韋建昌　潘峰　王潮鑫

摘要：山嶺隧道洞口段存在燃?xì)夤艿罆r(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的要求，必須要對(duì)管道附近的振動(dòng)速度進(jìn)行控制。文章以實(shí)際隧道工程建設(shè)為背景，基于薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)了三種裝藥方案，并通過(guò)數(shù)值模擬分析了管道對(duì)三種方案爆破的動(dòng)力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，增加爆破中的起爆段位能夠減小爆破振動(dòng)速度，在相同段位下優(yōu)化輔助眼各段的炮孔數(shù)量和裝藥參數(shù)能夠大為降低爆破振動(dòng)速度，從而達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)的振動(dòng)速度控制要求;基于薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的藥量能得到一個(gè)初步的裝藥量，通過(guò)數(shù)值模擬能夠進(jìn)一步優(yōu)化裝藥量，使振動(dòng)速度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求;當(dāng)隧道洞口附近存在建筑物或者構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)盡量增加二者之間的最小空間距離。

關(guān)鍵詞：爆破工程;減震技術(shù);數(shù)值模擬;方案優(yōu)化

中國(guó)分類號(hào)：U445.53文章標(biāo)識(shí)碼：A381464

0 引言

山嶺隧道建設(shè)大多使用鉆爆法施工，爆破振動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍建筑物或構(gòu)筑物造成影響[1-4]。爆破振動(dòng)影響的表征參數(shù)主要為峰值速度[5]，而爆破振動(dòng)特征的影響因素有很多，如爆孔的布置及特征、藥量藥性的選擇、抵抗線的確定等[6-8]。其中爆破方式對(duì)其振動(dòng)效應(yīng)的影響是十分顯著的[9]，故對(duì)爆破方式的優(yōu)化是極具研究?jī)r(jià)值的。學(xué)者們通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方式研究了爆破振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度和應(yīng)力，通過(guò)爆破藥量與實(shí)際藥量進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化及運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)優(yōu)化爆破藥量等手段，使得隧道爆破所產(chǎn)生的影響在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)[10-12]。學(xué)者們分析了爆破對(duì)洞口的邊仰坡影響、最大起爆藥量安全閾值及高邊坡的動(dòng)力響應(yīng)[13-15]。故本文為了得到洞口段爆破施工對(duì)近鄰管道的最佳施工方案，以實(shí)際隧道為工程依托，基于三維有限元計(jì)算軟件分析不同爆破段數(shù)、不同炮孔數(shù)量、不同單孔裝藥量條件下不同距離的三個(gè)測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)速度，以期得到最優(yōu)方案。

1 工程概況

某隧道在設(shè)計(jì)時(shí)因條件限制，始終無(wú)法大距離避開(kāi)一條燃?xì)夤艿?。在平面設(shè)計(jì)圖上該隧道與燃?xì)夤艿老嗑嗉s24～240 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明該隧道出口段距離天然氣管道最近水平距離是35.68 m。該隧道出口方向洞口仰拱的最低高程高于天然氣管道高程，豎向高差約為18.2 m。該隧道為山嶺隧道，采用鉆爆法施工。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，與燃?xì)夤艿老嗑?50 m范圍內(nèi)隧道采用冷開(kāi)挖，當(dāng)兩者距離在150～250 m時(shí)采用控制爆破，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定要求，爆破振動(dòng)速度必須控制在2 cm/s以內(nèi)。

2 基于薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式的爆破藥量設(shè)計(jì)

為了保障出口段距洞門(mén)150～250 m采用控制爆破時(shí)，燃?xì)夤艿捞幍谋普袼倌軡M足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，必須對(duì)爆破裝藥參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。隧道工程實(shí)踐中，爆破參數(shù)確定常用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式（1）。巖土體參數(shù)K、α、爆心距和最大振動(dòng)速度均已知，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式即可求出裝藥量。

隧道出口洞段開(kāi)挖的方法為臺(tái)階法。根據(jù)工程地質(zhì)情況、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，本文在出口方向洞口段提出了三種不同的裝藥方案。三種爆破方案的炮孔數(shù)量均為158個(gè);方案一的起爆段數(shù)為6段，其余兩個(gè)方案的段數(shù)均為7段;方案一的總裝藥量為102.6 kg，方案二的總裝藥量為91.0 kg，方案三的總裝藥量為83.3 kg。不同方案的各段位炮孔數(shù)量及單孔裝藥量見(jiàn)表1。

3 理論依據(jù)及參數(shù)擬定

3.1 計(jì)算假定與狀態(tài)方程

數(shù)值計(jì)算采用了以下假設(shè)：

（1）巖土體為理想彈塑性介質(zhì);

（2）考慮巖土體變形的時(shí)間效應(yīng);

（3）巖土體為各向同性均勻介質(zhì);

（4）模型無(wú)反射邊界條件。

高能炸藥起爆以后，常用JWL（Jones-Wilkens-Lee）狀態(tài)方程，見(jiàn)式（2），求得炸藥爆炸內(nèi)部單元所受壓力P。JWL狀態(tài)方程描述了高能炸藥爆炸時(shí)化學(xué)能的變化情況：

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該工程勘察設(shè)計(jì)資料，爆破施工擬采用2號(hào)巖石硝銨炸藥。本數(shù)值模擬采用2號(hào)巖石硝銨炸藥的密度為1.05～1.25 g/cm3，爆炸力度為295 mL，炸藥猛度為12 mm，爆炸速度為3 250 m/s，其計(jì)算參數(shù)如表2所示。

數(shù)值模擬使用有限元ANSYS/LS-DYNA軟件，數(shù)值模型中的巖土體、C30混凝土采用塑性模型，模型定義方式為*MAT_PLASTIC _KINE MATIC。巖土體與混凝土的計(jì)算材料參數(shù)如下頁(yè)表3所示。

3.3 數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算采用三維計(jì)算模型，模型尺寸為：X方向上寬度為175 m，Y方向上最大高度為148 m，Z方向上最大長(zhǎng)度為177.3 m，模型頂面以實(shí)際地形建模。計(jì)算模型中四周邊界約束水平位移以模擬場(chǎng)地的半無(wú)限元邊界，底面邊界約束沿豎直方向位移。有限元計(jì)算模型共有740 276個(gè)體單元、138 392個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖1所示。

在燃?xì)夤艿谰€路位置上共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1），分別在距右線隧道洞口最短空間直線距離為83.68 m處布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距右線隧道洞口100 m處左右各布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)爆破過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)振速，以設(shè)計(jì)和規(guī)范的臨界振速優(yōu)化裝藥參數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文通過(guò)數(shù)值模擬了三種裝藥方案，分析布置的三個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度在不同裝藥方案條件下的變化規(guī)律，詳述如下。

（1）方案一計(jì)算結(jié)果

方案一計(jì)算結(jié)果表明（見(jiàn)圖2），測(cè)點(diǎn)2的X方向振速最大，為1.66 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處X方向振速大69.3%，比測(cè)點(diǎn)3處X方向振速大40.6%;Y方向振速最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為1.51 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Y方向振速大23.7%，比測(cè)點(diǎn)3處Y方向振速大34.8%;Z方向振速最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為2.32 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Z方向振速大34.1%，比測(cè)點(diǎn)3處Z方向振速大31.1%。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的距離相差不大，所以兩者各個(gè)方向的振速大小都相差不大。因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)2距離天然管道的距離最近，所以測(cè)點(diǎn)2的振速最大，

其在Z方向的振速最大，比在X方向的振速大39.8%，比在Y方向的振速大53.6%。離爆破點(diǎn)的距離越近，響應(yīng)振速越大，各振速分量中Z方向振速最大。測(cè)點(diǎn)2的Z方向振速>2 cm/s，不滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

（2）方案二計(jì)算結(jié)果

方案二計(jì)算結(jié)果表明（見(jiàn)圖3），測(cè)點(diǎn)2的X方向振速最大，為1.29 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處X方向振速大44.9%，比測(cè)點(diǎn)3處X方向振速大35.7%;Y方向振速最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為1.32 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Y方向振速大20%，比測(cè)點(diǎn)3處Y方向振速大73.6%;Z方向振速最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為1.96 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Z方向振速大20.2%，比測(cè)點(diǎn)3處Z方向振速大15.9%。測(cè)點(diǎn)2的Z方向上的振速最大，比在X方向上的振速大51.9%，比在Y方向上的振速大48.4%，相比于方案一的Z方向振速降低了24%，故爆破段數(shù)增加能有效降低爆破振動(dòng)對(duì)管道的影響，三個(gè)測(cè)點(diǎn)各方向的振速都<2 cm/s，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

（3）方案三計(jì)算結(jié)果

方案三計(jì)算結(jié)果表明（見(jiàn)圖4），測(cè)點(diǎn)3處X方向振速最大，為0.89 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處X方向振速大50.8%，比測(cè)點(diǎn)2處X方向振速大11.2%;Y方向振速最大值在測(cè)點(diǎn)2處，為1.3 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Y方向振速大94%，比測(cè)點(diǎn)3處Y方向振速大125%;Z方向振速最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為1.58 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1處Z方向振速大125%，比測(cè)點(diǎn)3處Z方向振速大90.3%。

各測(cè)點(diǎn)振速分布規(guī)律與方案一、二不同，X方向上振速最大的不是測(cè)點(diǎn)2而是測(cè)點(diǎn)3處。由此可知，在起爆段位相同的情況下，調(diào)整各段位炮孔數(shù)量和裝藥系數(shù)能夠進(jìn)一步降低爆破對(duì)周圍建筑物和構(gòu)筑物振動(dòng)的影響。

（4）不同方案各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)合速度

由圖5可知，方案一振動(dòng)合速度最大值在測(cè)點(diǎn)2處，為2.55 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1大18%，比測(cè)點(diǎn)3大17.7%;方案二振動(dòng)合速度最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為2.24 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1大19.1%，比測(cè)點(diǎn)3大16%;方案三振動(dòng)合速度最大值也在測(cè)點(diǎn)2處，為1.71 cm/s，比測(cè)點(diǎn)1大10.3%，比測(cè)點(diǎn)3大11.2%。方案一振動(dòng)合速度最大值比方案二大13.8%，比方案三大86%。三個(gè)方案中測(cè)點(diǎn)2的最小振動(dòng)合速度為1.71 cm/s，與其他兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度僅相差10%左右，因此方案三比較合理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)管線與隧道洞口的空間距離從83.68 m到100 m時(shí)，振動(dòng)合速度至少減小10%。距離起爆位置的空間距離越短，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度越大。當(dāng)隧道洞口附近存在建筑物或者構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)盡量增加二者之間的最小空間距離。

（2）增加爆破中的起爆段位能夠減小爆破振動(dòng)速度。本項(xiàng)目的起爆段位由六段增加到七段后，振動(dòng)合速度至少減少13.8%。在相同段位下優(yōu)化輔助眼各段的炮孔數(shù)量和裝藥參數(shù)能夠極大降低爆破振動(dòng)速度，從而達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)的振動(dòng)速度控制要求。

（3）數(shù)值分析表明，基于薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的藥量能得到一個(gè)初步的裝藥量，但是不一定能夠使振動(dòng)速度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，而通過(guò)數(shù)值模擬能夠進(jìn)一步優(yōu)化裝藥量，使振動(dòng)速度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

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