劉海波,戶若琪

(1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津市 300300; 2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司 成都市 610500; 3.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安市 710055)

0 引言

鉆爆法施工爆破過(guò)程產(chǎn)生地震波,將引起隧道巖體的失穩(wěn)[1]。為了保證隧道工程施工的順利進(jìn)行,工程技術(shù)人員和科研工作者研究了隧道工程中因爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)等一系列問(wèn)題。羅陽(yáng)等[2]通過(guò)對(duì)小凈距隧道的研究,得到了Ⅲ級(jí)圍巖最大振速預(yù)測(cè)方程中的場(chǎng)地系數(shù)、衰減系數(shù);彭道富等[3]提出爆破時(shí),迎爆側(cè)的墻壁和拱部振速最大,墻腳點(diǎn)振速相對(duì)較小;費(fèi)鴻祿等[4]分析了邊坡安全系數(shù)在爆破荷載作用,結(jié)果表明,地震波荷載作用下,隨著邊坡參數(shù)的減小,坡底的水平位移會(huì)增加;吳燕開(kāi)等[5]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)高邊坡工程爆炸過(guò)程中巖石振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行研究,對(duì)邊坡穩(wěn)定性做出了綜合評(píng)價(jià);任永強(qiáng)等[6]采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆破荷載強(qiáng)度進(jìn)行了分析,同時(shí)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,反演爆破動(dòng)力荷載并進(jìn)行對(duì)比。

依托涼山州大橋水庫(kù)灌區(qū)二期工程水泥廠段爆破工程,分析了爆破荷載作用在斷層帶時(shí)圍巖的變形情況以及地表特殊點(diǎn)的振速和爆破的影響范圍。

1 工程概況

四川省涼山州大橋水庫(kù)灌區(qū)二期工程位于四川省涼山州,渠道經(jīng)過(guò)冕寧縣、西昌市德昌縣等縣市。大橋水庫(kù)右干渠工程總長(zhǎng)40.03 km,河里分支渠總長(zhǎng)7.96 km,漫水灣右干渠109.38km,線路總長(zhǎng)工179.70km,其中隧洞79座,總長(zhǎng)73.3 km。水泥廠段總計(jì)2808 m,起止里程K15+318.046～K18+125.846,為大橋右干渠段最長(zhǎng)隧洞。隧洞軸線方向S19°13′W,隧洞最大埋深379.5m,組成隧洞巖性為花崗巖、灰?guī)r和輝綠巖。隧道進(jìn)行爆破開(kāi)挖,由于斷層帶地質(zhì)條件差,爆破時(shí)易發(fā)生隧道坍塌。根據(jù)規(guī)范,水工隧道地表上方振速限值為8cm/s。

炮眼布孔方法為:掏槽眼、輔助眼、周邊眼相結(jié)合,炮孔直徑為38 mm;爆破材料為2#巖石銷銨炸藥;利用多個(gè)段別毫秒雷管實(shí)現(xiàn)延遲控制爆破,起爆網(wǎng)路采用數(shù)碼電子雷管,數(shù)碼電子雷管采用串聯(lián)方式。表1為方樁爆破參數(shù)表。

表1 鉆爆參數(shù)表

2 爆破開(kāi)挖數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

本次模型采用Midas GTS數(shù)值分析軟件,一般影響范圍為開(kāi)挖直徑的3～5倍,所以將模型的長(zhǎng)和寬分別取60 m和40 m,高度40 m。為了便于計(jì)算分析,將邊坡巖土體視為各項(xiàng)同性均勻巖質(zhì)體,巖土體本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。圖1為隧道開(kāi)挖爆破數(shù)值模型。為了避免爆破地震波在模型邊界產(chǎn)生反射,模型的邊界條件采用粘彈性邊界模型。

圖1 隧道開(kāi)挖爆破數(shù)值模型

2.2 模型參數(shù)的選取

根據(jù)地勘報(bào)告、設(shè)計(jì)資料,并經(jīng)過(guò)特征值計(jì)算后得到相應(yīng)的動(dòng)彈模,數(shù)值模擬的材料取值參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 爆破模型參數(shù)表

2.3 爆破荷載的計(jì)算

爆破動(dòng)力荷載由三角形爆破荷載模型計(jì)算確定[7-9]。每個(gè)炮孔爆破荷載峰值計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中:ρe為炸藥密度,D為爆轟速度,r1為裝藥半徑,r0為炮孔半徑;le為藥柱總長(zhǎng)度;lb為炮孔深度;n為轟爆壓力增大系數(shù),通常n的取值為8～11,γ為等熵指數(shù),當(dāng)ρe<1.2 g/cm3時(shí),γ=2.1;當(dāng)ρe≥1.2 g/cm3時(shí),γ=3。

同段位群孔起爆等效爆破荷載峰值Pb按照式(2)計(jì)算:

Pb=(2r0/a)P0

(2)

式中:α為炮孔間距;P0為單個(gè)炮孔的峰值壓力;Pb為等效荷載峰值壓力。

爆破荷載在巖石中的衰減規(guī)律為:

(3)

式中:Pt為炮孔壁上的爆破荷載;R為距裝藥中心的距離;α為荷載傳播衰減指數(shù)。在沖擊波作用區(qū)和應(yīng)力波作用區(qū)α分別取值為:α=2+μ/(1-μ),α=2-μ/(1-μ)。

3 爆破數(shù)值結(jié)果分析

(1)爆破荷載作用下圍巖位移分析

將計(jì)算所得的爆破荷載加載到模擬斷面,通過(guò)數(shù)值模擬算出結(jié)果。圖2(a)為破碎帶圍巖總體位移變形情況,如圖2(a)可明顯看出,斷層處位移云圖為倒三角形狀,位移主要集中在拱腰和拱底,拱腳處位移較小。圍巖最大整體位移為11.87 mm,爆破對(duì)圍巖的影響占77.3%,并不會(huì)對(duì)圍巖上方地表造成影響。

圖2 總體位移云圖

圖2(b)為Ⅴ級(jí)圍巖段總體位移變形情況,如圖可明顯看出,Ⅴ級(jí)圍巖段位移云圖也為倒三角形狀。與斷層段相比所不同的是,該三角形區(qū)域較大,說(shuō)明斷層帶爆破時(shí)對(duì)后方圍巖影響也較大,但由于支護(hù)的原因,圍巖整體最大位移相對(duì)較小,最大位移為8.37 mm。

從位移云圖上看地表幾乎沒(méi)發(fā)生變形,為了更清楚的分析爆破過(guò)程中地表的變形情況,現(xiàn)提取拱頂上方地表點(diǎn)的總體位移變形情況進(jìn)行分析。如圖3所示,雖然地表總體位移變化不大,但是從變化規(guī)律可看出,隨著爆破的進(jìn)行,地表位移變化規(guī)律基本相同,第0.2s時(shí)地表發(fā)生最大變形,隨著時(shí)間的推移,地表呈現(xiàn)循環(huán)遞減趨勢(shì)。為了進(jìn)一步了解圍巖變化情況,還需進(jìn)一步分析特定點(diǎn)振速變化情況。

圖3 地表測(cè)點(diǎn)總體位移變化圖

(2)爆破荷載作用下隧道的振速分析

從圖4爆破振速合速度云圖可看出,隧道內(nèi)部振速主要集中在拱腰和拱底部位,而拱頂較小。爆破對(duì)斷層影響并不是很大,影響的范圍最大達(dá)到10m,超過(guò)10 m后幾乎沒(méi)有影響。

圖4 隧道爆破振速合速度云圖

由圖4可知,地表最大合振速為0.13cm/s,遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中規(guī)定的振動(dòng)安全閾值,所以滿足規(guī)范要求。由于前面已經(jīng)開(kāi)挖的緣故,此斷面前方振速合速度要小于后方;地表橫向振速普遍小于縱向,目前來(lái)說(shuō)斷層帶爆破對(duì)其他圍巖段影響不大。

為了探明地表振速的變化過(guò)程,在隧道橫向中心線上地表選取3個(gè)點(diǎn);沿著隧道縱向選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行合速度分析,如圖1所示。首先分析隧道橫向中心線地表3個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),如圖5所示,2號(hào)點(diǎn)波峰最大,由于拱頂位置離地表最近,所以波峰也就越大;3個(gè)點(diǎn)的變化速率基本相同,0.5s后波速開(kāi)始循環(huán)遞減;2號(hào)點(diǎn)最大值未超過(guò)1.2cm/s,滿足規(guī)范要求。

圖5 地表關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)合速度時(shí)程曲線圖

分析隧道縱向中心線地表3個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),如圖6所示,2、4號(hào)點(diǎn)波峰最大,由于拱頂位置離地表最近,所以波峰也就越大;由于開(kāi)挖的進(jìn)行,掌子面后方的振速略大于前方,可能是由于掌子面后方開(kāi)挖完成后,圍巖還未完全穩(wěn)定。由于2、3、4號(hào)振速相對(duì)較大,現(xiàn)提取該3點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)方向速度具體分析。分別對(duì)比三個(gè)分速度,可以發(fā)現(xiàn)T2和T3的速度峰值明顯大于T1,說(shuō)明爆破過(guò)程中,邊坡主要受橫、縱向振速的影響;如圖7三個(gè)分速度的時(shí)程曲線所示,波峰集中在0.125～0.3s之間。

圖6 地表關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)合速度時(shí)程曲線圖

圖7 各分速度時(shí)程曲線圖

4 結(jié)論

(1)爆破荷載作用下,隧道斷層帶總體位移主要集中在拱腰和拱底,而Ⅴ級(jí)圍巖段拱腳位移相對(duì)較大。

(2)由于爆破面積及炸藥量小,同時(shí)采用數(shù)碼電子雷管能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)爆破,爆破振動(dòng)效應(yīng)僅對(duì)隧道爆破位置四周10m范圍內(nèi)影響較大,超過(guò)10m后基本沒(méi)影響。

(3)爆破時(shí),地表各質(zhì)點(diǎn)T2、T3方向的振速大于T1,說(shuō)明爆破時(shí)邊坡振速主要以橫、縱方向?yàn)橹?振速峰值集中在0.125～0.3之間。