劉立軍，付燁，肖保懷，白嵩，武立群

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400050；2重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，重慶400050；3西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶400700)

基于既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的露天平場(chǎng)爆破控制分析

劉立軍1，2，付燁1，肖保懷1，白嵩1，武立群3

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400050；2重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，重慶400050；3西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶400700)

既有運(yùn)營(yíng)中的佛龍崗隧道是某園區(qū)一橫線上的控制性工程。該隧道上方約20m處的場(chǎng)平采用露天中深孔爆破施工，如何控制爆破的藥量，達(dá)到既能保證隧道結(jié)構(gòu)的安全又能縮短平場(chǎng)爆破的工期、減小爆破的費(fèi)用，成為爆破控制的關(guān)鍵技術(shù)。該文運(yùn)用LS-DYNA采用數(shù)值方法詳細(xì)分析了不同的爆破距離和爆破藥量下，隧道斷面的爆破振動(dòng)速度和應(yīng)力特征，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范公式進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)同類工程有一定的參考意義。

下臥隧道；振動(dòng)速度；爆破控制；應(yīng)力特征；

引言

露天中深孔爆破廣泛地應(yīng)用于場(chǎng)地平整、路塹開(kāi)挖等基礎(chǔ)建設(shè)中，爆破施工技術(shù)得到了快速發(fā)展。相比之下，對(duì)中深孔爆破安全問(wèn)題的研究還處于落后階段，其安全問(wèn)題的首要公害就是爆破地震波對(duì)建構(gòu)/筑物造成的破壞。各國(guó)學(xué)者致力于研究其產(chǎn)生機(jī)制和控制措施。近年來(lái)，由于平場(chǎng)爆破施工造成建構(gòu)/筑物破壞的現(xiàn)象越來(lái)越多。許多工程實(shí)例已表明，爆破施工如不重視爆破振動(dòng)的破壞作用并采取適當(dāng)爆破控制措施，則可能會(huì)造成不必要的人員財(cái)產(chǎn)損失。關(guān)于爆破引起振速的計(jì)算，我國(guó)廣泛運(yùn)用前蘇聯(lián)的薩道夫斯基公式，并寫(xiě)入我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)作為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)振速的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式主要考慮裝藥量和爆心距的影響，場(chǎng)地地形、地質(zhì)條件采用衰減系數(shù)考慮，沒(méi)有考慮建/構(gòu)筑物的自身特性和爆破振動(dòng)對(duì)特定、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的安全性影響問(wèn)題，尚需根據(jù)建/構(gòu)筑物的自身特性進(jìn)行準(zhǔn)確的爆破振動(dòng)模擬分析。

1 工程概況

某平場(chǎng)工程地形地貌屬山嶺坡地地形，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，石方以砂巖、泥巖為主，硬度系數(shù)f=4～6，巖層穩(wěn)定，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)地下水，擬采用控制爆破平場(chǎng)方式。該爆破平場(chǎng)區(qū)域下臥一既有運(yùn)營(yíng)中隧道（佛龍崗隧道），且平場(chǎng)標(biāo)高距離隧道頂部標(biāo)高僅約20m。隧道采用上下行分離式獨(dú)立雙洞，雙向六車道。該隧道左線長(zhǎng)度905m，里程起訖樁號(hào)為K12+380-K13+285，右線長(zhǎng)度902m，里程起訖樁號(hào)為K12+393-K13+295。隧址區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組，巖性為泥巖、砂巖。在隧道進(jìn)洞口及隧道頂部覆蓋有第四系全新統(tǒng)殘坡積、崩坡積地層，在出洞口地帶覆蓋較厚的第四系殘坡積地層，在洞身段局部地面分布第四系全新統(tǒng)人工填土層。隧道區(qū)內(nèi)未見(jiàn)滑坡、崩塌、泥石流、地面裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

佛龍崗隧道雙洞均為巖質(zhì)隧道，圍巖分級(jí)為：（1）進(jìn)洞口段，泥巖，圍巖級(jí)別為Ⅴ類；（2）洞身段1，泥巖，圍巖級(jí)別為IV類；（3）洞身段2，泥巖為主，夾薄～中厚層狀砂巖，圍巖級(jí)別為IV類；（4）洞身段3，砂巖，圍巖級(jí)別為IV類；（5）洞身段4，泥巖，圍巖級(jí)別為IV類；（6）洞身段5，砂巖，圍巖級(jí)別為IV類；（7）出洞口段，砂巖或土，圍巖級(jí)別為Ⅴ類。

佛龍崗隧道主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 佛龍崗隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 有限元模擬分析

2.1 計(jì)算模型

針對(duì)佛龍崗隧道最不利的襯砌結(jié)構(gòu)斷面，采用ANSYS/LSDYNA軟件建立三維模型進(jìn)行計(jì)算，LS-DYNA模塊為通用顯式動(dòng)力分析程序，適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題。模型將隧道縱向作為X軸，鉛垂向上設(shè)定為Y軸，沿隧道掘進(jìn)方向?yàn)閆軸。由于佛龍崗隧道具有20m的埋深，巖體的重量會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，故建模時(shí)對(duì)模型上部施加了重力加速度，模型上部按實(shí)際埋深建。為了減小邊界效應(yīng)的影響，左右邊界取為6倍隧道洞寬，下邊界取為3倍隧道洞高。將計(jì)算模型的四個(gè)側(cè)面和底部均設(shè)為無(wú)反射的固定邊界，各邊界位移為零，地表設(shè)為自由邊界。有限元模型單元采用六面體單元，圍巖和隧道襯砌單元類型均采用Solid164單元，單元數(shù)為58838個(gè)。材料組成包括Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖組成的巖石材料、錨桿材料、二次襯砌的混凝土材料。淺孔和中深孔爆破荷載通過(guò)爆炸沖擊波理論和爆炸氣體膨脹理論等效成爆破載荷壓力曲線（三角型脈沖荷載）簡(jiǎn)化施加在開(kāi)挖輪廓面上。三角形曲線的波峰載荷值的大小根據(jù)巖石密度、巖體的縱波速度、炸藥密度、炸藥爆速、爆炸的距離等參數(shù)換算確定。本模型計(jì)算取爆破荷載的加載時(shí)間為10ms，卸載時(shí)間為100ms，模擬的求解時(shí)間為0.5s。

2.2 計(jì)算結(jié)果

如圖1所示，對(duì)隧道模型選取關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)、單元等參數(shù)進(jìn)行分析，A、E點(diǎn)分別代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱腳位置，B、D點(diǎn)分別代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱腰位置；C點(diǎn)代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱頂位置。

圖1佛龍崗隧道斷面上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布圖

2.2.1 振速計(jì)算結(jié)果

對(duì)距隧道不同距離、不同炸藥量的爆破振動(dòng)效應(yīng)下，佛龍崗既有隧道斷面上不同點(diǎn)的最大振速進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2-表5。

2.2.2 質(zhì)點(diǎn)振速歷程曲線

表2 爆破距離為20m時(shí)隧道斷面上關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算速度

表3 爆破距離為30m時(shí)隧道斷面上關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算速度

表4 爆破距離為40m時(shí)隧道斷面上關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算速度

表5 爆破距離為50m時(shí)隧道斷面上關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算速度

提取爆破距離為30m、炸藥量為80kg時(shí)，隧道斷面上C點(diǎn)的三向振速時(shí)間歷程曲線（圖2）以及綜合振速時(shí)間歷程曲線（圖3）。由曲線可知，在一次具體的爆破振動(dòng)中，節(jié)點(diǎn)在爆破應(yīng)力波的作用下，其振動(dòng)速度將在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，而后迅速衰減直至下次爆破應(yīng)力波到來(lái)時(shí)再達(dá)到峰值。

圖2 X、Y、Z三向振速時(shí)程曲線

圖3綜合振速時(shí)間歷程曲線

2.2.3 隧道斷面最大應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到隧道斷面上各節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及歷程曲線。當(dāng)控制爆破距離為20m且爆破藥量小于20kg、爆破距離為30m且爆破藥量小于65kg、爆破距離為40m且爆破藥量小于100kg、爆破距離為50m且爆破藥量小于130kg時(shí)，佛龍崗既有隧道斷面上的最大主應(yīng)力均小于1.6MPa。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014推薦，用薩道夫斯基公式對(duì)佛龍崗既有隧道爆破振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，可得到不同距離、不同藥量下的爆破振動(dòng)速度。其中，根據(jù)試爆結(jié)果，公式中的參數(shù)取值為：K=230，a=1.60。分別按有限元模擬計(jì)算和按薩道夫斯基公式計(jì)算的爆破振動(dòng)速度如下表6。由此可見(jiàn)，采用有限元模擬計(jì)算的爆破振動(dòng)速度比按安全規(guī)程計(jì)算的振動(dòng)速度偏小，采用安全規(guī)程計(jì)算的振動(dòng)速度來(lái)控制爆破藥量偏于保守。

表6 佛龍崗隧道爆破控制計(jì)算對(duì)比

4 結(jié)論

（1）本文基于LS-DYNA采用數(shù)值方法對(duì)平場(chǎng)爆破引起的既有下臥隧道的振動(dòng)效應(yīng)的分析方法是可行的，計(jì)算結(jié)果符合結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。該方法對(duì)于評(píng)估建設(shè)工程爆破施工對(duì)既有建筑物/構(gòu)筑物的安全性影響有一定的借鑒意義。

（2）采用我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，主要考慮了裝藥量和爆心距的影響，而沒(méi)有考慮建/構(gòu)筑物的自身特性，其計(jì)算結(jié)果，相比有限元模擬結(jié)果大體較保守，偏于安全，且當(dāng)距離越小、藥量越小的時(shí)候，安全富余系數(shù)越大。

（3）當(dāng)距離越遠(yuǎn)、藥量越大的時(shí)候，有限元模擬結(jié)果的振動(dòng)速度大于采用我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度。因此，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破振動(dòng)計(jì)算時(shí)，應(yīng)同時(shí)采用并進(jìn)行綜合考慮各項(xiàng)因素的有限元模擬結(jié)果和規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行爆破藥量控制。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Open Blasting Control Based on Existing Tunnel Structural Safety

The existing Folonggang tunnel in operation is a control project in an industrial park.Open deep hole blasting construction will be adopted for the field 20m above the tunnel.How to control blasting chemicals volume to assure tunnel structural safety,shorten blasting duration and reduce blasting cost becomes the key technology in blasting control.LS-DYNA and numerical method are applied to analyze tunnel section's vibration velocity and stress characteristics under different blasting distances and blasting chemical volumes,with calculation results and regulatory formula compared and analyzed for reference.

underlying tunnel;vibration velocity;blasting control;stress characteristics；

TU751.9

：A

：1671-9107（2016）11-0029-04

2016-08-11

劉立軍（1983-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，研究生，主要從事民用爆破控制與監(jiān)測(cè)研究，材料研究。