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        隧道爆破開(kāi)挖產(chǎn)生地表震動(dòng)效應(yīng)研究

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

        楊開(kāi)江

        (中鐵十五局集團(tuán)遼吉黑蒙指揮部,吉林 長(zhǎng)春 130123)

        0 引言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,交通運(yùn)輸量日益增多。作為交通運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)分支,隧道交通運(yùn)輸具有占地少、速度快、克服高程障礙等優(yōu)點(diǎn),而在一定深度范圍內(nèi)隧道開(kāi)挖施工會(huì)對(duì)地面的已有建(構(gòu)) 筑物產(chǎn)生一定影響。現(xiàn)如今,采用爆破開(kāi)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(duì)地表的房屋建筑造成震動(dòng)甚至產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的破壞。截至2018 年底,中國(guó)共建設(shè)有交通隧道36 103 km。其中,鐵路隧道15 177 座,長(zhǎng)度16 331 km;公路隧道16 500 座,長(zhǎng)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(zhǎng)的不斷增加,其爆破開(kāi)挖對(duì)地面建筑物造成的負(fù)面影響問(wèn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)[2]、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[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(zhǎng)沙市地鐵二號(hào)線的一段隧道,結(jié)合爆破監(jiān)測(cè)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?jiān)吹萚6]通過(guò)從不同角度對(duì)大量的深孔爆破地震動(dòng)測(cè)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(shí)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(kāi)挖爆破的震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為依托,運(yùn)用數(shù)值三維模型實(shí)體建模研究,隧道下穿村莊時(shí)當(dāng)?shù)孛裼媒ㄖA(chǔ)、圈梁、樓板、柱等不同的速度響應(yīng)時(shí)程,分析得出響應(yīng)規(guī)律。還有一些學(xué)者就隧道爆破開(kāi)挖對(duì)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(ài)民山隧道,利用ANSYS 有限元分析軟件,分析其爆破開(kāi)挖在地表產(chǎn)生的震速波形圖,總結(jié)地表的震動(dòng)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(dòng)速度作為衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo),震動(dòng)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(ài)民山隧道位于丹東市郊附近,屬于丹東市四號(hào)干線(花園路至寶山大街段) ,呈北東走向展布,設(shè)計(jì)為兩條小凈距單行線曲線隧道,屬短隧道; 隧道左線全長(zhǎng)500 m,右線全長(zhǎng)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(jí)圍巖,洞身段為Ⅳ3,Ⅳ2級(jí)圍巖。愛(ài)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(duì)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(jiàn)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(shí)體三維模型并進(jìn)行運(yùn)算,模型圖如圖1 所示。由于隧道的爆破開(kāi)挖會(huì)對(duì)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(zhǎng)度方向?yàn)?50 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(kāi)挖的50 m,中部5 個(gè)1.5 m正在開(kāi)挖的小段以及后部未開(kāi)挖的50 m。數(shù)值模擬采用位移邊界條件,將模型的4 個(gè)側(cè)面和底部均設(shè)為無(wú)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(kāi)挖區(qū)周邊設(shè)為自由邊界。靜力分析時(shí)其計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求,動(dòng)力計(jì)算時(shí)的計(jì)算時(shí)間主要依據(jù)動(dòng)力荷載時(shí)間來(lái)確定。

        圖1 隧道模型圖

        3 爆破荷載及時(shí)間的確定

        采用ANSYS 分析爆破震動(dòng)的一項(xiàng)重要工作就是建立一個(gè)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(shí)刻以及持續(xù)時(shí)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(guò)一個(gè)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(shí)間為12 ms,卸載時(shí)間為78 ms,取計(jì)算時(shí)間為1 s,如圖2 所示。

        圖2 爆破荷載時(shí)刻圖

        4 計(jì)算結(jié)果與分析

        在介質(zhì)中傳播的擾動(dòng)稱為波,炸藥在巖體等介質(zhì)中爆炸所激起的應(yīng)力擾動(dòng)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(diǎn)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(hào)節(jié)點(diǎn),已開(kāi)挖段距爆源15 m 處地表的27380 號(hào)節(jié)點(diǎn)以及未開(kāi)挖段距爆源15 m 處地表的76614 號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,見(jiàn)圖3。

        圖3 取點(diǎn)位置平面示意圖

        輸出各節(jié)點(diǎn)在此1 s 的爆破過(guò)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(shí)程波形圖可以看出,對(duì)于爆源正上方及其后15 m 和前15 m 處地表節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),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(dòng)。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(dòng)速度較大時(shí)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(dòng),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(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式

        根據(jù)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》) ,測(cè)點(diǎn)震速與測(cè)點(diǎn)距爆破區(qū)域距離和炸藥使用量有關(guān),同時(shí)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(jì)算,式(1) 亦可稱為薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式:

        其中,V為爆破地震波質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)速度,cm/s;K,α分別為與爆破點(diǎn)至測(cè)點(diǎn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定;在無(wú)實(shí)驗(yàn)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(shí)爆破為最大單段藥量,kg;R為爆破中心到測(cè)點(diǎn)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(diǎn)震速分析

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

        圖10 取點(diǎn)位置平面示意圖

        取各節(jié)點(diǎn)在爆破過(guò)程中的三個(gè)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(diǎn)震速峰值

        從圖11 中可見(jiàn),在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)方向取的節(jié)點(diǎn)中,處于已開(kāi)挖段(1 號(hào)~8 號(hào)) 和未開(kāi)挖段(10 號(hào)~17 號(hào))的節(jié)點(diǎn)震速峰值衰減呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律。對(duì)于未開(kāi)挖段,節(jié)點(diǎn)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(yàn)公式; 對(duì)于已開(kāi)挖段,節(jié)點(diǎn)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(yàn)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(kāi)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(kāi)挖施工中,地表質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度存在空洞放大效應(yīng)。隧道掘進(jìn)爆破震動(dòng)空洞效應(yīng)是指已開(kāi)挖區(qū)形成的空洞導(dǎo)致其上部地表震動(dòng)速度大于未開(kāi)挖部分的地表震動(dòng)速度的現(xiàn)象。空洞效應(yīng)導(dǎo)致地表震動(dòng)速度存在區(qū)域性變化的特點(diǎn),使得處于隧道已開(kāi)挖區(qū)的地表震動(dòng)速度大于未開(kāi)挖區(qū)地表的震動(dòng)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(duì)丹東市愛(ài)民山隧道進(jìn)行爆破掘進(jìn)開(kāi)挖的數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)一些地表特殊節(jié)點(diǎn)的震速波形分析,得出以下結(jié)論:1) 根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行國(guó)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(dòng)速度應(yīng)小于50 mm/s。在隧道掘進(jìn)方向選取的地表16 個(gè)節(jié)點(diǎn)中,最大的震速峰值為32. 3 mm/s,這個(gè)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(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)不同方向的震速峰值的時(shí)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(huì)有小幅波動(dòng)。3) 由于空洞效應(yīng)的存在,導(dǎo)致處于隧道已開(kāi)挖區(qū)的地表震動(dòng)速度大于未開(kāi)挖區(qū)的地表震動(dòng)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(kāi)挖的過(guò)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(kāi)挖隧道的支護(hù)和襯砌工作。

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