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        隧道爆破開挖產(chǎn)生地表震動效應(yīng)研究

        2022-06-24 09:14:28楊開江
        山西建筑 2022年13期
        關(guān)鍵詞:爆源震動峰值

        楊開江

        (中鐵十五局集團遼吉黑蒙指揮部,吉林 長春 130123)

        0 引言

        隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展,交通運輸量日益增多。作為交通運輸?shù)囊粋€分支,隧道交通運輸具有占地少、速度快、克服高程障礙等優(yōu)點,而在一定深度范圍內(nèi)隧道開挖施工會對地面的已有建(構(gòu)) 筑物產(chǎn)生一定影響?,F(xiàn)如今,采用爆破開挖的礦山法仍然是隧道修建的主要方法,此種方法輕則噪聲擾民,重則對地表的房屋建筑造成震動甚至產(chǎn)生實質(zhì)性的破壞。截至2018 年底,中國共建設(shè)有交通隧道36 103 km。其中,鐵路隧道15 177 座,長度16 331 km;公路隧道16 500 座,長度15 940 km; 城市軌道交通隧道5 766 km,其中地鐵約4 511 km[1]。隨著隧道建設(shè)總長的不斷增加,其爆破開挖對地面建筑物造成的負(fù)面影響問題已經(jīng)得到了工程界和學(xué)術(shù)界的重視,科研人員通過現(xiàn)場爆破試驗[2]、實時監(jiān)測[3]、數(shù)值模擬[4]等方法和技術(shù)手段進(jìn)行了廣泛研究,取得了一些研究成果。

        楊云凌[5]依托長沙市地鐵二號線的一段隧道,結(jié)合爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元分析模擬,闡述了隧道埋深與振速放大系數(shù)之間的關(guān)系; 龍源等[6]通過從不同角度對大量的深孔爆破地震動測試數(shù)據(jù)的分析,得到了巖石中爆破地震波傳播的頻率、幅值和持續(xù)時間等主要參數(shù)的變化規(guī)律以及它們的影響因素; 王蕊等[7]以某公路隧道工程掘進(jìn)開挖爆破的震動安全監(jiān)測項目為依托,運用數(shù)值三維模型實體建模研究,隧道下穿村莊時當(dāng)?shù)孛裼媒ㄖA(chǔ)、圈梁、樓板、柱等不同的速度響應(yīng)時程,分析得出響應(yīng)規(guī)律。還有一些學(xué)者就隧道爆破開挖對其鄰近隧道的影響做了分析研究[8-9]。

        本文在前人研究的基礎(chǔ)上,依托愛民山隧道,利用ANSYS 有限元分析軟件,分析其爆破開挖在地表產(chǎn)生的震速波形圖,總結(jié)地表的震動規(guī)律,判斷地面建筑物的安全性。目前,通常以建筑物的震動速度作為衡量爆破震動強度的指標(biāo),震動速度的安全合理范圍和標(biāo)準(zhǔn)遵照GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程。

        1 工程概況

        愛民山隧道位于丹東市郊附近,屬于丹東市四號干線(花園路至寶山大街段) ,呈北東走向展布,設(shè)計為兩條小凈距單行線曲線隧道,屬短隧道; 隧道左線全長500 m,右線全長42 m,采用暗挖鉆爆法施工。隧道區(qū)地表覆蓋層較厚,大部分都被殘積土、全風(fēng)化變粒巖等所覆蓋,露頭較少,變粒巖節(jié)理裂隙以風(fēng)化、構(gòu)造裂隙為主。隧道入口段及出口段為Ⅴ2,Ⅴ1級圍巖,洞身段為Ⅳ3,Ⅳ2級圍巖。愛民山頂距隧道約50 m,且有民用建筑;隧道寶山大街端左線線位左側(cè)約60 m 處為元寶區(qū)抗美援朝烈士陵園,這就要求隧道的爆破施工不能對山頂?shù)拿裼媒ㄖ土沂苛陥@產(chǎn)生影響。

        隧道巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 隧道巖土體物理力學(xué)參數(shù)

        2 模型建立

        本文利用ANSYS 軟件的LS-DYNA 模塊建立實體三維模型并進(jìn)行運算,模型圖如圖1 所示。由于隧道的爆破開挖會對周圍巖體及地表產(chǎn)生一定的影響,為減小邊界效應(yīng)的影響,選取長度方向為150 m,高度為100 m,隧道頂部距地表45 m,隧道距左側(cè)的隧洞為40 m,縱向深取107.5 m,其中包括前部已開挖的50 m,中部5 個1.5 m正在開挖的小段以及后部未開挖的50 m。數(shù)值模擬采用位移邊界條件,將模型的4 個側(cè)面和底部均設(shè)為無反射的固定邊界,固定邊界位移滿足ux=uy=uz=0; 地表及隧道已開挖區(qū)周邊設(shè)為自由邊界。靜力分析時其計算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求,動力計算時的計算時間主要依據(jù)動力荷載時間來確定。

        圖1 隧道模型圖

        3 爆破荷載及時間的確定

        采用ANSYS 分析爆破震動的一項重要工作就是建立一個合理的爆破加載模型,這就需要確定爆破激振力的大小、方向、作用位置、峰值時刻以及持續(xù)時間等內(nèi)容。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知,巖體內(nèi)的爆破波多以三角形荷載為主,即壓力經(jīng)過一個上升段后到達(dá)峰值后急劇衰減。根據(jù)工程資料,爆破壓峰值取15 MPa,荷載以壓力形式均布荷載作用在隧道壁和掌子面上,加載時間為12 ms,卸載時間為78 ms,取計算時間為1 s,如圖2 所示。

        圖2 爆破荷載時刻圖

        4 計算結(jié)果與分析

        在介質(zhì)中傳播的擾動稱為波,炸藥在巖體等介質(zhì)中爆炸所激起的應(yīng)力擾動的傳播稱為爆炸應(yīng)力波。大多數(shù)巖石中激起的爆炸應(yīng)力波在距離爆炸點不同距離處表現(xiàn)為沖擊波、爆炸應(yīng)力波和地震波。

        4.1 地表震速波形分析

        本部分取爆源正上方地表的44569 號節(jié)點,已開挖段距爆源15 m 處地表的27380 號節(jié)點以及未開挖段距爆源15 m 處地表的76614 號節(jié)點進(jìn)行分析,見圖3。

        圖3 取點位置平面示意圖

        輸出各節(jié)點在此1 s 的爆破過程的震速波形圖如圖4 ~圖9 所示。

        圖4 爆源后方15 m 處地表X 方向v-t 圖

        圖5 爆源后方15 m 處地表Y 方向v-t 圖

        圖6 爆源上方地表X 方向v-t 圖

        圖7 爆源上方地表Y 方向v-t 圖

        圖8 爆源前方15 m 處地表X 方向v-t 圖

        圖9 爆源前方15 m 處地表Y 方向v-t 圖

        爆破地震波有縱波(P 波) 和橫波(S 波) 之分,縱波傳播速度快,振幅小。從以上震速時程波形圖可以看出,對于爆源正上方及其后15 m 和前15 m 處地表節(jié)點來說,X方向震速較大的部分主要集中在0.2 s ~0.4 s 之間,最大震速為爆源后方15 m 處地表0.48 cm/s,0.4 s后速度峰值逐漸衰減,但相鄰的波峰和波谷之間有小幅的波動。由于縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度快于橫波的傳播速度,所以我們可以看出,X方向的震速峰值出現(xiàn)有滯后性,滯后約100 ms。Y方向的震動速度較大時刻出現(xiàn)在0 s ~0.2 s,0.2 s 后震速逐步衰減,且衰減的波形較X方向更為“規(guī)則”,即幾乎未出現(xiàn)波峰和波谷之間的小幅波動,最大震速為爆源后方15 m 處地表1.3 cm/s。

        4.2 地表震速衰減規(guī)律

        4.2.1爆破震動速度經(jīng)驗公式

        根據(jù)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程(以下簡稱《規(guī)程》) ,測點震速與測點距爆破區(qū)域距離和炸藥使用量有關(guān),同時與爆破區(qū)域地形地質(zhì)、爆破方法等因素亦有明顯關(guān)系,可按式(1) 計算,式(1) 亦可稱為薩道夫斯基經(jīng)驗公式:

        其中,V為爆破地震波質(zhì)點的震動速度,cm/s;K,α分別為與爆破點至測點之間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定;在無實驗數(shù)據(jù)的情況下,可參考表2 選取;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時爆破為最大單段藥量,kg;R為爆破中心到測點之間的距離。

        表2 爆區(qū)不同巖性的K,α 值

        4.2.2地表節(jié)點震速分析

        我們以爆源(掌子面) 為中心,在地表沿隧道開挖掘進(jìn)的方向取17 個節(jié)點,如圖10 所示。相鄰節(jié)點之間的距離為15 m,其中,爆源正上方的為9 號節(jié)點,1 號~8 號節(jié)點位于隧道已開挖段正上方的地表,10 號~17 號節(jié)點位于隧道未開挖段正上方的地表。

        圖10 取點位置平面示意圖

        取各節(jié)點在爆破過程中的三個方向最大的震速峰值繪制曲線,如圖11 所示。

        圖11 地表節(jié)點震速峰值

        從圖11 中可見,在隧道開挖掘進(jìn)方向取的節(jié)點中,處于已開挖段(1 號~8 號) 和未開挖段(10 號~17 號)的節(jié)點震速峰值衰減呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律。對于未開挖段,節(jié)點震速峰值隨著與爆源距離的增大而逐漸減小,且衰減的速率較為緩慢,符合《規(guī)程》給出的經(jīng)驗公式; 對于已開挖段,節(jié)點震速峰值隨著與爆源距離的增大而先增大后減小,且在距離爆源25 m ~30 m 處震速峰值衰減較快,因此,不符合《規(guī)程》給出的經(jīng)驗公式。從圖11 中看到,震速峰值的最大值并非出現(xiàn)在爆源正上方的地表位置,而是在已開挖區(qū)距離爆源10 m 左右的位置,最大值為3.23 cm。隧道在爆破開挖施工中,地表質(zhì)點震動速度存在空洞放大效應(yīng)。隧道掘進(jìn)爆破震動空洞效應(yīng)是指已開挖區(qū)形成的空洞導(dǎo)致其上部地表震動速度大于未開挖部分的地表震動速度的現(xiàn)象??斩葱?yīng)導(dǎo)致地表震動速度存在區(qū)域性變化的特點,使得處于隧道已開挖區(qū)的地表震動速度大于未開挖區(qū)地表的震動速度,且二者的爆破地震波衰減規(guī)律亦不一致。

        5 結(jié)論

        本文利用ANSYS 有限元分析軟件對丹東市愛民山隧道進(jìn)行爆破掘進(jìn)開挖的數(shù)值模擬,通過對一些地表特殊節(jié)點的震速波形分析,得出以下結(jié)論:1) 根據(jù)我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程規(guī)定: 建(構(gòu)) 筑物的爆破地震震動速度應(yīng)小于50 mm/s。在隧道掘進(jìn)方向選取的地表16 個節(jié)點中,最大的震速峰值為32. 3 mm/s,這個數(shù)值小于規(guī)定的50 mm/s,所以山頂?shù)拿裼媒ㄖ前踩摹?) 在隧道爆破掘進(jìn)過程中,由于縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度快于橫波,所以地表同一個節(jié)點不同方向的震速峰值的時刻不同,橫波有明顯的滯后性。爆破地震波的震速在到達(dá)峰后逐漸衰減,但橫波會有小幅波動。3) 由于空洞效應(yīng)的存在,導(dǎo)致處于隧道已開挖區(qū)的地表震動速度大于未開挖區(qū)的地表震動速度,在距離爆源15 m ~30 m 處空洞放大效應(yīng)最為明顯。因此,在隧道爆破開挖的過程中,應(yīng)該控制炸藥用量,采用合理的爆破施工方案,做好已開挖隧道的支護(hù)和襯砌工作。

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