任永華

(貴州鐵路投資有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550000)

隧道開挖主要采用爆破的方式，爆破開挖容易引起爆破振動(dòng)，可能導(dǎo)致周圍建筑物不同程度的破壞[1-4]，因此控制爆破振動(dòng)是隧道工程施工中常遇到的難題，也是爆破工程界重要的研究課題。漆泰岳等[5]采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方式研究了地鐵隧道爆破開挖和機(jī)械開挖的不同振動(dòng)效應(yīng)。牛澤林等[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立了大斷面淺埋隧道下穿既有建筑群爆破減振模型。張振等[7]采用數(shù)值模擬的方式對(duì)隧道下穿文物保護(hù)建筑的減振方式進(jìn)行了研究。樊浩博等[8]采用數(shù)值模擬的方式對(duì)下穿村莊隧道爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑的影響進(jìn)行了研究。姚勇等[9]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合坪鋪隧道對(duì)小凈距隧道控爆措施進(jìn)行了研究。以上研究均對(duì)隧道控制爆破技術(shù)做出了有益的探索，但是對(duì)于隧道不同控爆開挖方案對(duì)建筑物影響的研究非常少，本文以在建地宗隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)大斷面隧道3種控爆方案對(duì)建筑物的影響進(jìn)行研究，為類似工程的隧道爆破設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 隧道爆破設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

地宗隧道位于安順西—六枝鐵路，全長(zhǎng) 3 045 m，隧址區(qū)穿越構(gòu)造低中山區(qū)，山體大致呈北西向展布，區(qū)內(nèi)上覆第四系坡殘積黏土，下覆基巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r，深灰色夾肉紅色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，有方解石填充，可見溶洞?；?guī)r、白云巖強(qiáng)化巖體較完整，屬于V次堅(jiān)石AB組填料，弱風(fēng)化泥灰?guī)r屬于Ⅳ級(jí)軟巖。本隧道下穿茶山村山區(qū)，在隧道DK42+155—DK42+215標(biāo)段附近存在建筑民房，具體建筑物與隧道平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 建筑物與隧道平面關(guān)系

該標(biāo)段隧道開挖斷面高12.6 m，寬15.4 m，圍巖級(jí)別Ⅳ級(jí)，建筑物距隧道水平距離為5～10 m，距隧道拱頂垂向距離為35～40 m。房屋以1～3層為主，為磚混結(jié)構(gòu)住宅、石灰粉煤灰砌塊石結(jié)構(gòu)，底層為石灰粉煤灰砌塊石。以上房屋均為條形基礎(chǔ)，房屋的結(jié)構(gòu)很不堅(jiān)固，抗震能力較差。設(shè)計(jì)單循環(huán)進(jìn)尺為2 m，為了避免給地表建筑物和隧道圍巖造成較大損傷，必須采取控制振動(dòng)爆破。

1.2 控振爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)上述爆破設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了3種控爆方案。方案1(如圖2(a)所示)為兩臺(tái)階導(dǎo)洞先行爆破，Ⅰ區(qū)炮孔先行爆炸，Ⅱ區(qū)起爆網(wǎng)絡(luò)與Ⅰ區(qū)之間采用MS-3號(hào)雷管連接，Ⅱ區(qū)炮孔在Ⅰ區(qū)爆破完成后100 ms后爆破。方案2(如圖2(b)所示)為三臺(tái)階爆破方案。方案3(如圖2(c)所示)為兩臺(tái)階分幅爆破，Ⅰ區(qū)炮孔先行爆炸，Ⅱ區(qū)起爆網(wǎng)絡(luò)與Ⅰ區(qū)之間采用MS-3號(hào)雷管連接，Ⅱ區(qū)炮孔在Ⅰ區(qū)爆破完成后100 ms后爆破。爆破炸藥量如表1所示。

圖2 3種爆破方案

表1 3種爆破方案各段位炸藥量

2 爆破振動(dòng)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 考慮微差爆破荷載時(shí)程曲線計(jì)算

炸藥瞬時(shí)爆炸時(shí)產(chǎn)生巨大的爆轟壓力瞬時(shí)作用在巖石上，爆轟壓力使得5倍炮孔直徑左右區(qū)域的巖石壓碎，并形成沖擊波。當(dāng)沖擊波傳播到距爆源10～15倍炮孔半徑時(shí)已逐步衰減為壓縮應(yīng)力波。隨后壓縮應(yīng)力波使得巖石產(chǎn)生裂縫發(fā)生破裂，壓縮應(yīng)力波傳播至距爆源120～150倍炮孔半徑時(shí)衰減為地震波，此時(shí)地震波強(qiáng)度較小不能引起巖石的破裂，只能引起巖石彈性振動(dòng)，當(dāng)?shù)卣鸩▊鬟f至地面建筑物時(shí)，會(huì)引起建筑物的振動(dòng)，導(dǎo)致建筑物破壞[11]。

根據(jù)凝聚炸藥爆轟波Chapman-Jouguet理論，對(duì)于不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，單炮孔爆破荷載峰值P可按下式計(jì)算[12-13]。

(1)

式中：ρe,D分別代表炸藥的密度和爆轟速度;r1為裝藥半徑;r0為炮孔半徑；le為藥柱總長(zhǎng)度；lb為炮孔深度；n為轟爆壓力增大系數(shù)，通常n取8～11;γ為等熵指數(shù)。當(dāng)ρe<1.2 g/cm3時(shí)γ=2.1，當(dāng)ρe≥1.2 g/cm3時(shí)γ=3。

根據(jù)圣維南原理，確定同段位炮孔等效爆破荷載峰值，并將計(jì)算得到的等效爆破荷載施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面上[14-15]。此時(shí)，群孔起爆等效爆破荷載峰值壓力Pb計(jì)算公式為

Pb=(2r0/a)P0

(2)

式中：a為炮孔間距；P0為單個(gè)炮孔的峰值壓力。

爆破荷載在巖體中的衰減規(guī)律[16]滿足

(3)

式中：P為炮孔壁上的爆破荷載；R為與裝藥中心的距離;α為荷載傳播衰減指數(shù)。在沖擊波作用區(qū)α=2+μ/(1-μ)，在應(yīng)力波作用區(qū)α=2-μ/(1-μ)，μ為巖石的泊松比。

爆破荷載的升壓時(shí)間tr和降壓時(shí)間ts與裝藥量、巖石力學(xué)性質(zhì)、炸藥距炮孔壁的距離等因素有關(guān)?？煞謩e根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式[11]計(jì)算。

(4)

(5)

式中：r為對(duì)比距離，r=R/r0；K為巖石體積壓縮模量,kg/cm2。

根據(jù)式(1)和式(2)可計(jì)算得到同段位群孔起爆等效爆破荷載峰值，根據(jù)式(3)計(jì)算得到衰減至隧道開挖輪廓的荷載，根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算得到爆破荷載的升壓時(shí)間和降壓時(shí)間，結(jié)合使用雷管延時(shí)時(shí)間確定爆破荷載時(shí)程曲線。采用上述方法計(jì)算3個(gè)爆破方案荷載時(shí)程曲線。方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載時(shí)程曲線

2.2 建立模型

本隧道爆破模擬采用有限元軟件MIDAS/GTS NX，巖體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建筑物與隧道位置關(guān)系建立模型，隧道拱頂垂向距離建筑物32 m，建筑物位于隧道正上方。所建數(shù)值模型為100 m(長(zhǎng))×71 m(寬)×50 m(高)。土層簡(jiǎn)化為5 m厚人工堆積土和45 m厚強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，如圖4所示。模型計(jì)算參數(shù)如表2所示。以黏性阻尼邊界定義邊界條件模擬地形概貌。

圖4 數(shù)值模型

表2 模型計(jì)算參數(shù)

由于下臺(tái)階爆破時(shí)上臺(tái)階已經(jīng)為其創(chuàng)造了第二臨空面，因此隧道上臺(tái)階爆破引起的振動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于下臺(tái)階。本次爆破模擬主要考慮上臺(tái)階爆破對(duì)建筑物的影響。假定爆破荷載以均布荷載作用于隧道壁上，作用方向?yàn)榉ň€方向。為盡可能地模擬實(shí)際爆破過(guò)程，方案1的Ⅰ區(qū)爆破荷載加載在爆破輪廓面上，Ⅱ區(qū)荷載加載在隧道輪廓面上；方案2爆破荷載加載在上臺(tái)階爆破輪廓面上;方案3的Ⅰ區(qū)爆破荷載加載在右邊爆破輪廓面上，Ⅱ區(qū)荷載加載在左側(cè)爆破輪廓面上。采用彈性邊界進(jìn)行特征值分析，為避免波的反射作用產(chǎn)生較大誤差，采用黏性邊界條件進(jìn)行時(shí)程分析。共進(jìn)行了5次爆破模擬。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模擬計(jì)算提取距離隧道最近的測(cè)點(diǎn)(參見圖4)合速度時(shí)程曲線。3種爆破方案合速度時(shí)程曲線見圖5—圖7。方案1Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破引起的測(cè)點(diǎn)合速度最大值分別為0.657，0.774 cm/s；方案2上臺(tái)階引起的測(cè)點(diǎn)合速度最大值為1.357 cm/s；方案3Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破引起的測(cè)點(diǎn)合速度最大值分別為0.732，0.577 cm/s。表明3種爆破方案均能滿足控振要求，方案1和方案3能夠引起的振動(dòng)較小，控振效果更好。

圖5 方案1各區(qū)合速度時(shí)程曲線

圖6 方案2合速度時(shí)程曲線

圖7 方案3各區(qū)合速度時(shí)程曲線

方案1Ⅰ區(qū)爆破引起的振動(dòng)小于Ⅱ區(qū)、方案2上臺(tái)階、方案3Ⅰ區(qū)，主要由于方案1Ⅰ區(qū)炸藥量小于上述其他爆破區(qū)，且方案1Ⅰ區(qū)位于整個(gè)隧道的中下方，距離建筑物較遠(yuǎn)，因此引起的振動(dòng)較小。方案3Ⅱ區(qū)爆破引起的振動(dòng)小于方案1Ⅱ區(qū)，主要由于方案3Ⅱ區(qū)爆破體積較小，炸藥量較少，爆破在1 s(Ms-15延時(shí)時(shí)間為0.88 s)內(nèi)完成，爆破最大振動(dòng)速度均在1 s之內(nèi)出現(xiàn)，1 s之后振動(dòng)速度迅速衰減。

根據(jù)模擬結(jié)果提取測(cè)點(diǎn)三方向振動(dòng)速度，如表3所示，爆破方案1Ⅰ區(qū)各方向振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖8所示。由圖8和表3可見：水平方向振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于垂向振動(dòng)速度，且水平方向振動(dòng)速度變化幅度較小，因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中注意垂向速度變化，可將垂向速度作為安全判據(jù)。

表3 三方向振動(dòng)速度

圖8 方案1Ⅰ區(qū)各方向振動(dòng)速度里程曲線

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析，方案1和方案3均能實(shí)現(xiàn)較好的控振效果，但方案3Ⅱ區(qū)爆破會(huì)對(duì)Ⅰ區(qū)圍巖產(chǎn)生二次損傷，因此現(xiàn)場(chǎng)采用方案1進(jìn)行爆破掘進(jìn)。采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的增強(qiáng)性TC-4850爆破測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。該測(cè)振儀具有精度高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可測(cè)得3個(gè)方向的速度。監(jiān)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值模擬位置一致。典型合速度時(shí)程曲線如圖9(a)所示,典型水平橫向和垂向速度時(shí)程曲線如圖9(b)、圖9(c)所示。圖9中出現(xiàn)了2次較大的波峰，峰值分別為0.981,0.906 cm/s。表明方案1Ⅰ和Ⅱ區(qū)延時(shí)爆破達(dá)到了很好的分區(qū)爆破效果，實(shí)現(xiàn)了控振的目標(biāo)，且Ⅰ和Ⅱ區(qū)爆破中多次出現(xiàn)波峰和波谷，表明微差爆破能夠起到錯(cuò)峰作用，實(shí)現(xiàn)能量的分散。

圖9 實(shí)測(cè)時(shí)程曲線

對(duì)比分析圖9(b)和圖9(c)可得:爆破引起的垂向速度遠(yuǎn)大于水平速度，垂向振動(dòng)頻率大于水平振動(dòng)頻率。對(duì)比合速度和分速度時(shí)程曲線，兩者基本趨勢(shì)一致，均在爆破較早便出現(xiàn)了較大振動(dòng)，最大振動(dòng)速度在1 s內(nèi)出現(xiàn)，1 s后振動(dòng)速度迅速衰減。由于模擬中對(duì)模型和荷載進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)際爆破中地質(zhì)條件和爆破荷載傳播更為復(fù)雜，因此模擬所得水平橫向速度、垂向速度較實(shí)測(cè)振動(dòng)速度分別小33.0%和14.6%，模擬所得振動(dòng)曲線波谷波峰較為稀疏，但是從整體上反映了爆破振動(dòng)規(guī)律。

3 結(jié)論

1)采用延時(shí)雷管分段爆破原理設(shè)計(jì)的導(dǎo)洞先行爆破和左右分幅爆破能夠達(dá)到分區(qū)延時(shí)爆破效果，有效地控制爆破振動(dòng)。較左右分幅爆破，導(dǎo)洞先行法第一次爆破距離建筑物較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)較小。

2)爆破引起的水平方向振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于垂向振動(dòng)速度，且水平方向振動(dòng)速度變化幅度較小，因此在監(jiān)測(cè)過(guò)程中注意垂向速度變化，可以垂向速度作為安全判據(jù)。

3)爆破采用國(guó)產(chǎn)第一系列雷管(最高15段)，最大振動(dòng)速度在1 s內(nèi)出現(xiàn)，1 s后振動(dòng)速度迅速衰減，微差爆破能夠起到錯(cuò)峰作用，實(shí)現(xiàn)能量的分散。

4)模擬所得水平橫向速度、垂向速度較實(shí)測(cè)振動(dòng)速度分別小33.0%和14.6%。主要由于實(shí)際爆破中地質(zhì)條件和爆破荷載傳播更為復(fù)雜，但整體上反映了爆破振動(dòng)規(guī)律。在數(shù)值模擬中采用考慮了微差爆破荷載時(shí)程曲線，能夠得到爆破振動(dòng)規(guī)律，從而提前預(yù)測(cè)爆破對(duì)建筑的影響。

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