王肖輝 杜 鍍 韓 超
河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院(河南鄭州,450064)
工程爆破中,爆破振動對周圍環(huán)境產(chǎn)生的危害不容忽視。較高的爆破振動強度極有可能引起地表建(構(gòu))筑物的損傷、破壞。地下隧道爆破掘進時,對已開挖鄰近隧道也有一定的影響。為減小爆破振動的危害,工程現(xiàn)場大多對爆破振動引起的介質(zhì)質(zhì)點振速進行監(jiān)測,分析其對爆源周邊環(huán)境的影響[1-3]。
目前,很多學(xué)者都采用薩道夫斯基(薩氏)公式對監(jiān)測獲得的爆源周邊介質(zhì)振速進行擬合,以分析爆破振動波的傳播衰減規(guī)律,并反饋指導(dǎo)施工。張繼春等[4-5]基于薩氏公式對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)擬合,發(fā)現(xiàn)未開挖區(qū)地表測得的振動強度要高于已開挖區(qū)。樊浩博等[6]使用數(shù)值模擬軟件,結(jié)合工程實測數(shù)據(jù),分析了隧道爆破施工引起的地表振速峰值。李勝林等[7]分析淺埋地鐵隧道施工引起的地表振動,發(fā)現(xiàn)掏槽孔爆破時振速最大。基于最小二乘法,馮志樓等[8]分析并預(yù)測了露天礦深孔爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng),預(yù)測值與監(jiān)測值具有較好的一致性。汪平等[9]采用HHT方法研究了爆破振動對鄰近既有隧道的道的影響,結(jié)論和文獻[7]一致。李新平等[10]研究了地下洞室邊墻爆破振動傳播衰減規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在爆源近區(qū)和邊墻中心區(qū)域,地下洞室爆破引起的邊墻質(zhì)點振速峰值傳播衰減具有更大的放大效應(yīng)。劉趕平[11]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析軟件ANSYS/LS-DYNA,分析了主洞爆破開挖對鄰近斜井支洞圍巖中的爆破振速的影響,基于最小二乘法,建立了主洞及斜井兩側(cè)圍巖中最大質(zhì)點振速處的爆破振速預(yù)測模型。費鴻祿等[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究了隧道爆破施工中巖體和地表的振動傳播規(guī)律,數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)較吻合。
通過現(xiàn)場隧道爆破振動監(jiān)測,使用最小二乘法獲得臺階法爆破施工引起的地表振速的薩氏公式,并結(jié)合數(shù)值分析軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了隧道爆破施工引起的鄰近隧道的振動效應(yīng),為類似地質(zhì)條件下的隧道爆破施工提供指導(dǎo)。
隧道位于北京城區(qū)西部平原?,F(xiàn)場爆破掘進時,炮孔?42 mm,藥卷?32 mm,裝藥長度1.2~2.0 m,采用2#巖石乳化炸藥,隧道斷面采用上、下臺階法爆破開挖,具體爆破參數(shù)見表1和表2。
沿線周圍有已開挖隧道,兩隧道平行,中心線的最小距離約為12 m?;谧钚《朔ê蛿?shù)值分析研究爆破振動對地表及鄰近既有隧道的影響。
爆破測振儀型號為TC-4850。為獲取隧道爆破引起的地面質(zhì)點振速,測點布置方式(俯視圖)如圖1所示。橫向測點和縱向測點分別沿平行掌子面和垂直掌子面方向布置,測點1#位于掌子面正上方,其余測點依次向后布置,各測點實際間距根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境確定。
表1 上臺階法爆破參數(shù)Tab.1 Blasting parameters of upper bench method
表2 下臺階法爆破參數(shù)Tab.2 Blasting parameters of lower bench method
由于爆炸應(yīng)力波傳播的復(fù)雜性及巖體介質(zhì)的非均勻性,理論推導(dǎo)地表介質(zhì)的振速幾乎不可能。目前,國內(nèi)外普遍認(rèn)可并使用的經(jīng)驗公式,即薩氏公式
式中:v是質(zhì)點振速峰值,cm/s;Q是單段最大藥量,kg;R是測點到爆源的距離,m;K、α是與爆破參數(shù)及地形、地貌相關(guān)的參數(shù)。
對式(1)兩側(cè)同時取以e為底的對數(shù),得到
令式(2)中Y=lnv、X=(lnQ-3lnR)/3、a=lnK,b=α,可得到
將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)帶入式(3),即可得到a值與b值,進而換算成薩氏公式中相應(yīng)的K與α。
上臺階法爆破振速峰值的薩氏公式為
下臺階法爆破振速峰值的薩氏公式為
由于測振儀水平放置于地表,爆炸振動波引起垂直地表的振速最大?;貧w分析時,取此方向振速峰值進行統(tǒng)計,分別對上臺階法及下臺階法爆破時多日、多次監(jiān)測獲得的地表振速匯總處理。使用作圖軟件Origin對數(shù)據(jù)進行擬合,得到上、下臺階法爆破時的回歸曲線,如圖2所示。
從圖2可以看出,上、下臺階法爆破時的回歸曲線的線性關(guān)系很好。但對比發(fā)現(xiàn),上、下臺階法爆破時回歸得到的薩氏公式中K值存在一定差異,而α值基本不變。上臺階法爆破時只有一個自由面,此時爆破受到的巖石夾制作用較大,更多的爆破能向巖石內(nèi)部傳遞,加大了爆破振動強度,相應(yīng)的K值增大;而下臺階法爆破時自由面為兩個,炮孔所受限制變?nèi)?,爆破引起的振動強度隨之減弱,K值變小。而在具體的工程中,周邊地質(zhì)狀況相對穩(wěn)定,與地形、地貌相關(guān)的衰減系數(shù)α值基本不變。
基于回歸得到的爆破現(xiàn)場的薩氏公式,按規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)允許的最大振速vm,可以反算出允許最大單段藥量Qmax=R3(vm/K)3/α,為類似地質(zhì)條件下爆破施工提供指導(dǎo)。
為便于直觀分析地表測點振速與藥量和距離的關(guān)系,將薩氏公式中的定義為比例距離R′,振速峰值與比例距離的關(guān)系如圖3所示。
通過引入比例距離R′,圖3可以直觀看出,爆破時地表質(zhì)點振速峰值隨比例距離的增加呈指數(shù)衰減。比例距離在一定范圍內(nèi)時,振速峰值的衰減幅較快,之后幅度減緩,這種指數(shù)衰減規(guī)律在爆破振動控制中可以考慮作為重要的參考依據(jù)。
新建隧道爆破掘進施工對鄰近既有隧道有一定影響。為防止造成損傷、破壞,通過數(shù)值模擬能夠很好地預(yù)測爆破方案對鄰近隧道的振動效應(yīng),并有助于優(yōu)化爆破參數(shù)、改進爆破方案。
實際爆破施工中,掏槽孔引起的爆破振動能量最大[7,9]。因此,為簡化模型,只設(shè)置一個炮孔,即第一段位的掏槽孔爆破,并監(jiān)測鄰近隧道周邊質(zhì)點的振速。
模型長25 m、寬6 m、高16 m。炮孔尺寸及裝藥和工程概況一致。臨近隧道直徑7 m,距離掏槽孔12 m。為了消除邊界應(yīng)力波反射的影響,模型外邊界設(shè)置了無反射邊界條件。采用實體單元對巖石與炸藥進行歐拉網(wǎng)格劃分。圖4為模型網(wǎng)格劃分。
基于實際工程地質(zhì)情況,巖石本構(gòu)關(guān)系采用隨動硬化模型,使用關(guān)鍵字?Mat_Plastic_Kinematic定義,具體參數(shù)見表3。
表3 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of rock
炸藥使用軟件自帶本構(gòu)模型,關(guān)鍵字為?Mat_High_Explosive_Burn,使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸時氣體膨脹做功過程。具體參數(shù)值見表4。
表4 炸藥相關(guān)參數(shù)Tab.4 Relevant parameters of explosives
為分析爆破振動對鄰近隧道不同位置的影響,分別提取已開挖隧道8個測點的振速,如圖5所示。其 中,S2、S3、S4為迎爆側(cè)的拱肩、拱幫和拱腰;S6、S7、S8為背爆側(cè)的拱腰、拱幫和拱肩;S1和S5分別為拱頂和拱底。采用后處理軟件LS-PrePost,提取圖5中8個測點的各方向質(zhì)點振速峰值,見圖6。
3.2.1 迎爆側(cè)與被爆側(cè)質(zhì)點振速對比分析
圖6可以看出,迎爆側(cè)各測點振速峰值相對較大,測點S2、S3、S4均大于3.00 cm/s;幫部位置作為應(yīng)力集中點,受到爆炸應(yīng)力波的作用,振速峰值甚至達(dá)到了6.44 cm/s。而背爆側(cè)質(zhì)點振速峰值遠(yuǎn)小于迎爆側(cè),各測點振速峰值基本在2.00 cm/s。分析原因:已開挖隧道形成臨空面,阻礙了爆炸應(yīng)力波向背爆側(cè)傳播,爆炸應(yīng)力波只能通過已開挖隧道上、下側(cè)面繞射作用于背爆側(cè),背爆側(cè)質(zhì)點振速急劇降低。因此實際施工中,迎爆側(cè)尤其是幫部位置應(yīng)作為重點支護對象。
3.2.2 質(zhì)點各方向振速對比分析
圖6可以看出,對于迎爆側(cè),3個測點各方向質(zhì)點振速峰值具有較好的一致性;X方向質(zhì)點振速峰值最大,其次是Z方向、Y方向,測點S3的這種趨勢尤為明顯。由于兩隧道掌子面平行,爆炸應(yīng)力波沿徑向(X方向)垂直入射作用于迎爆側(cè)各測點,導(dǎo)致X方向振速峰值較高,而測點S3距離爆源更近,本身又位于應(yīng)力集中點,其峰值上升更明顯。測點S1處于迎爆側(cè)與背爆側(cè)的臨界點,3個方向的振速峰值均較大,差值并不明顯。因此對于迎爆側(cè),在實際工程中,可以把X方向的監(jiān)測值作為振速峰值。而對于背爆側(cè),各測點振速峰值出現(xiàn)的方向并不固定;對于X方向,振速峰值最大的測點為S7;Y方向振速峰值最大的測點為S6;Z方向振速峰值最大的測點為S8;但可以看出,背爆側(cè)各方向質(zhì)點振速峰值差異并不大。
通過對臺階法隧道掘進爆破時地表監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及鄰近隧道振動響應(yīng)數(shù)值模擬,得出結(jié)論如下:
1)利用最小二乘法對地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了擬合,獲得了臺階法爆破時地表振速的薩氏公式,結(jié)合規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)允許振速,可以反推單段最大允許藥量,為類似地質(zhì)下爆破施工方案的制定及振動控制提供了依據(jù)。
2)上臺階法爆破時,巖石夾制作用大,因而振動強度較大,K值較大;下臺階法爆破時,炮孔所受限制變?nèi)?,爆破引起的振動強度隨之減弱,K值變小。與地形、地貌相關(guān)的衰減系數(shù)α基本不變。
3)鄰近既有隧道對爆炸振動波的阻隔導(dǎo)致背爆側(cè)的振速峰值大幅度減小,迎爆側(cè)幫部位置振速最大。迎爆側(cè)各測點X方向振速峰值最大,其次是Z方向、Y方向;背爆側(cè)各測點振速峰值最大時的方向不定,拱頂和拱底3個方向振速峰值差異較小。
4)在對既有隧道進行爆破振動監(jiān)測時,測點埋設(shè)最合理的位置是迎爆側(cè)拱幫位置,出于對既有隧道的保護,重點控制X方向的振速。