基于ANSYS/LS-DYNA的豎井掏槽延時爆破研究

鄭 欣，王偉杰

(1.云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650000；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

建設于山區之間的公路隧道往往由于交通不便、場地過小的原因，不便于大型機械法施工。鉆爆法作為一種傳統但又可創性高的施工工法，可以很好的應用于硬質山區的隧道開挖[1-2]。然而，不合適的爆破手段可能會引發一系列的安全問題，特別是當臨近既有地下構筑物時，可能會導致既有構筑物襯砌出現開裂、破壞等現象[3]。因此，如何確保新建構筑物的正常施工，又不影響既有構筑物的運營安全，是爆破開挖需要重點關注的內容。

延時爆破作為一種高效且常見的降振措施，無論是工程實踐還是科學研究，均備受人們的關注。楊軍等[4]通過對比不同的延爆裝置，發現精確延時爆破可以有效改善爆破效果且延時時間設置為4～5 ms時效果良好；楊年華[5]基于單孔爆破應力波的峰值振速和振動周期，通過電子雷管按單孔波形的半周期設計延時時間，可實現一定程度的減振作用。楊育[6]通過采用數值模擬的形式對臺階延時爆破進行了研究分析，并借助于試驗對模擬結果進行佐證，發現在淺孔爆破中孔間最佳延爆時間為5 ms，深孔爆破中孔間最佳延爆時間為7～10 ms。王偉杰[7]通過對不同近接工程的延時爆破模擬，得出延時爆破的降振效果具有較大的隨機性，并應以主要危險點為控制目標確定延時爆破的間隔時間。郭華杰等[8]為降低地鐵隧道爆破施工對周邊燃氣管線的影響，基于電子雷管起爆時間可控性強的特點，分別研究了隧道上臺階和下臺階延時爆破施工的最佳延爆方案，通過設定合理的延爆時間，將爆破波實現錯峰釋放，降低了對周邊管線的影響。

基于上述考慮，本文擬從延時爆破的角度對近接地下構筑物的爆破降振進行分析研究，以期達到增加破巖效果和降低對既有隧道擾動的雙重目的。

1 延時爆破理論計算分析

爆破波對待爆破物及既有構筑物的影響形式通常分別用作用力及振速的形式表示(見圖1)。

圖1 爆破波的影響Fig.1 Effect of blasting waves

作用力F為藥包起爆時對待建(構)筑物的作用，F越大，則說明爆破對待爆建(構)筑物的破巖效果越顯著。振速v代表既有隧道受爆破干擾情況，v越小，則說明該次起爆對既有隧道的擾動越小。最理想的爆破情況應為F取最大值、v取最小值，且F和v均應分別介于(F，2F)和(v，2v)之間。可從這兩方面分別對延時時間的確定進行討論。

1.1 待爆建(構)筑物破巖角度確定延時時間

從爆破應力波的疊加角度進行分析，認為首個藥包起爆產生的應力波在接觸到自由面反射為拉伸波后，可以與后爆藥包的應力波相互疊加，增大整體的拉伸應力，達到更好的破巖效果。關鍵公式為[9]

(1)

式中：a為炮孔間距；W為最小抵抗線；Cp為巖石縱波波速。

1.2 既有構筑物擾動角度確定延時時間

該原則旨在降低對既有構筑物的擾動，防止出現損害既有構筑物正常使用的情況發生。該原則認為先爆炮孔和后爆炮孔的起爆時間差應為半周期，即在既有構筑物的危險點附近，先行波波谷與后行波波峰相互疊加。主要公式為[10]

Tn=(n/m)Tz

(2)

式中：n和m分別為第n段藥包和總的藥包段數；Tz為巖體介質振動周期。

2 數值模擬分析

2.1 工程背景

以米倉山雙洞隧道為例，隧道間距為40 m，中間以橫通道進行連接，考慮到通風的因素，相隔一定距離在線路中心設置豎井。其中在豎井爆破開挖時，隧道已修建完畢，橫通道仍處于待建狀態(見圖2)。

圖2 爆區位置Fig.2 Sketch of blasting aera

其中豎井及隧道外徑均為9 m，豎井邊到隧道外輪廓的水平距離為15.5 m。場區地質情況為III級圍巖，既有隧道襯砌厚度0.45 m，襯砌選用C35混凝土。豎井炮孔布置情況如圖3所示。其中最內圈炮孔為掏槽孔，掏槽孔炸藥選用2#乳化炸藥，且填塞長度0.5 m，裝藥長度2.5 m，單孔裝藥量4 kg，單次進尺深度3 m。

圖3 炮孔布置Fig.3 Layout of blastholes

2.2 同時起爆數值模擬

為更好反映延時爆破對既有隧道的降振效果，需建立掏槽孔同時起爆的工況作為基本對照工況，數值模擬計算軟件采用ANSYS的動力分析模塊LS/DYNA。經對實際工程進行概化處理后，建立相應三維分析模型。其中模型的橫向跨度、豎向高度和縱向深度分別取120 、60 、80 m，對應隧道的埋深為24 m，基巖深度為27 m。炸藥、填塞、空氣及巖土體本構分別選用如下4種：*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_SOIL_AND_FOAM、*MAT_NULL和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[11]，可很好還原實際爆破情況。動力計算邊界則考慮為：頂部邊界采用自由邊界，底部及側面采用軟件內置的無反射邊界。具體各材料參數如表1 ～表3 所示，計算模型如圖4 所示。

表1 圍巖及襯砌材料參數

表2 填塞材料參數

表3 炸藥材料參數

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

通過計算，可提取既有隧道迎爆側各關鍵位置，如拱肩、拱腰和拱腳處的振速時程曲線，如圖5 所示。

圖5 迎爆側拱肩、拱腰、拱腳振速時程Fig.5 Time history of the vibration velocity of the explosion-facing side on the arch shoulder, the arch waist and the arch foot

根據上述迎爆側各關鍵測點的雙向振速計算結果，可以看出在迎爆側拱肩、拱腰和拱腳的位置，橫向振速極大值依次為3.05 、8.32 、3.68 cm/s，豎向振速極大值依次為1.62 、1.98、2.35 cm/s。說明爆破地震波在傳播的過程中，受傳播介質和傳播距離影響，振速會出現不同程度的衰減作用。例如，由于豎井結構上部已開挖，導致了爆破地震波在豎向向上傳播時缺乏圍巖的夾制作用，因此爆破地震波在空氣中出現了較大程度的損耗，使得豎向振速明顯小于橫向振速；而通過不同測點的同向振速對比，則可以看出隨著傳播距離的增加，也會對振速的衰減帶來較大的影響。因此在后續的延時爆破計算分析中，可不考慮迎爆側拱肩和拱腳處的振速響應情況，僅以迎爆側拱腰處的橫向振速降振效果作為延時驗算的指標。對迎爆側拱腰位置處的振速波形進行再分析，提取振動幅度較大的前30 ms，如圖6所示。

圖6 迎爆側拱腰橫向振速時程Fig.6 Horizontal time history of the vibration velocity of the explosion-facing side on the arch waist

2.3 延時爆破數值模擬

由于該雙線隧道模型整體上關于豎井橫軸和縱軸對稱布置，因此在考慮掏槽孔間隔起爆時，可以采用跳孔布置的形式將起爆孔分為先爆和后爆兩組(見圖7)。延時間隔考慮為1、2、3……10 ms，共10 組延時工況。

圖7 延時爆破布置方案Fig.7 Delay blasting layout plan

同樣提取各延時工況下結構迎爆側拱腰位置處的振速時程，計算結果如圖8和圖9所示。

圖8 延時間隔1 ms至10 ms的振速時程Fig.8 Time history of the vibration velocities with delay time from 1 ms to 10 ms

圖9 各延時間隔下最大振速Fig.9 Maximum vibration velocity at each delay time

當延時間隔時間小于主振周期時，受主振段波形的疊加影響，結構的峰值振速變化十分劇烈。以t=2 ms和t=3 ms為例，結構的峰值振速分別為-4.69 cm/s和-6.74 cm/s，依次為齊爆時峰值振速的56%和81%，說明t=2 ms相較于t=3 ms更接近于理想化的爆破波疊加原則下的延時方案，這也印證了本文提到的延時降振原則是合理有效的。

當4 ms

當t>7 ms時，先行波和后行波的主振區基本上已完全分開，此時爆破地震波基本上以“單藥起爆、主振區持時翻倍”的形式作用于既有隧道上。且根據雙藥同時起爆時的計算結果，即便延時爆破作用下振速疊加效果最顯著時，也將小于(0.25v+v)/2=0.625v。

因此，從對既有構筑物的爆破擾動角度分析，延時時間的取值范圍應為t=0.5Ts或者t>Th，其中Ts和Th分別為主振周期和主振區的總持續時間。

然而實際上延時爆破的時間間隔并非越長越好，首先，延時間隔受制于不同孔圈段間起爆時間的制約，即同一掏槽孔圈的炮孔延時起爆時間不得大于掏槽孔與下一圈炮孔起爆間的時間差。否則下一圈炮孔起爆時振速可能出現異常增大現象，且掏槽孔臨空面未完全形成就已開始下一孔圈的藥包起爆，不利于整體的破巖效果。其次，過大的延時時間將會導致巖體間的有效碰撞次數減少，應力波間的有效疊加效果減弱，不利于掏槽孔圈的形成。依據式(1)，代入三級圍巖及藥包的相關參數，可求得最佳的應力波疊加效果下的延時時間，即

1.63 ms

與既有隧道拱腰處主振周期的一半較為接近。綜合考慮后可選掏槽孔延時時間2 ms作為既有隧道爆破降振的最優延時時間。

3 結語

1)爆破地震波的傳播易受傳播介質及傳播距離的干擾，因而導致延時爆破難以保證結構所有位置均出現顯著的降振效果。因此，在延時爆破前需對基本工況進行簡單分析，判斷結構實際的受控點，接著再針對實際受控點進行相應的延時降振分析。

2)結構的主振段是一段振動持時相對較短，振速波動變化較大的區段。在該段內使用延時爆破技術將會顯著改變結構的擾動特性。因此，在實際的爆破降振中，應針對主振段及主振周期展開相關分析，確定該段爆破的主要特征，再依照此特征確定主振周期的一半作為合理的延時爆破時間。

3)大于主振段持時的延時時間雖也能顯著降低對結構的擾動，但主振區總持續時間幾乎增加了一倍，可能會出現低頻率長持時的現象，引起結構塑性破壞。此外，掏槽孔延時時間確定時，還應考慮對待爆破構筑物自身的開挖效果影響，謹防因過大的延時時間而導致的掏槽孔整體破巖效果變差。

4)實際的延時時間起爆需同時兼顧待爆破構筑物自身的破巖效果和對既有構筑物關鍵位置的降振影響。