楊 東,符 龍,方 超

(云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650000)

0 引 言

傳統(tǒng)礦山法施工因其技術(shù)成熟,在水工隧洞工程的施工中得到廣泛采用。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)和計(jì)劃發(fā)揮的作用,水工隧洞通常采用雙洞設(shè)計(jì),在確定好施工位置后,一般采用一前一后的施工方式;后續(xù)施工的隧洞,采用礦山法進(jìn)行鉆爆施工過(guò)程中,由于爆破振動(dòng),在不同程度上對(duì)已施工隧洞產(chǎn)生影響。因此,對(duì)施工參數(shù)效果評(píng)估和影響研究具有重要意義。

為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。林大超等[1-2]基于對(duì)爆炸波在空氣中傳播的方式以及對(duì)空氣產(chǎn)生的壓縮波,改進(jìn)了爆炸時(shí)爆炸波在傳播的超壓函數(shù),提出了新的超壓函數(shù)修正計(jì)算公式。楊軍等[3-4]采用高速攝影手段,對(duì)爆破過(guò)程中巖土中的裂紋分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,采用柱狀裝藥爆破,在爆破時(shí),巖體中的裂紋將隨時(shí)間而不斷延展,呈現(xiàn)出規(guī)律性變化特征。盧文波等[5-6]對(duì)爆破后布置炮孔位置處徑向裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)進(jìn)行了定量評(píng)估和計(jì)算,對(duì)爆破裂紋的擴(kuò)展階段進(jìn)行了劃分,結(jié)果表明,爆破后徑向裂紋擴(kuò)展主要分為兩個(gè)階段,即穩(wěn)定階段和間斷擴(kuò)展階段。

上述文獻(xiàn)主要針對(duì)在爆破時(shí),孔徑大小和孔內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象和裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行了研究,并得出相應(yīng)規(guī)律,而較少采用數(shù)值模擬軟件,研究雙洞隧道施工中爆破對(duì)另一隧洞的影響。因此,本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件,構(gòu)建模型,通過(guò)設(shè)計(jì)不同的裝藥量,研究爆破振動(dòng)對(duì)已建水工隧洞的安全性影響。

1 幾何模型

本文以雙洞設(shè)計(jì)形式的水工隧洞礦山法施工為研究背景,隧洞的幾何外部邊界尺寸為43.1m×6m×20.5m,隧道拱頂距離上邊界為5m,隧道拱底距離下邊界為5m,左側(cè)待建水工隧道的左邊界距離模型左邊界為5m,右側(cè)已建水工隧道的右邊界距離模型的右邊界為5m。雙洞均設(shè)計(jì)為拱門(mén)形狀,左右兩側(cè)隧道尺寸一致,洞寬8m,高9.9m,襯砌厚度0.3m,左右兩側(cè)隧道間隔15.9m進(jìn)行施工,左側(cè)待建隧道掘進(jìn)1m。整體隧洞幾何尺寸見(jiàn)圖1;巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 幾何模型尺寸

2 數(shù)值模型建立

采用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYSLS-DYNA求解器,進(jìn)行求解分析。首先,在具有良好銜接功能的proe軟件中,根據(jù)圖1幾何模型,建立用于計(jì)算雙洞設(shè)計(jì)的水工隧洞幾何模型。然后,將建好的幾何模型通過(guò)導(dǎo)入的方法在hypermesh14.0中打開(kāi),在hypermesh14.0軟件中對(duì)已經(jīng)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型見(jiàn)圖2。最后,將模型導(dǎo)出成K形式的文件格式,以便與ANSYSLS-DYNA求解器軟件能夠良好兼容,再采用該軟件對(duì)模型進(jìn)行求解,利用軟件中內(nèi)嵌的LSPREPOST模塊進(jìn)行結(jié)果輸出和處理[7]。

圖2 分析模型圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 0.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,分別對(duì)不同峰值時(shí)刻的應(yīng)力云圖進(jìn)行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后0.5ms時(shí)刻的應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖3。

圖3 0.5ms應(yīng)力云圖

由圖3可知,在單孔裝藥爆破后,圓柱形炸藥以近似圓柱狀向四周擴(kuò)散,由圖3中紅色區(qū)域可知,此時(shí)的大應(yīng)力影響范圍較小,僅限于圓柱形炸藥孔周圍區(qū)域,這種顯著的瞬時(shí)應(yīng)力集中效應(yīng),會(huì)造成振動(dòng)波沿圍巖體的快速傳播和波速的急劇上升,后續(xù)振動(dòng)波速隨著時(shí)間的變化曲線可以得到印證。由應(yīng)力云圖的整體輪廓大小可知,此時(shí)的爆炸整體影響范圍也局限于爆炸孔周圍部分,爆炸產(chǎn)生的能量在爆破孔周圍區(qū)域迅速產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),在0～0.5ms時(shí)間段內(nèi)圍巖的應(yīng)力來(lái)不及消散,處于能量積聚、應(yīng)力累積階段。

3.2 8.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,分別對(duì)不同峰值時(shí)刻的應(yīng)力云圖進(jìn)行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后8.5ms時(shí)刻的應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖4。

圖4 8.5ms應(yīng)力云圖

由圖4可知,在單孔裝藥爆破后,圓柱形炸藥在0～0.5ms時(shí)間段內(nèi)以近似圓柱狀向四周擴(kuò)散,在0.5～8.5ms時(shí)間段內(nèi)以近似圓形向四周擴(kuò)散。由圖4中紅色區(qū)域可知,此時(shí)的大應(yīng)力影響范圍較0.5ms時(shí)刻增大,這一階段屬于應(yīng)力急劇消散階段,此刻傳播出的振動(dòng)波沿圍巖體向周圍的傳播速度有所下降,最大波速急劇減小,同樣可以從后續(xù)振動(dòng)波速隨著時(shí)間的變化曲線得到印證。由應(yīng)力云圖的整體輪廓大小可知,此時(shí)的爆炸整體影響范圍顯著增大,爆炸產(chǎn)生的能量在爆破孔周圍區(qū)域迅速消散,處于能量消散、應(yīng)力衰減階段。

3.3 59.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,分別對(duì)不同峰值時(shí)刻的應(yīng)力云圖進(jìn)行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后59.5ms時(shí)刻的應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖5。

圖5 59.5ms應(yīng)力云圖

由圖5可知,在8.5～59.5ms時(shí)間段內(nèi)應(yīng)力消散范圍不再顯著增大,基本以8.5ms時(shí)的外部輪廓為準(zhǔn)。由圖5中紅色區(qū)域可知,此時(shí)的大應(yīng)力影響范圍與8.5ms時(shí)刻相當(dāng),在經(jīng)過(guò)0.5～8.5ms的應(yīng)力急劇消散階段后,這一階段應(yīng)力消散已十分有限,屬于應(yīng)力殘余消散階段,此刻傳播出的振動(dòng)波沿圍巖體向周圍的傳播速度顯著減小,最大波速將遠(yuǎn)小于8.5ms時(shí)刻,同樣可以從后續(xù)振動(dòng)波速隨著時(shí)間的變化曲線得到印證。

3.4 振動(dòng)速度時(shí)程變化

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,繪制爆破后圖2中A、B、C、D、E監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度隨著時(shí)間的變化曲線圖,見(jiàn)圖6。

圖6 振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖

圖6為5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度隨著時(shí)間的變化曲線圖。由圖6可知,距離爆孔不同距離的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度均表現(xiàn)為隨著時(shí)間呈指數(shù)形式弱化的趨勢(shì),波長(zhǎng)和振幅隨時(shí)間均顯著減小。在0.5ms時(shí)刻, 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度均為最大;在8.5ms時(shí),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度峰值明顯減小,顯著小于0.5ms的初值最大振動(dòng)速度;當(dāng)達(dá)到40ms時(shí),振動(dòng)速度基本可以忽略。由此可知,在初始時(shí)刻時(shí),爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波急劇擴(kuò)散,迅速衰減。

3.5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,提取A、B、C、D、E監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值,并將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處監(jiān)測(cè)到的最大振動(dòng)速度峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度值

由表2可知,隨著距離爆孔越遠(yuǎn),最大振動(dòng)速度越小,當(dāng)距離相差6m時(shí),最大振動(dòng)速度差值為3.35m/s,其差值大于E點(diǎn)的最大振動(dòng)速度3.31m/s。可見(jiàn),距離爆心的長(zhǎng)度大小對(duì)最大振動(dòng)速度具有顯著影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)合理的隧洞間距離,使經(jīng)濟(jì)效益和安全影響的綜合影響達(dá)到最優(yōu)化。由表2還可以看出,盡管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆炸中心的距離間隔均為1.5m,但振動(dòng)速度的差值并不均勻。因此,在不同距離上,最大振動(dòng)速度的衰減速率各異,這也為雙洞隧洞間距的選擇提供了有效參考。

3.6 峰值速度變化曲線

為了研究在設(shè)計(jì)單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過(guò)程,根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制最大振動(dòng)速度隨爆心距的變化曲線圖,見(jiàn)圖7。

圖7 峰值速度隨爆心距的變化曲線圖

圖7為5個(gè)不同爆心距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度隨著距離爆炸中心的長(zhǎng)度變化曲線。由圖7可知,最大振動(dòng)速度總體隨著爆心距的增大而不斷減小,當(dāng)9.6m爆心距增大至11.1m爆心距時(shí),最大振動(dòng)速度由6.46cm/s減小至5.01cm/s,共計(jì)減小1.45cm/s,減小速率為0.97cm/s/m;當(dāng)爆心距由11.1m增大至12.6m時(shí),速度僅減小0.11cm/s,減小速率為0.07cm/s/m,遠(yuǎn)小于第一次增大爆心距時(shí)的速率。因此,再次得出在不同距離上最大振動(dòng)速度的衰減速率各異的結(jié)論,為雙洞設(shè)計(jì)的水工隧洞最優(yōu)化間距設(shè)計(jì)和選擇提供了定量依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文以采用雙洞設(shè)計(jì)形式的水工隧洞礦山法施工為研究背景,進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)論如下:

1)爆炸能在圍巖體內(nèi)的傳播經(jīng)歷了0～0.5ms的能量積聚、應(yīng)力急劇累積階段,0.5～8.5ms的能量迅速傳播釋放、應(yīng)力快速衰減階段,以及8.5～59.5ms的殘余能量緩慢釋放、應(yīng)力殘余消散階段。

2)爆孔距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度均表現(xiàn)為隨時(shí)間呈指數(shù)形式弱化的趨勢(shì),0.5ms時(shí)刻振動(dòng)速度最大,8.5ms時(shí)速度峰值明顯減小,達(dá)到59.5ms時(shí)振動(dòng)速度幾乎為零,表明初始時(shí)段爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波急劇擴(kuò)散。

3)最大振動(dòng)速度總體上隨著爆心距的增大而減小,減小速率在某一爆心距區(qū)間內(nèi)存在極值。本文模型中區(qū)間為9.6～11.1m,可為雙洞設(shè)計(jì)的水工隧洞最優(yōu)化間距設(shè)計(jì)提供定量依據(jù)。