掏槽孔引起的爆破振動(dòng)能量最大[7，9]。因此，為簡(jiǎn)化模型，只設(shè)置一個(gè)炮孔，即第一段位的掏槽孔爆破，并監(jiān)測(cè)鄰近隧道周邊質(zhì)點(diǎn)的振速。

模型長(zhǎng)25 m、寬6 m、高16 m。炮孔尺寸及裝藥和工程概況一致。臨近隧道直徑7 m，距離掏槽孔12 m。為了消除邊界應(yīng)力波反射的影響，模型外邊界設(shè)置了無反射邊界條件。采用實(shí)體單元對(duì)巖石與炸藥進(jìn)行歐拉網(wǎng)格劃分。圖4為模型網(wǎng)格劃分。

基于實(shí)際工程地質(zhì)情況，巖石本構(gòu)關(guān)系采用隨動(dòng)硬化模型，使用關(guān)鍵字?Mat＿Plastic＿Kinematic定義，具體參數(shù)見表3。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of rock

炸藥使用軟件自帶本構(gòu)模型，關(guān)鍵字為?Mat＿High＿Explosive＿Burn，使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸時(shí)氣體膨脹做功過程。具體參數(shù)值見表4。

表4 炸藥相關(guān)參數(shù)Tab.4 Relevant parameters of explosives

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為分析爆破振動(dòng)對(duì)鄰近隧道不同位置的影響，分別提取已開挖隧道8個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速，如圖5所示。其 中，S2、S3、S4為迎爆側(cè)的拱肩、拱幫和拱腰；S6、S7、S8為背爆側(cè)的拱腰、拱幫和拱肩；S1和S5分別為拱頂和拱底。采用后處理軟件LS-PrePost，提取圖5中8個(gè)測(cè)點(diǎn)的各方向質(zhì)點(diǎn)振速峰值，見圖6。

3.2.1 迎爆側(cè)與被爆側(cè)質(zhì)點(diǎn)振速對(duì)比分析

圖6可以看出，迎爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)振速峰值相對(duì)較大，測(cè)點(diǎn)S2、S3、S4均大于3.00 cm/s；幫部位置作為應(yīng)力集中點(diǎn)，受到爆炸應(yīng)力波的作用，振速峰值甚至達(dá)到了6.44 cm/s。而背爆側(cè)質(zhì)點(diǎn)振速峰值遠(yuǎn)小于迎爆側(cè)，各測(cè)點(diǎn)振速峰值基本在2.00 cm/s。分析原因:已開挖隧道形成臨空面，阻礙了爆炸應(yīng)力波向背爆側(cè)傳播，爆炸應(yīng)力波只能通過已開挖隧道上、下側(cè)面繞射作用于背爆側(cè)，背爆側(cè)質(zhì)點(diǎn)振速急劇降低。因此實(shí)際施工中，迎爆側(cè)尤其是幫部位置應(yīng)作為重點(diǎn)支護(hù)對(duì)象。

3.2.2 質(zhì)點(diǎn)各方向振速對(duì)比分析

圖6可以看出，對(duì)于迎爆側(cè)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)各方向質(zhì)點(diǎn)振速峰值具有較好的一致性；X方向質(zhì)點(diǎn)振速峰值最大，其次是Z方向、Y方向，測(cè)點(diǎn)S3的這種趨勢(shì)尤為明顯。由于兩隧道掌子面平行，爆炸應(yīng)力波沿徑向(X方向)垂直入射作用于迎爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致X方向振速峰值較高，而測(cè)點(diǎn)S3距離爆源更近，本身又位于應(yīng)力集中點(diǎn)，其峰值上升更明顯。測(cè)點(diǎn)S1處于迎爆側(cè)與背爆側(cè)的臨界點(diǎn)，3個(gè)方向的振速峰值均較大，差值并不明顯。因此對(duì)于迎爆側(cè)，在實(shí)際工程中，可以把X方向的監(jiān)測(cè)值作為振速峰值。而對(duì)于背爆側(cè)，各測(cè)點(diǎn)振速峰值出現(xiàn)的方向并不固定；對(duì)于X方向，振速峰值最大的測(cè)點(diǎn)為S7；Y方向振速峰值最大的測(cè)點(diǎn)為S6；Z方向振速峰值最大的測(cè)點(diǎn)為S8；但可以看出，背爆側(cè)各方向質(zhì)點(diǎn)振速峰值差異并不大。

4 結(jié)論

通過對(duì)臺(tái)階法隧道掘進(jìn)爆破時(shí)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及鄰近隧道振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬，得出結(jié)論如下:

1)利用最小二乘法對(duì)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，獲得了臺(tái)階法爆破時(shí)地表振速的薩氏公式，結(jié)合規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)允許振速，可以反推單段最大允許藥量，為類似地質(zhì)下爆破施工方案的制定及振動(dòng)控制提供了依據(jù)。

2)上臺(tái)階法爆破時(shí)，巖石夾制作用大，因而振動(dòng)強(qiáng)度較大，K值較大；下臺(tái)階法爆破時(shí)，炮孔所受限制變?nèi)酰埔鸬恼駝?dòng)強(qiáng)度隨之減弱，K值變小。與地形、地貌相關(guān)的衰減系數(shù)α基本不變。

3)鄰近既有隧道對(duì)爆炸振動(dòng)波的阻隔導(dǎo)致背爆側(cè)的振速峰值大幅度減小，迎爆側(cè)幫部位置振速最大。迎爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)X方向振速峰值最大，其次是Z方向、Y方向；背爆側(cè)各測(cè)點(diǎn)振速峰值最大時(shí)的方向不定，拱頂和拱底3個(gè)方向振速峰值差異較小。

4)在對(duì)既有隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)最合理的位置是迎爆側(cè)拱幫位置，出于對(duì)既有隧道的保護(hù)，重點(diǎn)控制X方向的振速。