張新波

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081)

1 項(xiàng)目背景

燕尾式隧道是近年來(lái)發(fā)展的新的隧道結(jié)構(gòu)形式，相比分離式隧道設(shè)計(jì)方案在工程造價(jià)上具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，普遍應(yīng)用于我國(guó)高速鐵路、公路建設(shè)中。針對(duì)燕尾式隧道扁平化設(shè)計(jì)特性，燕尾段施工爆破開挖過(guò)程中存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且極易造成中巖墻的爆破擾動(dòng)導(dǎo)致塌方和隧道變形侵限等質(zhì)量事故。

毛蓬崗隧道位于浙江省杭州市，左線單線起訖里程為DK27+154～DK31+200，總長(zhǎng)4 046 m；隧道右線單線起訖里程為YDK27+015～YDK31+143，總長(zhǎng)4 128 m；隧道雙線起訖里程為DK31+200～DK32+909，總長(zhǎng)1 709 m。單雙線隧道在DK31+200處實(shí)現(xiàn)貫通。DK30+855.2(YDK30+800)～DK31+200(YDK31+143)小間距段中隔墻巖柱寬度從5.4 m逐漸變?yōu)?.1 m，平面布置如圖1所示。

圖1 燕尾式隧道小間距段平面

毛蓬崗隧道單線單洞采用獨(dú)頭掘進(jìn)方式開挖。施工過(guò)程中，左線隧道與雙線大跨段先行貫通。為保證右線隧道爆破開挖對(duì)左線隧道和巖柱的影響控制在安全范圍之內(nèi)，需要對(duì)最不利段YDK31+140～YDK31+143(巖柱距離最小凈距為1.1 m)的控爆施工進(jìn)行安全評(píng)估。本次掘進(jìn)設(shè)計(jì)采用全斷面爆破，進(jìn)尺為1 m。掏槽眼裝藥量為最大單段藥量，共布設(shè)12個(gè)炮孔，孔深2.5 m，其中裝藥長(zhǎng)度1 m，堵塞長(zhǎng)度1.5 m，單孔裝藥量為1 kg。

2 現(xiàn)階段爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)方法及其局限性

2.1 爆破振動(dòng)安全評(píng)價(jià)因素

在判斷爆破對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度時(shí)，一般依據(jù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的最大速度和最大加速度。兩者各有側(cè)重，速度可以把地震波產(chǎn)生的地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力和動(dòng)能與所攜帶的能量聯(lián)系起來(lái)，而加速度能夠與爆破振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力聯(lián)系起來(lái)，便于進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及換算對(duì)建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的地震作用。一些專家認(rèn)為可以將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合研究[1-2]。

目前，在已有的研究和應(yīng)用過(guò)程中，更多采用振速-頻率雙因素的爆破振動(dòng)安全判據(jù)，我國(guó)在《爆破安全規(guī)程》中也有詳細(xì)介紹。

2.2 振速預(yù)測(cè)方法

研究認(rèn)為影響質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的主要因素有起爆藥量和爆心距，以此確定基本表達(dá)式。

式中，K、n、m為待定系數(shù)；V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值；Q為起爆藥量；R為爆心距。據(jù)此許多學(xué)者總結(jié)出不同形式的具體表達(dá)式，然而由于測(cè)定的區(qū)域具有較大的差異性以及自身監(jiān)測(cè)技術(shù)帶有的局限性，不同的表達(dá)式只能應(yīng)用在特定的環(huán)境下[3]。

國(guó)內(nèi)工程常運(yùn)用薩道夫斯基公式(式2)進(jìn)行回歸分析，此公式是(式1)的一種具體表達(dá)形式。其預(yù)測(cè)方法通常是結(jié)合多次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，代入公式進(jìn)行回歸計(jì)算，得出K、α的值，從而得到具體的表達(dá)式。然后根據(jù)當(dāng)次爆破最大單段藥量、爆心距，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的振速值。在沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，只能根據(jù)參考范圍和工程經(jīng)驗(yàn)選取K、α的取值[4-5]，見表1。

式中，V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，cm/s；Q為與振速V值對(duì)應(yīng)的最大一段起爆藥量，kg；R為測(cè)點(diǎn)與爆心的直線距離，m；K、α分別為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

表1 爆區(qū)不同巖性的K、α值

然而，薩道夫斯基公式在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些局限性。張繼春[6]認(rèn)為采用薩道夫斯基公式計(jì)算出的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大于實(shí)測(cè)值，尤其在爆源近區(qū)，計(jì)算值要遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值。高善堂[7]認(rèn)為在爆源中心的近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)，振動(dòng)速度呈不同的衰減規(guī)律，計(jì)算爆破振速時(shí)應(yīng)分別采用近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的K、α值。

2.3 小間距爆破應(yīng)用薩道夫斯基公式的局限性分析

在毛蓬崗隧道燕尾段，右線隧道與左線隧道的最小間距僅為1.1 m，爆破施工時(shí)需要保證中間巖柱的穩(wěn)定性。對(duì)其進(jìn)行振速預(yù)測(cè)時(shí)，運(yùn)用傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式具有如下局限性:

(1)K、α的取值范圍廣，在合適區(qū)間內(nèi)選取某一數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果精確度仍較低。

(2)公式中將最大單段裝藥量集中成一個(gè)藥包或藥柱作為爆源。本次振速預(yù)測(cè)時(shí)，左線隧道巖柱上的測(cè)點(diǎn)距離右線隧道內(nèi)的左排掏槽眼僅為3.6 m，而左排掏槽眼距離右排掏槽眼為4.6 m。同時(shí)起爆后，左右排掏槽眼對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響可能具有微差間隔。

(3)爆源周邊臨空面復(fù)雜，爆破后應(yīng)力波在巖柱內(nèi)發(fā)生多次反射，對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)有較大的影響，近距離范圍內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)未形成明顯的傳播規(guī)律。

由于場(chǎng)地條件和測(cè)試手段的限制，難以在施工現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)觀測(cè)和研究復(fù)雜的爆破現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行小間距爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)該改進(jìn)并完善現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方法。另外，隨著信息化的迅速發(fā)展以及各種力學(xué)在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用，可以利用數(shù)值模擬分析現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程，有助于深入探討和了解爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律，從而進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化，很好地指導(dǎo)施工[8]。

3 薩道夫斯基修正公式假設(shè)形式

本次小間距爆破振速預(yù)測(cè)時(shí)，在采用原公式表達(dá)形式的前提下，對(duì)其進(jìn)行修正。假設(shè)在公式中定義一個(gè)系數(shù)?，根據(jù)不同進(jìn)尺，取0.1～1之間的某一數(shù)值，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一定程度地減小，因此薩道夫斯基修正公式的具體表達(dá)式為:

4 數(shù)值計(jì)算

為明確本工程中左線隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及薩式修正公式中?的具體數(shù)值，首先運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬計(jì)算，得出左線隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振速值。

4.1 構(gòu)建有限元模型

對(duì)中隔墻巖柱寬度為1.1 m的最不利情況進(jìn)行模擬，建模過(guò)程中做以下說(shuō)明[9-10]:

(1)由于振速峰值與最大單段裝藥量有關(guān)，因此只考慮掏槽眼裝藥的影響。另外測(cè)點(diǎn)距離爆源較近，需要嚴(yán)格按照炮孔位置進(jìn)行建模，模擬中采用等效面積的方形炮孔。

(2)建立模型時(shí)采用cm-g-us單位制，其他物理量單位均由cm-g-us轉(zhuǎn)換而來(lái)。壓力單位為×105MPa，位移單位為×10-2m，速度單位為×106cm/s。

模型建立后，總體尺寸為5 600 cm×2 500 cm×4 000 cm，共劃分40萬(wàn)個(gè)單元。有限元模型及炮孔布置情況如圖2所示。

圖2 有限元模型及炮孔布置示意

4.2 材料參數(shù)選取

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態(tài)方程來(lái)模擬巖石乳化炸藥爆炸過(guò)程，圍巖采用PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料。各材料模型主要參數(shù)[11-12]見表2～表3。

表2 炸藥參數(shù)

表3 圍巖參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

在左線隧道迎爆側(cè)與裝藥中心對(duì)應(yīng)的位置，由拱頂至拱底布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖3所示。提取所有測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的振動(dòng)速度峰值，見表4，其中測(cè)點(diǎn)3的振速時(shí)程曲線如圖4所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4 測(cè)點(diǎn)3各方向振速時(shí)程曲線

表4 各測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的振速峰值

由圖4可知，振速時(shí)程曲線出現(xiàn)多個(gè)波峰，證明左右排掏槽眼爆破對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響具有明顯間隔，也證明傳統(tǒng)薩式公式中集中炮孔的假設(shè)在小間距爆破中具有局限性。由表4可知，各測(cè)點(diǎn)X方向振速最大，振速最大區(qū)域位于測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4之間，峰值約為12.7 cm/s。

5 確定修正公式具體形式

本段為Ⅱ級(jí)圍巖鉆爆施工，巖性屬堅(jiān)硬巖石，結(jié)合表1，取K＝100、α＝1.4，最大單段藥量為12 kg，爆心距為6 m(巖柱寬度為1.1 m的最不利情況)，代入(式2)，可得V＝25.95 cm/s。結(jié)合(式2)進(jìn)一步確定?取值為0.48。本工程中，薩氏修正公式的具體形式為:

6 安全評(píng)價(jià)

左線隧道圍巖穩(wěn)定，在爆破振動(dòng)校核時(shí)，爆破安全允許質(zhì)點(diǎn)振速V可參照《爆破安全規(guī)程》中的交通隧道。中淺孔爆破的主振頻率一般大于50 Hz，因此安全允許振速為15～20 cm/s，此處取保守值15 cm/s。

數(shù)值模擬的振速預(yù)測(cè)值12.7 cm/s，小于安全允許值。因此在毛蓬崗隧道燕尾段，右線爆破施工對(duì)左線隧道和中隔墻巖柱的穩(wěn)定性影響較小。

7 結(jié)論及思考

本文概述了現(xiàn)階段爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)方法，并指出其在小間距隧道爆破振速預(yù)測(cè)中的局限性。然后通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)原薩氏公式進(jìn)行修正，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的安全預(yù)評(píng)估，得出以下結(jié)論:

(1)在進(jìn)行近距離爆破時(shí)，左右排掏槽眼對(duì)測(cè)點(diǎn)影響有明顯間隔，因此傳統(tǒng)薩道夫斯基公式中將所有炮孔簡(jiǎn)化為單一炮孔不適用于近距離爆破。

(2)通過(guò)在薩式公式中加入一個(gè)進(jìn)尺修正系數(shù)?，可在一定程度上解決小間距振速預(yù)測(cè)時(shí)計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值的問(wèn)題。針對(duì)本工程，通過(guò)數(shù)值模擬得出?的具體數(shù)值為0.48，施工過(guò)程中由修正公式計(jì)算出的振速值可作為一個(gè)參考。

(3)在右線隧道的小間距段進(jìn)行爆破施工時(shí)采用1 m進(jìn)尺，爆破振動(dòng)對(duì)左線隧道和中間巖柱的穩(wěn)定性影響在安全范圍內(nèi)。

由于傳統(tǒng)薩氏公式的某些假設(shè)在近距離爆破預(yù)測(cè)時(shí)并不適用，而修正公式是在其基礎(chǔ)上改進(jìn)，因此仍具有一定的局限性。薩氏修正公式在本工程特定的環(huán)境下可作為一個(gè)參考，用于振速預(yù)測(cè)或藥量反算，將最大段裝藥量控制在振速允許范圍之內(nèi)。小間距測(cè)振公式從變量的完整性、數(shù)據(jù)的可靠性、擬合公式的精確性上進(jìn)行研究將會(huì)更加準(zhǔn)確。