王亞朋，王海亮，何 闖，魏棟棟，李梓源

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

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同段起爆炮孔間距對最大振速的影響分析

王亞朋，王海亮，何 闖，魏棟棟，李梓源

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

為研究開挖斷面為6 m范圍內(nèi)同段位兩炮孔間距對最大爆破振動速度的影響，以青島地鐵2號線延安路站側(cè)穿166號樓為研究對象，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，對同段起爆炮孔間距這一參數(shù)進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明：1)在開挖斷面寬度為6 m范圍內(nèi)，同段起爆的兩炮孔間距對最大爆破振速影響不明顯；2)相鄰兩炮孔同段起爆比間隔炮孔同段起爆產(chǎn)生的振速衰減得快，即相鄰兩炮孔同段起爆對建筑物的累積損害量相對較小。

青島地鐵；隧道爆破；同段起爆；爆破振速；數(shù)值模擬；炮孔間距

0 引言

淺埋暗挖隧道采用爆破方法開挖，其爆破振動會對地表建筑物的安全構(gòu)成較大威脅，因此，從不同角度研究爆破施工的各個環(huán)節(jié)，對保護(hù)建筑物以及確保地鐵施工順利開展意義重大。一般地，現(xiàn)場工人認(rèn)為同一段雷管起爆的2個炮孔增加其間距會降低爆破最大振速。但薩道夫斯基公式在進(jìn)行隧道爆破振動計算時，默認(rèn)為炮孔之間具有一個等效爆炸點，炸藥集中于此，因此僅考慮單段起爆藥量，并未對炮孔間距加以限定。為了能夠正確地指導(dǎo)現(xiàn)場工人的作業(yè)，并驗證薩道夫斯基對隧道爆破振速計算的準(zhǔn)確性，研究同段兩炮孔起爆時炮孔間距是否對爆破最大振速產(chǎn)生影響就顯得尤為重要。

影響爆破最大振動速度的因素有很多，且國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。張祖遠(yuǎn)等[1]研究了大直徑中空孔掏槽對振速的影響；羅憶等[2]通過增加爆破安全距離的方法來降低最大爆破振速；周宜等[3]對掏槽形式、裝藥結(jié)構(gòu)和爆破參數(shù)做了深入研究，并最大限度地降低了爆破振速；閆鴻浩等[4]提出了微差減振爆破法，從雷管延期方面研究如何降低爆破振動速度；徐振洋等[5]對巖石性質(zhì)進(jìn)行了研究，并總結(jié)出巖性對爆破振動傳播規(guī)律產(chǎn)生的影響。然而，國內(nèi)外對于影響最大振動速度的研究僅停留在降低單段最大藥量、增加自由面和增大爆破安全距離等方面[6-7]，并沒有對同一段位兩炮孔起爆時的炮眼間距(即單段裝藥集中度)這一影響因素進(jìn)行研究。因此，本文以青島地鐵延安路車站為工程背景，通過現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等方法對相鄰兩炮孔同段起爆與間隔炮孔同段起爆產(chǎn)生的最大爆破振動速度進(jìn)行分析，來確定同一段位兩炮孔起爆時炮孔間距對爆破最大振動速度產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

青島地鐵延安路車站位于延安路海信立交橋南側(cè)，車站主體為暗挖單拱雙層結(jié)構(gòu)，全包防水，車站中心里程處拱頂覆土約17 m，沿延安三路南北方向布置。車站起訖里程YSK27+687.017～+885.817內(nèi)建筑物分布密集，位于車站西側(cè)的166號樓為毛石條基，7層(部分為6層)磚混結(jié)構(gòu)，抗震性差，為重點保護(hù)對象，爆破振動要求控制在0.5 cm/s以內(nèi)。延安路車站主體Ⅳ部上臺階開挖斷面寬8.0 m、高3.9 m、斷面面積19.5 m2。本區(qū)內(nèi)基巖以粗?；◢弾r為主，圍巖等級為Ⅳ—Ⅴ級。其中，車站主體Ⅳ部上臺階爆破時對166號樓影響最大。車站主體與166號樓的平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 車站主體與166號樓的平面位置關(guān)系(單位：m)

Fig.1 Cross-section showing relationship between main body of station and building No.166 (m)

2 爆破設(shè)計

Ⅳ部上臺階開挖時分2次起爆，第1次起爆時需要掏槽，炮孔裝藥量不同，不利于控制單段起爆藥量，因此，本文僅對第2次起爆的斷面進(jìn)行研究。爆破施工使用1～20段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管和2號巖石乳化炸藥，采用不耦合裝藥方式，循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，單孔裝藥量0.2 kg。由于第1次起爆為第2次起爆提供了爆破自由面，第2次起爆時炮眼布置間距相對較大，周邊眼間距為550 mm，輔助眼行間距為600 mm，排距為650 mm。在爆破施工過程中隨著掌子面的逐步推進(jìn)，距保護(hù)對象的距離逐漸減小，為降低振速，現(xiàn)場將起爆方式由原來的相鄰孔同段起爆轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚g隔的炮孔同段起爆[8-10]。2種起爆方式見圖2。

(a)相鄰孔同段起爆

(b)間隔孔同段起爆

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測儀器與測點布置

爆破振動速度是反映爆破對周圍建筑物損傷程度的基本指標(biāo)[11]。本工程采用成都中科TC-4850測振儀，將測振儀置于延安三路車站主體Ⅳ部掌子面正上方偏右6 m的位置，即距需要保護(hù)的166號樓最近的位置。隨著掌子面的不斷推進(jìn)，測點的位置向前移動并始終保持兩者在一個垂直面內(nèi)。為提高實驗結(jié)果的可靠性，進(jìn)行8個斷面的爆破試驗，其中1、3、5、7斷面一段別雷管的兩炮孔集中布置，2、4、6、8斷面一段別雷管的兩炮孔分散布置，其測點位置布置見圖3。測點與爆破幾何中心的直線距離約為21.3 m。為了降低雷管段位造成的誤差，僅對一段瞬發(fā)雷管起爆時產(chǎn)生的振速進(jìn)行分析。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

測點處爆破振動速度的大小通常受3方面的影響：1)單段最大起爆藥量；2)爆心距；3)與保護(hù)對象所處地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)[12]。對于本工程而言，爆心距與保護(hù)對象所處地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)已經(jīng)確定，地表的爆破振動速度僅受單段最大起爆藥量的影響。為了避免起爆時同段雷管的延遲誤差，僅對一段起爆時產(chǎn)生的爆破振動波形圖進(jìn)行分析，隨著爆破施工的進(jìn)行，測點的布置隨斷面向前移動。共收集到8個斷面爆破時相鄰兩炮孔同段起爆與間隔炮孔同段起爆產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)，振動數(shù)據(jù)見表1，得到1、2斷面爆破時的測點振動波形圖，如圖4所示。

圖3 測點位置布置

通過對上述測點振動數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在掌子面橫向間距6 m范圍內(nèi)相鄰兩炮孔同段起爆與間隔兩炮孔同段起爆產(chǎn)生的最大合振速在0.25 cm/s處上下波動。由一段起爆的2個炮孔產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)可以推測，同一段多炮孔起爆時其炮孔間距對最大振速影響不大。試驗中使用20段雷管起爆，其他段位的雷管會對一段瞬發(fā)雷管起爆時的振動產(chǎn)生影響。因此，本文使用數(shù)值模擬的方法對間隔炮孔同段起爆與相鄰炮孔同段起爆產(chǎn)生的爆破振動速度進(jìn)行驗證分析。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

本文采用ANSYS數(shù)值模擬對同段位炮孔的裝藥密集度進(jìn)行模擬分析。由于爆破斷面的形狀對爆破振動不產(chǎn)生影響[13]，從建模的可行性考慮，建立帶有炮孔的2個長方體模型進(jìn)行分析。長方體模型1的尺寸設(shè)置為長11 m、寬5 m、高17 m，在距模型右側(cè)2.9 m、底面0.5 m的部位設(shè)置炮孔1，在距模型右側(cè)3.1 m、底面0.5 m的部位設(shè)置炮孔2，模型見圖5。長方體模型2的尺寸與模型1相同，但炮孔位置不同，炮孔1距模型左側(cè)0.5 m、底面0.5 m，炮孔2距模型左側(cè)5.5 m、底面0.5 m。模型見圖6。

(a) 相鄰孔同段起爆

(b) 間隔孔同段起爆

圖5 相鄰炮孔同段起爆模型

模型中巖石和炸藥都采用SOLID 164實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14]。建模前期將模型分為3個part，part1與part2同為炸藥材料，part3為巖石，巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表2，巖石乳化炸藥基本參數(shù)見表3。模型整體網(wǎng)格劃分較為均勻，炮孔軸線方向與徑向相對較密，其他部分網(wǎng)格劃分較為稀疏。為降低網(wǎng)格密集程度在模擬中對爆破振速產(chǎn)生的影響，2個模型網(wǎng)格劃分基本都在31 000個單位左右。為符合實際爆破過程中的反向起爆方式，模型的起爆點設(shè)置在炮眼藥卷底部。模型建立具有局限性，只能還原出主要研究的部位，為實現(xiàn)使用有限體模擬無限體，確保模擬的真實性，在模型除頂面(地表)的其他5個面均施加無反射邊界條件[15]。模型邊界條件施加情況如圖7所示。

圖6 間隔炮孔同段起爆模型

材料密度/(g/cm3)彈性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比比內(nèi)能/(×1010ergs·g-1)巖石2.74618.60.151.267

表3 炸藥基本參數(shù)

圖7 模型邊界條件施加情況

4.2 ANSYS軟件計算結(jié)果分析

模型中測點的布置與現(xiàn)場布置大致相同，位于模型掌子面右上方，通過后處理提取可知模型1的測點為(700，1 650，-20)，模型2的測點為(700，1 650，-20)。通過確定的測點位置可以提取出測點y方向的振動曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 模型1測點振動曲線

Fig.8 Blasting vibration velocity vs.time in model of detonation of adjacent blasting holes

圖9 模型2測點振動曲線

Fig.9 Blasting vibration velocity vs.time in model of detonation of spaced blasting holes

從圖8和圖9可以看出:y方向的爆破振動速度波動在-0.2～0.3 cm/s；模型1的最大振動速度出現(xiàn)在2.7×103μs左右，模型2的最大振動速度出現(xiàn)在4.5×103μs左右；模型1出現(xiàn)的最大振速較早的主要原因是同段位炮孔裝藥相對集中，同時釋放出較大的能量，在前期傳播過程中能量衰減較慢，因而模型1較快到達(dá)振動峰值；模型2在最大振速前出現(xiàn)了一個小的波峰然后達(dá)到最大振速，主要原因為模型2的2個炮孔間距較大，導(dǎo)致右側(cè)炮孔距離測點的位置較小，即爆心距較小，由薩道夫斯基經(jīng)驗公式可知，模型2的一個炮孔距離測點較近會首先在測點產(chǎn)生一個振速；由于采用一段起爆且振速傳播較快，模型2中的兩炮孔振速迅速疊加到峰值。從圖4可以看出，雙孔單段布置炮孔時炮孔間的最大爆破振動速度相等。2個模型中最大振速相等，但模型1中振速在5×103μs時已經(jīng)降至0.1 cm/s以下，模型2在6×103μs時才降到0.1 cm/s，可知相鄰孔同段起爆比具有間隔的炮孔同段起爆振速衰減得快。

5 結(jié)論與討論

爆破斷面為6 m的范圍內(nèi)，在裝藥量不大的情況下，通過對一段雷管起爆時兩炮孔產(chǎn)生的最大爆破振速進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)現(xiàn)場爆破施工時的監(jiān)測數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)值模擬得出的結(jié)果相對比，可以發(fā)現(xiàn)：在小區(qū)域的淺孔小藥量爆破中兩孔一段進(jìn)行爆破裝藥時，2個炮孔的裝藥間距對同一點的最大爆破振動速度不產(chǎn)生影響，所以在進(jìn)行減振方案時不應(yīng)考慮增加同段位炮孔間距，單純的增加炮孔間距不僅會降低工人的裝藥效率，而且會增加導(dǎo)爆管的數(shù)量。

2)兩炮孔起爆后，產(chǎn)生的爆破振動在傳播一定距離后會疊加，炮孔間距不影響疊加后形成的最大振速。

3)由于同段起爆炮孔間距對測點產(chǎn)生的最大振速不造成影響，所以兩炮孔相距6 m范圍內(nèi)，其中心連線的中點可以等效為起爆點，與薩道夫斯基經(jīng)驗公式相吻合，為該公式在隧道爆破中的運用提供了理論基礎(chǔ)。

4)雖然爆破產(chǎn)生的最大振速不變，但是由圖8和圖9可以看出，相鄰炮孔同段起爆時振速衰減較快，對被保護(hù)建筑物產(chǎn)生的持續(xù)損害較??；然而，間隔炮孔同段起爆時爆破振速衰減較慢，對被保護(hù)建筑物產(chǎn)生的持續(xù)損害相對較大。在現(xiàn)場允許的情況下，為了減小對被保護(hù)建筑物的損害，進(jìn)行雷管段位布置過程中應(yīng)盡量實現(xiàn)相鄰炮孔同段起爆。

本文未對當(dāng)炮孔間距超過6 m時是否會影響最大振速進(jìn)行研究，同時僅考慮了2個炮孔同時起爆時的最大振速，而對多個炮孔同時起爆時僅通過定性分析類推認(rèn)為最大振速不變，但并未進(jìn)行定量分析，這些均有待今后更加深入的研究。

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Analysis of Influence of Spacing of Blast Holes with Same Detonation Delay on Maximum Blasting Vibration Velocity

WANG Yapeng,WANG Hailiang,HE Chuang,WEI Dongdong,LI Ziyuan

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,Shandong,China)

The influence of spacing of blasting holes with same detonation delay on the maximum blasting vibration velocity is calculated and analyzed by numerical simulation and field test,taking Yananlu Station on Line 2 of Qingdao Metro side crossing building No.166 for example.The results show that:1) The influence of spacing of blasting holes with same detonation delay on the maximum blasting vibration velocity is not obvious when the width of excavation cross-section within 6 m.2) The reduction of blasting vibration velocity induced by detonation of adjacent blasting holes is faster than that induced by detonation of spaced blasting holes,i.e.the accumulated damage of building induced by detonation of adjacent blasting holes is smaller than that induced by detonation of spaced blasting holes.

Qingdao Metro; tunnel blasting; blasting with same detonation delay; blasting vibration velocity; numerical simulation; blasting hole spacing

2015-12-24;

2016-04-27

王亞朋(1991—)，男，山東濟(jì)寧人，山東科技大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為災(zāi)害預(yù)測與防治。E-mail：2476599092@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.011

U 455.6

A

1672-741X(2016)10-1232-05