淺埋隧道爆破周邊預裂縫減振法減振效果探究

楊忠武

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淺埋隧道爆破周邊預裂縫減振法減振效果探究

楊忠武

(廣西桂物爆破工程有限公司，廣西 南寧 530022)

以南寧市江北引水干渠2#隧道工程為背景，為該工程爆破專項施工尋找減振方法，根據預裂縫減振爆破的模擬分析，結果表明，預裂縫的存在能夠顯著降低爆破振動，在相同的爆破條件下，當預裂縫寬度不變時，爆破振動速度顯著降低，最大可降低43.2%，預裂縫深度在一定區間內，隨著深度的增大，爆破振動速度降低百分率隨之增大，離開這個區間，振速降低百分率曲線逐漸變緩；在相同的爆破條件下，當預裂縫深度不變時，預裂縫能顯著降低爆破振動峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預裂縫寬度降低效果不明顯。

淺埋隧道；預裂縫；減振；預裂爆破

近年來，復雜環境條件的隧道工程增加不少，處于市區的隧道工程特點是路線位置易受限制，有些工程埋深淺、所處位置周圍建筑物多、人口稠密，時而不可避免地穿越公路、民房、工廠、受保護建筑物等，工程環境復雜多變，施工難度大。隧道等地下工程從技術經濟和效率角度考慮，鉆爆法以其高效、靈活、適應能力強、經濟合理等優勢，在隧道掘進過程中依然是主要方法[1?3]。當隧道下穿復雜地形環境、人口稠密、周圍建筑物眾多的市區時，隧道掘進過程中進行爆破作業必然對周圍環境產生影響，此時需要控制爆破振動，尋找隧道爆破振動安全控制技術是關鍵。國內學者大量的工程試驗和數值模擬研究結果說明，利用減震溝能吸收或反射地震波能量，加快爆破地震波衰減，可以有效控制爆破振動[4?10]。根據前人的研究，預裂爆破是一種安全有效的減振方法，其減振效果得到業內人士的廣泛認可。本文結合南寧市江北引水干渠2#隧道工程爆破專項施工背景，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬隧道周邊有無預裂縫爆破振動，研究周邊預裂縫減振法的減振效果，為工程實際提供參考。

1 工程背景

南寧市江北引水干渠2#隧道位于南寧市高新技術產業開發區金沙湖，是南寧市重點工程項目，隧道全長780 m，隧道斷面面為6.8 m×10 m(樁號K300＋600~K400＋350)，該隧道穿越的巖層為弱風化砂巖，按堅硬程度劃分屬軟巖，其中上部有素填土、淤泥質黏土、粉質黏土、砂巖、礫巖等。由于2#隧道上部有南寧市繞城公路、邕隆二級路、民房、廠房等建筑物，隧道距上部邕隆二級路最短距離約為8 m、隧道拱頂距民房及廠房等建筑物最近垂直距離約為5 m，適合采用鉆爆法開挖[11?12]，在如此近距離進行爆破作業引起的爆破振動極有可能會對隧道上方的公路及民房造成影響。鑒于2#隧道開挖環境復雜、施工難度大、工期緊，因此，結合現場情況，必須開展減振技術研究，以確保公路和民房的安全。

2 隧道爆破周邊預裂縫數值模擬 研究

2.1 幾何模型尺寸

隧道掘進爆破作業時，由于掏槽孔只有一個臨空面，爆破時巖體夾制作用大，掏槽孔需要克服巖體夾制力，為形成效果良好的新自由面，掏槽區域多孔常需要同時起爆，分段起爆或者減少裝藥量很難達到應有效果，而輔助眼、周邊眼有槽空間作為自由面，藥量比較容易控制，可以多分段起爆，因此掏槽部分炸藥需要量往往最大，為簡化模擬過程、消除多種爆破地震波復雜干涉的影響，本文主要對掏槽部分進行模擬。隧道斷面寬度為10 m，高6.8 m，隧道埋深(拱頂至地面)為10 m，掏槽布置如圖1所示。

采用垂直復式楔形掏槽，內掏槽共4個炮眼，每個炮孔深度0.6 m，孔徑40 mm，左右孔距為0.6 m，上下孔距為0.4，每個孔裝藥卷直徑為32 mm的乳化炸藥0.3 kg，炸藥長度為0.3 m，堵塞0.3 m，內掏槽裝藥量為1.2 kg；外掏槽共6個炮眼，每個炮孔深度為1.2 m，孔徑40 mm，與內掏槽相鄰炮孔水平距離為0.4 m，外掏槽孔上下孔距為0.4 m，與隧道底板最近炮孔距離為0.6 m，單孔裝藥量為0.4 kg，炸藥長度為0.4 m，堵塞0.6 m，外掏槽裝藥量為2.4 kg。各掏槽孔均采用不耦合裝藥結構，毫秒延時雷管同時起爆，掏槽總藥量為3.6 kg，爆破進尺為1 m。

圖1 掏槽位置布置

本文利用計算機軟件建立三維模型，以隧道掌子面底部中心處為原點，原點向右作為x軸正方向，代表隧道跨度；原點向上作為y軸正方向，代表隧道高度；z軸正方向表示隧道掘進方向，即掌子面前方，z軸負方向表示掌子面后方。整個模型沿著z軸方向建立20 m的模型，掌子面前方未開挖土體10 m，掌子面后方已開挖部分10 m，即模型z方向取值(?10，10)；模型y方向取值(?3.2，16.8)；模型x方向取值(?5，5)，最后形成值為10 m×20 m×20 m的圍巖模型，隧道模型為10 m×6.8 m×10 m。根據工程實際情況，分為2個方案模擬：方案一預裂縫寬度為40 mm時，選取預裂縫深度為0 m(無裂縫)、0.5，1，1.5，2，2.5 m共建立6個模型；方案二預裂縫深度等同炮孔深度為1.2 m時，選取預裂縫寬度為0，5，10，20，40，80 mm，共建立6個模型。

2.2 材料參數及算法

本次模擬材料有圍巖、炮泥、炸藥、空氣，材料參數如下：

(1) 圍巖和炮泥參數如表1所示。

表1 圍巖和炮泥參數

(2) 空氣模型狀態方程及其材料參數。在有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中，空氣的狀態方程形式 如下：

公式中的參數可從表2選取。

表2 空氣材料參數

(3) 炸藥狀態方程及其材料參數。炸藥爆炸的爆轟壓力用JWL狀態方程來表述：

式中，、、1、2、為待定參數；為爆轟產物壓力；為爆轟產物相對體積；為爆轟產物初始比內能。

各參數見表3。

表3 2#巖石乳化炸藥參數及其狀態方程參數

本文在進行模擬時炸藥采用ALE算法，圍巖和炮泥均采用Lagrange算法，最后將炸藥、圍巖、炮泥用流固耦合方式進行計算。

2.3 計算結果及分析

如圖2所示，在爆源正上方與地表接觸處布置測點。雖然《爆破安全規程》中并未明確規定薩道夫斯基公式中采用的是分速度還是合速度。但由于城市淺埋隧道爆破作業地點一般都在市區內，周邊是鬧市或居民區，受影響因素眾多，相比于偏僻位置的爆破工程保護對象更多，倘若選擇偏小的安全系數，會增加安全事故的風險，一旦造成事故后果不堪設想，因此本工程對于爆破振動分析采用合速度。計算結果見表4。

圖2 測點布置

由表4、表5以及圖3可以看出，在相同的爆破條件下，當預裂縫寬度不變時，預裂縫深度的存在，爆破振動速度顯著降低，最大可降低43.2%，預裂縫深度在一定區間內，隨著深度的增大，爆破振動速度降低百分率隨之增大，離開這個區間，振速降低百分率曲線逐漸變緩。預裂縫的存在，可以明顯地降低振動速度，起到隔離地震波，降低爆破振動的作用。

表4 不同預裂縫深度、寬度爆破振動峰值合速度

表5 不同預裂縫深度、寬度峰值合速度降低百分率

圖3 不同預裂縫深度爆破振動速度降低百分率

由表4、表5以及圖4可以看出，在相同的爆破條件下，當預裂縫深度不變時，預裂縫能顯著降低爆破振動峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預裂縫寬度降低效果不明顯，當預裂縫寬度從5 mm增加到80 mm，爆破振動速度降低百分率變化很小，幾乎是處在一條直線上。

預裂縫的存在即可減弱爆破振動峰值速度，增加預裂縫寬度對減振的貢獻很小，因此，在選擇一個合理的裂縫寬度后，適當增加預裂縫深度能夠明顯地減低爆破振動速度。

圖4 不同預裂縫寬度爆破振動速度降低百分率

3 結 論

(1) 預裂縫的存在對地震波的傳播有減弱阻隔作用，縫中存在的是空氣充填物時，由于爆炸的應力波傳到預裂縫界面能量反射回爆源區，預裂縫后面的保護物受到的振動大大減弱。

(2) 根據工程實際，利用有限元軟件ANSYS/LS- DYNA模擬周邊預裂縫隔振可知，在相同的爆破條件下，當預裂縫寬度不變，預裂縫深度的存在使爆破振動速度顯著降低，最大可降低43.2%，預裂縫深度在一定區間內，隨著深度的增大，爆破振動速度降低百分率隨之增大，離開這個區間，振速降低百分率曲線逐漸變緩。

(3) 在相同的爆破條件下，當預裂縫深度不變，預裂縫能顯著降低爆破振動峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加預裂縫寬度降低效果不明顯，當預裂縫寬度從5 mm增加到80 mm，爆破振動速度降低百分率變化很小，幾乎是處在一條直線上。

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(2018?06?18)

楊忠武(1991—)，男，廣西百色人，研究生，主要從事采礦、爆破、安全等工作。