某邊坡爆破施工對(duì)既有隧洞影響數(shù)值分析

羅衛(wèi)華，陳彩苑

（1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引言

爆破施工是目前工程施工中常采用的施工方法，但爆破產(chǎn)生的沖擊波和動(dòng)荷載對(duì)附近構(gòu)筑物和建筑物的安全影響較大，尤其是爆破點(diǎn)距離建(構(gòu))筑物較近，且建（構(gòu)）筑物是磚混，并年代久遠(yuǎn)時(shí)[1～9]。所以，為了研究爆破施工過(guò)程中的對(duì)既有建（構(gòu)）筑物的影響，深入研究爆破動(dòng)荷載作用下建（構(gòu)）筑物的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題是十分重要和必要的。例如廣州某大型垃圾填埋場(chǎng)的工程，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料，庫(kù)區(qū)開(kāi)挖需采用爆破，而鄰近有新建的過(guò)水隧道，必須分析爆破時(shí)對(duì)既有隧道的安全影響進(jìn)行分析。本文以邊坡爆破施工工程為背景，應(yīng)用有限元軟件分析了某邊坡爆破施工對(duì)既有供水隧洞安全影響，主要分析了不同深度、不同位置處爆破荷載產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)大小，并評(píng)估其對(duì)供水隧洞安全的影響，根據(jù)影響成果給出具體的減振措施，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

擬施工邊坡場(chǎng)地位于東莞市樟木頭鎮(zhèn)樟洋社區(qū)“石山排”，土石方爆破工程施工作業(yè)區(qū)域西側(cè)約75 m(平行距離)為供水隧洞，隧洞頂標(biāo)高約30 m，爆破位置處整平標(biāo)高約70 m，隧洞比爆破地平線低約40 m。現(xiàn)狀航拍圖，見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)航拍圖

爆破工程施工作業(yè)區(qū)域與周邊環(huán)境相互位置關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2 爆破工程施工作業(yè)區(qū)域與隧洞平面位置關(guān)系

本次評(píng)估影響范圍隧洞位于中風(fēng)化花崗巖層，圍巖等級(jí)III級(jí)或IV 級(jí)圍。隧洞斷面為城門洞形，過(guò)水?dāng)嗝娉叽鐬?.4 m×7.2 m（寬×高），2019 年年度檢查未發(fā)現(xiàn)病害。III級(jí)圍巖襯砌邊墻及底板厚400 mm，頂拱厚400 mm，錨桿長(zhǎng)2.5 m，間距1.2m×1.0 m；IV級(jí)圍巖襯砌底板厚400 mm，邊墻及頂拱厚500 mm，錨桿長(zhǎng)3 m，間距1.2 m×1.0 m。

2 爆破施工振動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

2.1 爆破施工方法

根據(jù)工程量、業(yè)主對(duì)工期的要求、工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和工程特點(diǎn)，擬采用露天臺(tái)階深孔爆破為主，輔以淺孔臺(tái)階爆破的施工方案：

（1）臺(tái)階5 m以下區(qū)域采用淺孔臺(tái)階爆破法；

（2）臺(tái)階5 m以上采用深孔臺(tái)階爆破法；

（3）邊坡采用預(yù)裂爆破法。

2.2 爆破安全評(píng)定依據(jù)

目前，評(píng)價(jià)爆破震動(dòng)荷載作用下對(duì)鄰近建筑物的影響，主要是以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為爆破地震效應(yīng)的衡量指標(biāo)。我國(guó)頒發(fā)的《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）[4]規(guī)定了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為安全判據(jù)，并根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式給出了爆破地震波在不同性質(zhì)的巖石中傳播的相關(guān)系數(shù)的參考值。

爆破施工組織設(shè)計(jì)中爆破振動(dòng)頻率50 Hz 左右，綜合設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況可能存在一些差異，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）規(guī)定，水工水洞的安全振速為8～10 cm/s。鑒于供水隧洞的特殊性，本工程爆破隧洞振速按2.0 cm/s 進(jìn)行控制。

2.3 爆破分析方法

此處采用M idas/G TS NX 有限元軟件進(jìn)行邊坡爆破施工對(duì)既有供水隧道安全影響的仿真分析。利用有限元法求解爆破動(dòng)力問(wèn)題時(shí)，原理是把單個(gè)單元的質(zhì)量平均分配在該單元結(jié)點(diǎn)上，形成整體質(zhì)量矩陣，這樣就形成了多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系，然后構(gòu)建多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系的動(dòng)力方程，最后依照多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)體系動(dòng)力方程的求解方法，求出結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的反應(yīng)(位移、速度、絕對(duì)加速度。

首先需對(duì)模型進(jìn)行特征值分析，求解整體模型各振型振動(dòng)周期。在得到模型振型周期后，進(jìn)行時(shí)程分析，求解結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的反應(yīng)。

在特征值分析中，利用彈性邊界定義模型的邊界條件，彈簧系數(shù)根據(jù)地基反力系數(shù)計(jì)算，其中：

豎直地基反力系數(shù)：

水平地基反力系數(shù)：

在時(shí)程分析過(guò)程中，采用了Lysm er（1969）提出的黏性邊界條件，且需計(jì)算x，y，z 方向上的阻尼比，具體計(jì)算公式如下[2]：

P 波：

S 波：

式中：λ 為體積彈性系數(shù)，kN/m2；為彈性系數(shù)，kN/m2；G 為剪切彈性系數(shù)，kN/m2；A 為截面積，m2；v 為土體泊松比；γ 和ρ 取值按照供水隧道處的圍巖級(jí)別取。

對(duì)于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上，此時(shí)的荷載用美國(guó)N ational H ighw ay Institute 里提及的公式。每1 kg 的爆破荷載如下。

式中：Pdet為爆破壓力，kPa；PB為孔壁面上的壓力，kPa；de為火藥直徑，m m；Ve為爆破速度，m/s；Sge為比重；dh為孔眼直徑，m m。

上式?jīng)Q定了爆破時(shí)發(fā)生的空氣動(dòng)壓力的大小，作用在孔壁上的動(dòng)壓力隨時(shí)間發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，取常用的Statfield 提出的有關(guān)時(shí)程的動(dòng)壓力[2]：

這里，B 是荷載常量，每1 kg 裝藥量的動(dòng)壓力，即將裝藥量設(shè)為1.0 kg 后按照一種工況來(lái)計(jì)算爆破荷載。

設(shè)計(jì)每排爆破孔5～10 個(gè)，為了保證最靠近隧洞區(qū)域爆破面積最大，取每排炮孔10 個(gè)，即單段最大爆破范圍4 排。爆破炮孔布置見(jiàn)圖3。

圖3 炮孔布置圖

根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)》，炮眼距離：a=1.2 m；排距：b=1.0 m。可以取單段最大爆破范圍為12.6 m×4 m。

2.4 計(jì)算模型及參數(shù)選取

土石方爆破區(qū)域距離隧洞最近距離約75 m，單段最大爆破范圍為12.6 m×4 m。由此建立三維分析模型見(jiàn)圖4。

圖4 整體計(jì)算模型圖

其中，圖4 為整體計(jì)算模型，模型尺寸為166 m×100 m×90 m（長(zhǎng)×寬×高），圖5 為爆破區(qū)域與隧洞相互位置關(guān)系。

圖5 爆破區(qū)域與供水隧洞相互位置關(guān)系圖

根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)》，4 m臺(tái)階爆破炮孔直徑42 mm，炸藥直徑32 mm。由羅陽(yáng)等人《相鄰隧道圍巖爆破振動(dòng)影響規(guī)律研究》文獻(xiàn)，乳化炸藥爆壓為0.32 G Pa，炸藥密度為1.3 g/cm3，爆速為0.55 cm/μs。

依據(jù)前面計(jì)算爆破分析方法公式可得，Pdet=805.78 MPa，Pb=356.38 MPa，則每1 kg 乳化炸藥爆破壓力時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

圖6 爆破荷載時(shí)間歷程曲線（炸藥量為1 kg）

本次分析根據(jù)圣維南原理，主要分析爆破荷載對(duì)供水隧道的影響，距離離爆點(diǎn)有一定距離，將爆破孔聚集到一處后假定此壓力同時(shí)作用在爆破的假想面上進(jìn)行計(jì)算。

建模時(shí)候巖土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 巖土計(jì)算參數(shù)表

其中，混凝土用于模擬輸水隧洞結(jié)構(gòu)及擋土墻和樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，金屬用于模擬輸水隧洞錨桿結(jié)構(gòu)。

3 計(jì)算結(jié)果

假定68kg 乳化炸藥爆破所產(chǎn)生的荷載作用斷面上，特征值分析中得到整體計(jì)算模型第一、二振型周期為24.57 s、23.127 s。時(shí)程分析時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為1 s，時(shí)間間隔設(shè)定為0.001 s，結(jié)果輸出間隔10 步。

在最靠近爆破區(qū)域位置的隧洞頂部、肩部、底部共設(shè)立5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置見(jiàn)圖7。

圖7 觀測(cè)點(diǎn)位置

各測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果繪制成曲線見(jiàn)圖8 和圖9。

圖8 測(cè)點(diǎn)速度-爆破時(shí)間曲線

圖9 測(cè)點(diǎn)位移-爆破時(shí)間曲線

根據(jù)速度計(jì)算結(jié)果：各測(cè)點(diǎn)速度隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于零的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)1 最大速度0.24 cm/s，測(cè)點(diǎn)2 最大速度0.22 cm/s，測(cè)點(diǎn)3 最大速度0.23 cm/s，測(cè)點(diǎn)4 最大速度0.21 cm/s，測(cè)點(diǎn)5最大速度0.21 cm/s，各測(cè)點(diǎn)速度均小于規(guī)范允許值2 cm/s。

根據(jù)位移計(jì)算結(jié)果：各測(cè)點(diǎn)速度隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)1 最大位移0.600 mm，測(cè)點(diǎn)2 最大位移0.546 mm，測(cè)點(diǎn)3 最大位移0.576 mm，測(cè)點(diǎn)4 最大位移0.499 mm，測(cè)點(diǎn)5 最大位移0.526 mm，各測(cè)點(diǎn)位移均較小，爆破對(duì)隧洞變形影響較小。

各時(shí)間段爆破振速云圖見(jiàn)圖10 和圖11。

圖10 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻地層振速反應(yīng)圖

圖11 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻地層振速反應(yīng)圖

隧洞不同時(shí)間段振速云圖見(jiàn)圖12 和圖13。

圖12 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻隧洞振速反應(yīng)圖

圖13 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻隧洞振速反應(yīng)圖

隧洞不同時(shí)間段位移云圖見(jiàn)圖14 和圖15。

圖14 爆破產(chǎn)生0.01 s 時(shí)刻隧洞位移反應(yīng)圖

圖15 爆破產(chǎn)生0.10 s 時(shí)刻隧洞位移反應(yīng)圖

4 對(duì)隧洞影響的安全評(píng)估

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果：各測(cè)點(diǎn)速度在0.21～0.24 cm/s 范圍內(nèi)，小于規(guī)范允許值2 cm/s。各測(cè)點(diǎn)位移0.499～0.600 mm 范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)位移均較小，爆破對(duì)石山隧洞變形影響較小。

綜上所述，道路土石方爆破對(duì)東深供水工程石山隧洞有一定的影響，但影響在石山隧洞安全狀態(tài)允許范圍內(nèi)，不會(huì)危及石山隧洞的安全和正常使用。計(jì)算得到的最不利工況下爆破荷載引起的隧道安全影響振速可知，爆破施工引起最大振速均小于安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)（2.0 cm/s），說(shuō)明爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)隧洞影響在相關(guān)規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

5 優(yōu)化爆破方案、采取減振措施

通過(guò)數(shù)值模擬分析，雖爆破施工期間對(duì)供水隧道的安全影響在可控范圍內(nèi)，但復(fù)雜巖土工程問(wèn)題受計(jì)算參數(shù)、模型邊界條件、爆破參數(shù)與實(shí)際爆破存在一定的差異，考慮供水隧道的重要性，為降低爆破施工對(duì)隧洞的影響，建議采取如下減少影響的措施：

（1）建議大范圍施工前開(kāi)展試爆破，并進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù)，并驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的合理性；

（2）如果施工期間，在爆破振速較大區(qū)域，可通過(guò)設(shè)置2～3 排減震孔或減震溝來(lái)降低爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響和破壞；

（3）本次爆破的周圍環(huán)境復(fù)雜，為了既能確保周邊建筑物和構(gòu)筑物的安全，建議對(duì)隧洞的監(jiān)測(cè)（包括沉降位移、振速），動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋結(jié)果，利用目前隧洞已經(jīng)布置的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（地面沉降、隧洞沉降和位移），在爆破施工前確定現(xiàn)有初讀數(shù)，并可以為施工參數(shù)的調(diào)整、修正提供重要依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合具體工程，用三維實(shí)體數(shù)值模型計(jì)算分析了某邊坡爆破施工對(duì)既有隧洞的安全影響，分析結(jié)果不僅指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，可為爆破振動(dòng)動(dòng)力問(wèn)題數(shù)值分析提供了借鑒作用。