緊鄰既有鐵路預(yù)留巖墻爆破拆除數(shù)值模擬分析

佘蟬眉

（中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司）

緊鄰既有鐵路進(jìn)行路塹石方爆破開挖時，提出了預(yù)留巖墻控制爆破技術(shù)。預(yù)留巖墻作為天然屏障，防止爆破飛石逸出，既降低了緊鄰既有鐵路大方量爆破的施工難度，又有效地保護(hù)了既有線路的運(yùn)營安全。預(yù)留巖墻的一側(cè)為需要保護(hù)的鐵路，巖墻結(jié)束使命之后的拆除成為整個工程的重點［1］。

國內(nèi)很多專家對預(yù)留巖墻的拆除進(jìn)行了研究，孟海利［2］認(rèn)為爆破最佳效果是受保護(hù)側(cè)的巖體裂而不散，結(jié)合淺孔和深孔控制爆破的優(yōu)點，提出一種大孔徑寬孔距淺孔控制爆破方法，并給出詳細(xì)爆破參數(shù)，成功應(yīng)用在復(fù)線鐵路石方爆破開挖工程中。楊琳等［3］總結(jié)了巖墻3 種爆破拆除技術(shù)，認(rèn)為淺孔控制爆破增加了爆破次數(shù)和防護(hù)工作量，開挖速度慢；水平炮孔爆破方法危險性高；采用深孔控制爆破技術(shù)拆除預(yù)留巖墻保證了開挖安全、縮短了施工耗時、有利于降低成本，并在安托山整治工程中成功應(yīng)用于預(yù)留巖墻的爆破拆除。

渝懷二線Ⅳ標(biāo)漾頭車站石方控制爆破開挖方案則是利用預(yù)留巖墻的爆破技術(shù)，為了確保既有鐵路的運(yùn)營安全，采用精準(zhǔn)淺孔控制爆破技術(shù)拆除預(yù)留巖墻，巖墻現(xiàn)場情況見圖1。

以該工程為研究背景，認(rèn)為在巖墻爆破拆除時，保證巖墻靠近鐵路一側(cè)僅振裂而不滾落，既保證了既有鐵路的安全，同時便于后期機(jī)械開挖，預(yù)留巖墻的位置見圖2。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)巖墻爆破拆除時抵抗線為1 m 的前提下，探究最后一排炮孔與巖墻后側(cè)邊界之間的極限距離。通過二維有限元軟件建立巖墻單孔爆破計算模型，模擬研究爆破應(yīng)力波在巖墻中的傳播情況，從而分析得出極限距離。

1 預(yù)留巖墻爆破風(fēng)險分析

隨著最后一排炮孔與預(yù)留巖墻后側(cè)邊界之間的距離不斷減小，必然存在某一極限值使得巖墻爆破后，其后側(cè)邊界處只發(fā)生裂紋，而沒有出現(xiàn)碎石滾落、侵線等現(xiàn)象。

為確保既有鐵路的運(yùn)營安全，使巖墻爆破拆除實現(xiàn)最佳效果，分析認(rèn)為巖墻爆破拆除時，保護(hù)物側(cè)的巖墻邊界掉塊原因有3 種［4-5］：①炸藥爆炸后，爆炸應(yīng)力波在巖墻中傳播，遇到巖墻后側(cè)邊界自由面時，發(fā)生應(yīng)力波反射，由壓應(yīng)力波轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力波，當(dāng)拉應(yīng)力波超過巖體的抗拉強(qiáng)度時，巖墻將產(chǎn)生裂隙或掉塊；②爆破產(chǎn)生的擾動傳播到巖墻后側(cè)邊界時，導(dǎo)致該處的爆破振動速度過大，微弱結(jié)構(gòu)面、危石或孤石等發(fā)生瞬時位移，無法自穩(wěn)，從而滾落；③抵抗線不合理，巖墻前側(cè)巖體爆破時拋擲阻力過大，后側(cè)巖體同時受到較大的后沖力，后側(cè)邊界薄弱巖塊被彈出滾落。

2 數(shù)值計算

擬采用二維有限元法對巖墻爆破過程進(jìn)行模擬分析，建立預(yù)留巖墻爆破拆除模型，保持最小抵抗線、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)等不變，僅變化炮孔與巖墻后側(cè)邊界的距離，探索巖墻靠近鐵路一側(cè)僅振裂而不滾落時炮孔與此側(cè)面的極限距離。

2.1 建立模型

為突出爆炸應(yīng)力波在巖石中的傳播情況，對巖墻縱剖面的單孔爆破進(jìn)行數(shù)值模擬。利用模擬軟件分別建立炮孔與巖墻后側(cè)邊界距離L為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m的5種爆破模型。考慮到巖石、炸藥和空氣3 種材料的相互作用，且為了防止網(wǎng)格在計算過程因嚴(yán)重畸變而出錯等問題，選用流固耦合算法，即巖石采用Lagrange（拉格朗日）算法［6］，炸藥和空氣采用Arbitrary Lagrange-Euler（任意拉格朗日—?dú)W拉，簡稱ALE）算法［7］。由于網(wǎng)格密集，為了減少計算耗時，建立二維網(wǎng)格模型。

選定模型尺寸：X方向總長28 m，Y方向總長14 m，鐵路距離巖墻坡腳5 m，底部有寬0.5 m，深1 m 的容石槽。炮孔至前側(cè)邊界距離為1 m，為炮孔抵抗線。巖墻后側(cè)邊界坡率1∶0.11，炮孔直徑42 mm，炸藥直徑32 mm，孔深2.5 m，填塞長度1.75 m，采用不耦合裝藥方式，計算模型如圖3所示。為研究巖墻后側(cè)邊界巖體的應(yīng)力變化規(guī)律，選取巖墻后側(cè)邊界與炸藥中點平行的單元為應(yīng)力監(jiān)測點。

2.2 參數(shù)的選取

巖墻爆破采用高能燃燒模型及JWL 狀態(tài)方程表示炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力［8］，JWL狀態(tài)方程為

式中，P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力，GPa；A，B，R1，R2和ω均為與材料相關(guān)的常數(shù)；V為炸藥的相對體積，m3；E0為炸藥的初始內(nèi)能密度，GPa。炸藥相關(guān)參數(shù)見表1。

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炮孔填塞材料本構(gòu)模型與巖墻一致，選用在大變形、高應(yīng)變率和高壓等條件下，能反映巖體的動態(tài)力學(xué)性能的材料本構(gòu)模型模擬［9］，巖墻物理力學(xué)參數(shù)見表2。空氣采用空氣材料本構(gòu)模型模擬，密度為0.129×10-2g/cm3。考慮到炮孔周邊巖體受壓破壞，炮孔遠(yuǎn)區(qū)巖體主要體現(xiàn)為受拉破壞，為模擬出爆破空腔和爆破裂紋的效果，通過單元失效關(guān)鍵字定義巖體抗壓和抗拉強(qiáng)度極限［10］。

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巖墻二維計算模型X方向兩側(cè)邊界和Y方向底部邊界均設(shè)置為入射波吸收邊界，以模擬無限域情況。模型由2D Solid162 平面單元的四邊形和三角形網(wǎng)格劃分組成。設(shè)置炸藥底部中心起爆，模擬時長為0.01 s。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 巖墻爆炸應(yīng)力波傳播

圖4是L為1.5 m時，巖墻爆破過程中爆炸應(yīng)力波傳播過程的有效應(yīng)力云圖。從圖中可知：炸藥從炮孔底部起爆，沿炸藥長度方向穩(wěn)定傳爆，由于爆炸產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力超過巖體的極限抗壓強(qiáng)度，故炮孔周邊出現(xiàn)爆炸空腔，爆炸應(yīng)力波在巖體中以圓形形式向外傳播。爆炸應(yīng)力波首先遇到巖墻前側(cè)邊界，發(fā)生反射，反射應(yīng)力波為拉應(yīng)力波，超出巖體的極限抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巖體產(chǎn)生裂紋。隨著時間推移，爆炸應(yīng)力波在巖墻后側(cè)邊界也發(fā)生應(yīng)力波反射，產(chǎn)生反射拉應(yīng)力波大于巖體極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巖墻后側(cè)邊界部分單元失效。所以，反射拉應(yīng)力波的大小直接影響巖墻側(cè)邊界的完整性。

3.2 巖墻后側(cè)邊界單元應(yīng)力變化規(guī)律

繪制各工況最大壓應(yīng)力曲線見圖5，各工況最大拉應(yīng)力曲線見圖6。

由圖5 中可知，L為1.5 m 時，最大壓應(yīng)力值為1.68 MPa，隨著L不斷增大，測點最大壓應(yīng)力峰值持續(xù)降低。L為3.0 m 時，最大壓應(yīng)力值降至1.10 MPa，相比L為2.0 m 時，降低了30.38%，曲線在L為3.5 m時出現(xiàn)拐點，最大壓應(yīng)力值衰減速度變慢。各工況下，巖墻后側(cè)邊界測點的最大壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于巖體的極限抗壓強(qiáng)度，巖墻不會出現(xiàn)受壓破壞。

由圖6 中可知，L為1.5 m 時，最大拉應(yīng)力值為4.98 MPa，接近巖體的極限抗拉強(qiáng)度，極易使巖墻破壞。L為2.5 m 時，最大拉應(yīng)力值大幅度衰減，曲線出現(xiàn)拐點。當(dāng)L大于2.5 m 時，最大拉應(yīng)力值衰減速度變慢，低于巖墻的極限抗拉強(qiáng)度，爆破應(yīng)力波將不會對巖墻后側(cè)邊界產(chǎn)生較大破壞影響。

由圖4中可知，巖墻爆破裂縫擴(kuò)展及爆破應(yīng)力波傳播過程云圖中L為1.5 m 時，巖墻后側(cè)邊界附近巖體破壞，可得當(dāng)巖墻最小抵抗線為1 m 時，最后一排炮孔與巖墻后側(cè)邊界之間的距離為1.5～2.5 m 時，爆破應(yīng)力波將會對巖墻后側(cè)邊界造成破壞。綜合以上，在保證巖墻靠近鐵路一側(cè)僅振裂而不滾落情況下，L的極限距離為2.5 m，即為抵抗線的2.5倍。

4 結(jié)論與不足

（1）通過監(jiān)測巖墻后側(cè)邊界附近測點爆破應(yīng)力的變化情況，得到各工況下，巖墻后側(cè)邊界測點的最大壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于巖體的極限抗壓強(qiáng)度，爆破應(yīng)力反射波產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過巖墻的極限抗拉強(qiáng)度，巖墻后側(cè)邊界出現(xiàn)掉塊、裂紋等破壞現(xiàn)象，巖墻后側(cè)邊界受拉破壞。結(jié)合爆破有效應(yīng)力云圖和最大拉應(yīng)力曲線，可知在保證巖墻靠近鐵路一側(cè)僅振裂而不滾落情況下，最后一排炮孔與巖墻后側(cè)邊界之間的極限距離為2.5 m，即為抵抗線的2.5倍。

（2）本研究中二維有限元數(shù)值模型在計算過程中還存在一些不足，比如文中提到的材料參數(shù)還需進(jìn)一步通過試驗確定，采用軟件中關(guān)鍵詞設(shè)定單元失效的方法來模擬爆破裂縫，計算中可能會產(chǎn)生誤差。