楊忠武

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淺埋隧道爆破周邊預(yù)裂縫減振法減振效果探究

楊忠武

(廣西桂物爆破工程有限公司，廣西 南寧 530022)

以南寧市江北引水干渠2#隧道工程為背景，為該工程爆破專項(xiàng)施工尋找減振方法，根據(jù)預(yù)裂縫減振爆破的模擬分析，結(jié)果表明，預(yù)裂縫的存在能夠顯著降低爆破振動(dòng)，在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫寬度不變時(shí)，爆破振動(dòng)速度顯著降低，最大可降低43.2%，預(yù)裂縫深度在一定區(qū)間內(nèi)，隨著深度的增大，爆破振動(dòng)速度降低百分率隨之增大，離開(kāi)這個(gè)區(qū)間，振速降低百分率曲線逐漸變緩；在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫深度不變時(shí)，預(yù)裂縫能顯著降低爆破振動(dòng)峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預(yù)裂縫寬度降低效果不明顯。

淺埋隧道；預(yù)裂縫；減振；預(yù)裂爆破

近年來(lái)，復(fù)雜環(huán)境條件的隧道工程增加不少，處于市區(qū)的隧道工程特點(diǎn)是路線位置易受限制，有些工程埋深淺、所處位置周圍建筑物多、人口稠密，時(shí)而不可避免地穿越公路、民房、工廠、受保護(hù)建筑物等，工程環(huán)境復(fù)雜多變，施工難度大。隧道等地下工程從技術(shù)經(jīng)濟(jì)和效率角度考慮，鉆爆法以其高效、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)勢(shì)，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中依然是主要方法[1?3]。當(dāng)隧道下穿復(fù)雜地形環(huán)境、人口稠密、周圍建筑物眾多的市區(qū)時(shí)，隧道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行爆破作業(yè)必然對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，此時(shí)需要控制爆破振動(dòng)，尋找隧道爆破振動(dòng)安全控制技術(shù)是關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)學(xué)者大量的工程試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究結(jié)果說(shuō)明，利用減震溝能吸收或反射地震波能量，加快爆破地震波衰減，可以有效控制爆破振動(dòng)[4?10]。根據(jù)前人的研究，預(yù)裂爆破是一種安全有效的減振方法，其減振效果得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可。本文結(jié)合南寧市江北引水干渠2#隧道工程爆破專項(xiàng)施工背景，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬隧道周邊有無(wú)預(yù)裂縫爆破振動(dòng)，研究周邊預(yù)裂縫減振法的減振效果，為工程實(shí)際提供參考。

1 工程背景

南寧市江北引水干渠2#隧道位于南寧市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)金沙湖，是南寧市重點(diǎn)工程項(xiàng)目，隧道全長(zhǎng)780 m，隧道斷面面為6.8 m×10 m(樁號(hào)K300＋600~K400＋350)，該隧道穿越的巖層為弱風(fēng)化砂巖，按堅(jiān)硬程度劃分屬軟巖，其中上部有素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂巖、礫巖等。由于2#隧道上部有南寧市繞城公路、邕隆二級(jí)路、民房、廠房等建筑物，隧道距上部邕隆二級(jí)路最短距離約為8 m、隧道拱頂距民房及廠房等建筑物最近垂直距離約為5 m，適合采用鉆爆法開(kāi)挖[11?12]，在如此近距離進(jìn)行爆破作業(yè)引起的爆破振動(dòng)極有可能會(huì)對(duì)隧道上方的公路及民房造成影響。鑒于2#隧道開(kāi)挖環(huán)境復(fù)雜、施工難度大、工期緊，因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，必須開(kāi)展減振技術(shù)研究，以確保公路和民房的安全。

2 隧道爆破周邊預(yù)裂縫數(shù)值模擬 研究

2.1 幾何模型尺寸

隧道掘進(jìn)爆破作業(yè)時(shí)，由于掏槽孔只有一個(gè)臨空面，爆破時(shí)巖體夾制作用大，掏槽孔需要克服巖體夾制力，為形成效果良好的新自由面，掏槽區(qū)域多孔常需要同時(shí)起爆，分段起爆或者減少裝藥量很難達(dá)到應(yīng)有效果，而輔助眼、周邊眼有槽空間作為自由面，藥量比較容易控制，可以多分段起爆，因此掏槽部分炸藥需要量往往最大，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程、消除多種爆破地震波復(fù)雜干涉的影響，本文主要對(duì)掏槽部分進(jìn)行模擬。隧道斷面寬度為10 m，高6.8 m，隧道埋深(拱頂至地面)為10 m，掏槽布置如圖1所示。

采用垂直復(fù)式楔形掏槽，內(nèi)掏槽共4個(gè)炮眼，每個(gè)炮孔深度0.6 m，孔徑40 mm，左右孔距為0.6 m，上下孔距為0.4，每個(gè)孔裝藥卷直徑為32 mm的乳化炸藥0.3 kg，炸藥長(zhǎng)度為0.3 m，堵塞0.3 m，內(nèi)掏槽裝藥量為1.2 kg；外掏槽共6個(gè)炮眼，每個(gè)炮孔深度為1.2 m，孔徑40 mm，與內(nèi)掏槽相鄰炮孔水平距離為0.4 m，外掏槽孔上下孔距為0.4 m，與隧道底板最近炮孔距離為0.6 m，單孔裝藥量為0.4 kg，炸藥長(zhǎng)度為0.4 m，堵塞0.6 m，外掏槽裝藥量為2.4 kg。各掏槽孔均采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，毫秒延時(shí)雷管同時(shí)起爆，掏槽總藥量為3.6 kg，爆破進(jìn)尺為1 m。

圖1 掏槽位置布置

本文利用計(jì)算機(jī)軟件建立三維模型，以隧道掌子面底部中心處為原點(diǎn)，原點(diǎn)向右作為x軸正方向，代表隧道跨度；原點(diǎn)向上作為y軸正方向，代表隧道高度；z軸正方向表示隧道掘進(jìn)方向，即掌子面前方，z軸負(fù)方向表示掌子面后方。整個(gè)模型沿著z軸方向建立20 m的模型，掌子面前方未開(kāi)挖土體10 m，掌子面后方已開(kāi)挖部分10 m，即模型z方向取值(?10，10)；模型y方向取值(?3.2，16.8)；模型x方向取值(?5，5)，最后形成值為10 m×20 m×20 m的圍巖模型，隧道模型為10 m×6.8 m×10 m。根據(jù)工程實(shí)際情況，分為2個(gè)方案模擬：方案一預(yù)裂縫寬度為40 mm時(shí)，選取預(yù)裂縫深度為0 m(無(wú)裂縫)、0.5，1，1.5，2，2.5 m共建立6個(gè)模型；方案二預(yù)裂縫深度等同炮孔深度為1.2 m時(shí)，選取預(yù)裂縫寬度為0，5，10，20，40，80 mm，共建立6個(gè)模型。

2.2 材料參數(shù)及算法

本次模擬材料有圍巖、炮泥、炸藥、空氣，材料參數(shù)如下：

(1) 圍巖和炮泥參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和炮泥參數(shù)

(2) 空氣模型狀態(tài)方程及其材料參數(shù)。在有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中，空氣的狀態(tài)方程形式 如下：

公式中的參數(shù)可從表2選取。

表2 空氣材料參數(shù)

(3) 炸藥狀態(tài)方程及其材料參數(shù)。炸藥爆炸的爆轟壓力用JWL狀態(tài)方程來(lái)表述：

式中，、、1、2、為待定參數(shù)；為爆轟產(chǎn)物壓力；為爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積；為爆轟產(chǎn)物初始比內(nèi)能。

各參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 2#巖石乳化炸藥參數(shù)及其狀態(tài)方程參數(shù)

本文在進(jìn)行模擬時(shí)炸藥采用ALE算法，圍巖和炮泥均采用Lagrange算法，最后將炸藥、圍巖、炮泥用流固耦合方式進(jìn)行計(jì)算。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

如圖2所示，在爆源正上方與地表接觸處布置測(cè)點(diǎn)。雖然《爆破安全規(guī)程》中并未明確規(guī)定薩道夫斯基公式中采用的是分速度還是合速度。但由于城市淺埋隧道爆破作業(yè)地點(diǎn)一般都在市區(qū)內(nèi)，周邊是鬧市或居民區(qū)，受影響因素眾多，相比于偏僻位置的爆破工程保護(hù)對(duì)象更多，倘若選擇偏小的安全系數(shù)，會(huì)增加安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，一旦造成事故后果不堪設(shè)想，因此本工程對(duì)于爆破振動(dòng)分析采用合速度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

由表4、表5以及圖3可以看出，在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫寬度不變時(shí)，預(yù)裂縫深度的存在，爆破振動(dòng)速度顯著降低，最大可降低43.2%，預(yù)裂縫深度在一定區(qū)間內(nèi)，隨著深度的增大，爆破振動(dòng)速度降低百分率隨之增大，離開(kāi)這個(gè)區(qū)間，振速降低百分率曲線逐漸變緩。預(yù)裂縫的存在，可以明顯地降低振動(dòng)速度，起到隔離地震波，降低爆破振動(dòng)的作用。

表4 不同預(yù)裂縫深度、寬度爆破振動(dòng)峰值合速度

表5 不同預(yù)裂縫深度、寬度峰值合速度降低百分率

圖3 不同預(yù)裂縫深度爆破振動(dòng)速度降低百分率

由表4、表5以及圖4可以看出，在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫深度不變時(shí)，預(yù)裂縫能顯著降低爆破振動(dòng)峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預(yù)裂縫寬度降低效果不明顯，當(dāng)預(yù)裂縫寬度從5 mm增加到80 mm，爆破振動(dòng)速度降低百分率變化很小，幾乎是處在一條直線上。

預(yù)裂縫的存在即可減弱爆破振動(dòng)峰值速度，增加預(yù)裂縫寬度對(duì)減振的貢獻(xiàn)很小，因此，在選擇一個(gè)合理的裂縫寬度后，適當(dāng)增加預(yù)裂縫深度能夠明顯地減低爆破振動(dòng)速度。

圖4 不同預(yù)裂縫寬度爆破振動(dòng)速度降低百分率

3 結(jié) 論

(1) 預(yù)裂縫的存在對(duì)地震波的傳播有減弱阻隔作用，縫中存在的是空氣充填物時(shí)，由于爆炸的應(yīng)力波傳到預(yù)裂縫界面能量反射回爆源區(qū)，預(yù)裂縫后面的保護(hù)物受到的振動(dòng)大大減弱。

(2) 根據(jù)工程實(shí)際，利用有限元軟件ANSYS/LS- DYNA模擬周邊預(yù)裂縫隔振可知，在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫寬度不變，預(yù)裂縫深度的存在使爆破振動(dòng)速度顯著降低，最大可降低43.2%，預(yù)裂縫深度在一定區(qū)間內(nèi)，隨著深度的增大，爆破振動(dòng)速度降低百分率隨之增大，離開(kāi)這個(gè)區(qū)間，振速降低百分率曲線逐漸變緩。

(3) 在相同的爆破條件下，當(dāng)預(yù)裂縫深度不變，預(yù)裂縫能顯著降低爆破振動(dòng)峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預(yù)裂縫寬度降低效果不明顯，當(dāng)預(yù)裂縫寬度從5 mm增加到80 mm，爆破振動(dòng)速度降低百分率變化很小，幾乎是處在一條直線上。

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(2018?06?18)

楊忠武(1991—)，男，廣西百色人，研究生，主要從事采礦、爆破、安全等工作。