陳春暉，吳　立，趙均文，李　波，李紅勇，李春軍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074；2.河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，承德 067000；3.長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400010)

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水下鉆孔爆破對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物安全性影響研究*

陳春暉1，吳立1，趙均文2，李波1，李紅勇3，李春軍3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074；2.河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，承德 067000；3.長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400010)

摘要:為評(píng)估水下鉆孔爆破對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物的安全影響，結(jié)合萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋防撞設(shè)施水下爆破工程，利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物水下鉆孔爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對(duì)不同起爆方式與減震孔不同充填介質(zhì)下緊鄰建(構(gòu))筑物水下鉆孔爆破的減震效果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了判定。結(jié)果表明:采用毫秒延期雷管進(jìn)行分段裝藥起爆能有效降低爆破地震效應(yīng)；減震孔介質(zhì)的不同影響了地震波傳遞和衰減規(guī)律，減震孔采用空氣介質(zhì)充填能更好的減弱爆破引起的振動(dòng)效應(yīng)；采用該起爆與減震方式能夠保證萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋的安全使用。

關(guān)鍵詞:安全性；水下鉆孔爆破；緊鄰建(構(gòu))筑物；數(shù)值模擬

目前，水下爆破的研究不僅需要考慮結(jié)構(gòu)變形，及其流固耦合作用，還有其復(fù)雜的周?chē)h(huán)境，從而導(dǎo)致研究難度大、耗費(fèi)資金大、研究誤差大，使得水下爆破的研究主要在理論方面[1，2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種工程項(xiàng)目中，大型商業(yè)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜問(wèn)題，適合求解二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題[3]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)水下爆破過(guò)程就行了大量的研究[4-6]，取得了豐富的理論成果。

為了更好地指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)和爆破施工，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，采用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件，建立水下鉆孔爆破三維計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)減震孔、爆破區(qū)和被保護(hù)的緊鄰建(構(gòu))筑物的水下鉆孔爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，分析炸藥爆炸后應(yīng)力波傳遞過(guò)程、多炮孔微差爆破后應(yīng)力波傳播特征和緊鄰建(構(gòu))筑物的振動(dòng)速度變化過(guò)程，為水下鉆孔爆破的現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論參考。

1緊鄰建(構(gòu))筑物的水下爆破減震措施

水下爆破減震措施可從爆源與地震波傳播兩個(gè)方面考慮:對(duì)爆源從選取合適炸藥品種、起爆方式等方面進(jìn)行減震；在地震波傳播過(guò)程中采用設(shè)置減震孔(溝)的方式進(jìn)行減震。

1.1炸藥品種的選取

在爆破過(guò)程中選擇適當(dāng)類(lèi)型的炸藥可以在很大程度上達(dá)到抗震的作用。2#巖石乳化炸藥，因其防水性能較好，通常被用于掘進(jìn)或是掏槽眼等工作。所以本項(xiàng)目采用防水性能較好的2#巖石乳化炸藥，炸藥定義方式見(jiàn)表1。

表1　2#巖石乳化炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

1.2微差爆破

微差爆破又稱毫秒延遲爆破，是把藥包分為若干組，相鄰的炮孔間通過(guò)毫秒雷管延時(shí)起爆的一種起爆方式。由于其地震波能量在時(shí)間上和空間上是分散的，故微差爆破產(chǎn)生的地震效應(yīng)和沖擊波比齊發(fā)爆破要小得多。本項(xiàng)目中，通過(guò)采用毫秒雷管進(jìn)行分段裝藥起爆來(lái)有效的減小爆破地震效應(yīng)，爆破施工時(shí)采用3個(gè)段別。微差爆破能將一次起爆的總藥量分散在不同的時(shí)間段爆破，避免了爆破地震波的疊加。

1.3減震孔(溝)

爆破所產(chǎn)生的地震波雖然對(duì)建(構(gòu))筑物有影響，但可以在爆破點(diǎn)與保護(hù)對(duì)象之間設(shè)置適當(dāng)?shù)臏p震孔或者減震溝將地震波的傳播途徑改變，從而有效降低地震波帶來(lái)的影響。而在實(shí)際操作過(guò)程中，受限于施工器械及現(xiàn)場(chǎng)條件，減震溝施工難度遠(yuǎn)大于減震孔，因此，使用減震孔以降低爆破地震波對(duì)萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋的影響。

2模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1工程概況

萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋兩岸將建設(shè)防撞設(shè)施，防撞帶與橋軸線大致對(duì)稱布置。防撞帶兩側(cè)布設(shè)導(dǎo)向井，導(dǎo)向井共4個(gè)，左右岸兩側(cè)各兩個(gè)。導(dǎo)向井內(nèi)安裝浮筒，兩側(cè)各兩個(gè)浮筒分別與防撞帶相連。4個(gè)導(dǎo)向井需開(kāi)挖基坑，與導(dǎo)向井浮筒相連的防撞帶需開(kāi)挖溝槽。工程開(kāi)挖內(nèi)容主要包括1#～4#基坑前沿防碰撞帶基槽。1#～4#基坑前沿防碰撞帶基槽水下爆破工程量3748 m3，水下開(kāi)挖巖土方量10 975 m3。本地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，沒(méi)有大的活動(dòng)斷裂帶，歷史上未發(fā)生過(guò)較大等級(jí)的地震。工程開(kāi)挖巖土主要為中風(fēng)化砂巖，有少部分泥巖。

2.2建立數(shù)值計(jì)算模型

以萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋3#墩水下承臺(tái)基礎(chǔ)爆破開(kāi)挖項(xiàng)目為工程背景，參考當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件及相應(yīng)數(shù)據(jù)建立數(shù)值模型。在考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)的特點(diǎn)，采用直徑為120 mm炮孔，炸藥裝藥直徑為90 mm，裝藥高度5 m，炮孔和炸藥之間采用水耦合，炮孔間距為2.5 m。減震孔設(shè)置兩組，組距5.5 m，每組兩排，排距1.5 m。一排設(shè)置10個(gè)減震孔，孔距300 mm。在保持其它條件不變的前提下，變換減震孔填充介質(zhì)。為了便于觀測(cè)，可將緊鄰建構(gòu)筑物水下爆破問(wèn)題對(duì)稱化處理，建模時(shí)取二分之一模型。水、空氣、和炸藥三種材料均采用歐拉建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，巖體和橋墩采用拉格朗日網(wǎng)格建模[7-8]。數(shù)值模型采用cm-g-μs單位制，緊鄰建構(gòu)筑物水下爆破模型如圖1所示。

2.3材料計(jì)算參數(shù)選擇

(1)炸藥的材料定義和狀態(tài)方程

炸藥選用爆炸性能良好，運(yùn)輸使用安全系數(shù)大，抗水性強(qiáng)的2#巖石乳化炸藥。采用TNT材料模型定義炸藥，并以JWL狀態(tài)方程來(lái)描述炸藥爆轟產(chǎn)生的壓力，其壓力定義方式如式1所示，炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示[9]

(1)

式中:p為壓力;A、B、R1、R2和ω為JWL狀態(tài)方程的5個(gè)參數(shù)；V為相對(duì)體積；E為單位體積內(nèi)能。

(2)水的狀態(tài)方程采用Mie-Gruneisen狀態(tài)方程模擬水在高壓環(huán)境中的形變，方程形式如下[9]

(2)

式中:p為壓力；E為單位體積的比內(nèi)能；ρ0為介質(zhì)初始密度；μ=ρ/ρ0-1，ρ為材料密度；ρ0為材料初始密度；C 為剪切-壓縮波速曲線截距；α為Gruneisen系數(shù)修正項(xiàng)。見(jiàn)表2。

表2　水的狀態(tài)方程參數(shù)

(3)空氣材料采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程定義，表達(dá)式為[9]

(3)

式中:C0～C6為方程系數(shù)；μ為比體積，材料參數(shù)如表3所示。

表3　空氣狀態(tài)方程參數(shù)

(4)巖石材料采用LS-DYNA內(nèi)置的MAT_PLASTIC_KINEMATIC來(lái)模擬，此模型考慮了巖石介質(zhì)的彈塑性特性與材料的強(qiáng)化效應(yīng)(隨動(dòng)強(qiáng)化與各向同性強(qiáng)化)和應(yīng)變率變化效應(yīng)，同時(shí)還帶有失效應(yīng)變。

水下爆破巖體為中風(fēng)化砂巖，經(jīng)室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到中風(fēng)化砂巖巖體物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4　中風(fēng)化砂巖巖體物理力學(xué)參數(shù)

3計(jì)算結(jié)果及分析

炸藥起爆后，炮孔周?chē)幕鶐r在極短的時(shí)間內(nèi)被壓縮直至破碎，同時(shí)爆炸沖擊波迅速向外擴(kuò)散。在有限元模型內(nèi)，變形與能量通過(guò)特征單元之間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞。研究水下鉆孔爆破對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物的影響，就是通過(guò)分析相應(yīng)特征單元在地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，進(jìn)而評(píng)價(jià)其安全性。

3.1不同起爆方式下水下鉆孔爆破動(dòng)力響應(yīng)特征

為了分析不同起爆方式炸藥爆炸后應(yīng)力波傳遞過(guò)程，取炮孔處部分模型，分別模擬起爆方式為齊發(fā)爆破與微差爆破的爆破過(guò)程。圖2～圖5為炮孔附近特征單元在同一時(shí)刻所受到的壓力云圖。

當(dāng)炸藥爆炸后，爆炸沖擊波向四周迅速擴(kuò)散，并且在擴(kuò)散過(guò)程中不斷衰減。t=600 μs時(shí)，觀察此刻基巖所受壓力值可知，當(dāng)起爆方式為微差爆破時(shí)，基巖所受的壓力值較齊發(fā)爆破下更小。分析可知，采用微差爆破作為起爆方式時(shí)，相鄰藥卷爆炸間隔時(shí)間極短，由左側(cè)最先爆炸的炸藥而產(chǎn)生的爆轟波與后起爆的炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波相互干擾，從而導(dǎo)致基巖所受到的壓力較低。t=1000 μs時(shí)，爆炸沖擊波經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的擴(kuò)散后，此時(shí)基巖在微差爆破下所受的壓力值仍然較齊發(fā)爆破更小。分析可知，當(dāng)采用微差爆破作為起爆方式時(shí)，最先起爆的炸藥使得周?chē)膸r石破碎、松散，而這些巖體在后續(xù)炸藥爆炸時(shí)起到了吸收能量、加速應(yīng)力波衰減的作用。因而在總起爆藥量不變的情況下，使用微差爆破，能降低爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波帶來(lái)的影響。

3.2減震孔不同充填介質(zhì)時(shí)爆破地震波對(duì)橋梁振動(dòng)影響

為了研究減震孔充填介質(zhì)不同時(shí)橋梁處特征點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)特征，沿橋梁從上至下依次選取三個(gè)特征單元A(289815)、B(289812)、C(289808)作為當(dāng)前活動(dòng)單元，以分析它們振動(dòng)速度隨時(shí)間變化特征。圖6、圖7為當(dāng)減震孔充填介質(zhì)分別為水或空氣時(shí)，特征單元振動(dòng)速率隨時(shí)間的變化特征。

通過(guò)分析橋梁處特征單元的振動(dòng)速度來(lái)判斷減震孔充填介質(zhì)不同時(shí)爆破地震波對(duì)橋梁振動(dòng)的影響。從橋梁處特征點(diǎn)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果可知:

無(wú)論減震孔采用何種介質(zhì)填充，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ谝淮螖U(kuò)散到橋梁處時(shí)，特征單元的振動(dòng)速度迅速達(dá)到峰值，然后不斷衰減，中間雖然有波動(dòng)，但最后基本保持穩(wěn)定。對(duì)于特征單元A、B、C，從模擬結(jié)果上來(lái)看處于更高高程處的A最先達(dá)到振動(dòng)速度峰值，并且大于B、C，這表明橋梁上部的振動(dòng)速度與幅度更大，在實(shí)際爆破中需重點(diǎn)檢測(cè)。

由圖6和圖7可知，當(dāng)減震孔充填介質(zhì)為水時(shí)，橋梁處振動(dòng)速度峰值為(2.05 cm/s)，大于當(dāng)減震孔充填介質(zhì)為空氣時(shí)橋梁處振動(dòng)速度峰值(1.70 cm/s)。分析可知:在水下鉆孔爆破中，地震波的傳播和衰減規(guī)律在減震孔充填介質(zhì)改變時(shí)受到了影響，從而改變了橋梁處特征單元的振動(dòng)速度。通過(guò)模擬計(jì)算，在其他因素相同的條件下，減震孔采用空氣介質(zhì)填充相比采用水介質(zhì)填充能更大程度的破壞巖層的整體性，從而在一定程度上更容易消減地震波的傳播，降低爆破引起的振動(dòng)，因此，建議實(shí)際施工減震孔采用空氣介質(zhì)進(jìn)行填充。

4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

水下爆破施工環(huán)境復(fù)雜，為了能全面掌握和控制爆破開(kāi)挖對(duì)萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋及周?chē)h(huán)境的影響，對(duì)爆破施工全過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整爆破方案和爆破參數(shù)，從而減小爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)主頻率的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式具有如下形式[10]

(4)

利用以上數(shù)據(jù)，并結(jié)合質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)主頻率預(yù)測(cè)式(1)進(jìn)行回歸分析可得，K=185.68，α=-0.506。因此，萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋防撞帶爆破工程中質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)主頻率的預(yù)測(cè)公式為

(5)

由式(2)可以計(jì)算得到，在單段最大起爆藥量Q為18 kg時(shí)，萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋的質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)主頻高頻值為15.6 Hz，低頻值為5.75 Hz。遠(yuǎn)大于橋梁最不利自振頻率值為0.62 Hz。并且橋梁振動(dòng)的最大速度(1.02 cm/s)小于爆破安全規(guī)程的要求。表明采用微差爆破與空氣介質(zhì)作為減震孔充填介質(zhì)能有效減弱水下鉆孔爆破工程對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物的影響，使萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋處于安全的狀態(tài)。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物水下鉆孔爆破的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論:

(1)在同一時(shí)刻，起爆方式為微差起爆時(shí)，基巖所受的壓力值較齊發(fā)爆破下更?。辉诳偲鸨幜坎蛔兊那闆r下，使用微差起爆能降低爆炸應(yīng)力波帶來(lái)的影響。

(2)無(wú)論減震孔采用何種介質(zhì)填充，橋梁上部的振動(dòng)速度更大，在實(shí)際爆破中需重點(diǎn)檢測(cè)；當(dāng)減震孔充填介質(zhì)為水時(shí)，橋梁處振動(dòng)速度峰值為(2.05 cm/s)，大于當(dāng)減震孔充填介質(zhì)為空氣時(shí)橋梁處振動(dòng)速度峰值(1.70cm/s)；相比采用水介質(zhì)填充的減震孔，采用空氣介質(zhì)填充時(shí)能更好的降低地震波對(duì)橋梁的影響。

(3)在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，采用微差爆破技術(shù)與空氣介質(zhì)減震孔能有效的減弱水下鉆孔爆破工程對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物的影響，使萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋處于安全狀態(tài)。

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Influence of Underwater Drilling and Blasting on Adjacent Structure Safety

CHENChun-hui1,WULi1,ZHAOJun-wen2,LIBo1,LIHong-yong3,LIChun-jun3

(1.Engineering Research Center of Rock-Soil & Excavation and Protection Ministry of Education， China university of Geosciences,Wuhan 430074，China；2.The Fourth Geological Team of Hebei Geology and Minerals Bureau,Chengde 067000,China；3.Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau,Chongqing 400010,China)

Abstract:Based on the underwater drilling and blasting project on Wanzhou Yangtze River Bridge′s anti-collision equipment,the ANSYS/LS-DYNA software was used to simulate the process of underwater drilling and blasting for evaluating the structure safety adjacent to the building.The damping effects of different initiation mode and filling medium in damping hole to the blasting were discussed.Results show that the initiation scheme with millisecond delay reduced the blasting seismic effect when the total amount of explosive was invariant,and different stemming medium in damping hole led to different propagation of seismic wave,and good damping effect was obtained by using air stemming.Finally,Wanzhou Yangtze River Bridge kept safely under the underwater drilling and blasting.

Key words:safety; underwater drilling and blasting; adjacent to the building; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.023

收稿日期:2016-01-19

作者簡(jiǎn)介:陳春暉(1994-)，男，博士研究生，主要從事巖土工程研究工作，(E-mail)cchmike@163.com。 通訊作者:吳立(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事爆破工程及巖土工程的研究工作，(E-mail)lwu@cug.edu.cn。

基金項(xiàng)目:湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2013CFA110)

中圖分類(lèi)號(hào):TV542+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0117-06