淺埋隧道爆破施工電子雷管降振延時(shí)時(shí)間的分析

康永全，孟海利，薛　里，孫崔源，管仁生( ．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京　0008; ．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　0008)

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淺埋隧道爆破施工電子雷管降振延時(shí)時(shí)間的分析

康永全1，孟海利2，薛里2，孫崔源1，管仁生1
( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081; 2．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:結(jié)合北京一地鐵隧道爆破開挖工程，利用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件模擬爆破現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)相鄰炮孔在不同延時(shí)時(shí)間下的應(yīng)力波疊加情況，研究逐孔起爆的振動(dòng)累積效應(yīng)，得到數(shù)碼電子雷管降低爆破振動(dòng)最佳的延時(shí)時(shí)間，并與現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:在該工程地質(zhì)條件下，孔間延時(shí)時(shí)間7 ms起爆時(shí)降振效果最明顯。在北京地鐵16號(hào)線08標(biāo)段的隧道爆破施工中采用這一延時(shí)時(shí)間，將爆破振動(dòng)控制在允許范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞:淺埋隧道數(shù)值模擬電子雷管延時(shí)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

近些年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市基礎(chǔ)交通設(shè)施的發(fā)展變得日益迫切，以地鐵為代表的城市軌道交通系統(tǒng)成為緩解特大城市交通擁堵的有效方式。目前，城市地下隧道硬巖段仍需要采用爆破技術(shù)掘進(jìn)。但由于市區(qū)復(fù)雜的周邊環(huán)境，除了對(duì)周圍重要的建筑物基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，更要考慮行車的安全、行人的心理感受等因素，這就對(duì)爆破振動(dòng)的控制提出了更嚴(yán)格的要求［1］。

電子雷管毫秒延時(shí)逐孔起爆產(chǎn)生的地震波振速峰值小、頻率高、主振相持續(xù)時(shí)間短，具有降振效果明顯、爆破效果良好的特點(diǎn)，為科學(xué)的爆破參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)［2-3］。毫秒延時(shí)逐孔起爆技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單孔依次順序起爆，將最大段裝藥量控制在一個(gè)炮孔的藥量范圍內(nèi)?？组g采用合理的間隔時(shí)間可以使得各炮孔的振動(dòng)信號(hào)錯(cuò)峰疊加或峰谷抵消疊加，從而大幅度地降低爆破地震波的危害。巖石破碎體在移動(dòng)拋擲過(guò)程中相互碰撞、擠壓，達(dá)到改善破碎效果的目的［4-5］。

隨著電子雷管爆破技術(shù)在各種復(fù)雜控制爆破工程中的廣泛應(yīng)用，關(guān)于如何確定合理的間隔時(shí)間已成為工程爆破技術(shù)人員普遍關(guān)心的問(wèn)題。但由于延時(shí)時(shí)間受諸多因素的影響，至今還沒(méi)有公認(rèn)的理論和公式［6］確定。電子雷管延時(shí)時(shí)間的設(shè)定成為爆破安全技術(shù)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文根據(jù)北京16號(hào)地鐵線隧道的工程地質(zhì)條件，采用顯式非線性動(dòng)力分析軟件LS-DYNA模擬兩個(gè)相鄰炮孔在0～11 ms不同延時(shí)時(shí)間下地震波的疊加干擾過(guò)程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，探討淺埋地鐵隧道電子雷管延時(shí)時(shí)間的選取，以充分發(fā)揮電子雷管精確延時(shí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和促進(jìn)毫秒延時(shí)逐孔起爆技術(shù)在地鐵隧道施工中的推廣和應(yīng)用。

1　工程簡(jiǎn)介

1. 1工程概況

北京地鐵16號(hào)線08標(biāo)段肖西區(qū)間中的區(qū)間風(fēng)井—西苑站采用礦山法施工。隧道埋深約20 m，為城市淺埋隧道。爆破段位于L1豎井至L2豎井之間，單線長(zhǎng)118. 2 m，爆破施工段示意如圖1。

圖1爆破施工段示意

爆破段場(chǎng)地位于永定河沖積扇中上部。隧道地層以強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖為主，洞身和底拱主要位于中風(fēng)化砂巖中。中風(fēng)化砂巖堅(jiān)硬，完整性好，巖芯多呈長(zhǎng)柱狀，飽和極限抗壓強(qiáng)度為91. 27～110. 70 MPa。

爆破段平行下穿圓明園西路，鄰近圓明園，行人、游客較多，爆破環(huán)境復(fù)雜。隧道西側(cè)與國(guó)際關(guān)系學(xué)院辦公樓最近水平距離為65 m，隧道東側(cè)臨近西苑北橋，水平距離為13 m。西苑北橋?yàn)槌鞘锌焖俾?，車流量較大，在爆破施工時(shí)屬于重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，爆破振動(dòng)需按2. 0 cm/s進(jìn)行控制，爆破周邊環(huán)境見圖2。由于隧道整體埋深較淺，工程地質(zhì)條件較差，開挖難度大;西苑公交樞紐站車輛、人流匯聚;周圍被保護(hù)建筑物密集，再加上本工程為北京地區(qū)五環(huán)內(nèi)首次使用爆破開挖的隧道工程。因此，必須采取嚴(yán)格的減振與防護(hù)措施，最大限度地保護(hù)周圍建筑物的安全和避免對(duì)居民、行人的干擾。

圖2爆區(qū)周邊環(huán)境及測(cè)點(diǎn)布置

1. 2爆破方案

爆破方案遵守“弱爆破、微振動(dòng)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的施工原則。采用分步分臺(tái)階開挖方案，嚴(yán)格控制炸藥單耗和單段最大藥量，控制爆破規(guī)模，以達(dá)到控制爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的目的。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料、周邊環(huán)境、巖體地質(zhì)條件，確定如下控制爆破方案:孔徑為42 mm，采用楔形掏槽方式，中間鉆4排掏槽孔，垂直深度1. 3 m，孔距0. 4 m，周邊采用光面爆破，孔深1. 2 m，孔距0. 5 m，單孔最大裝藥量為0. 9 kg，每次爆破進(jìn)尺深度1 m。采用電子雷管起爆網(wǎng)路，按順序逐孔起爆，孔間延時(shí)時(shí)間的選取通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)比分析來(lái)確定。

1. 3測(cè)點(diǎn)布置

由于西苑北橋離爆源最近，為控制爆破振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的不利影響，利用數(shù)值仿真的方法分析孔間不同延時(shí)起爆時(shí)西苑北橋的振動(dòng)情況，并在西苑北橋上布設(shè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每次爆破的振動(dòng)速度，評(píng)估對(duì)保護(hù)物的振動(dòng)影響。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，反饋到爆破設(shè)計(jì)方案中并及時(shí)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)。爆源與測(cè)點(diǎn)的距離大約25 m，測(cè)點(diǎn)( + )布置參見圖2。

2延時(shí)時(shí)間的數(shù)值分析

2. 1計(jì)算模型

根據(jù)16號(hào)線地鐵隧道的實(shí)際情況，利用ANSYS/ LS-DYNA軟件建立兩個(gè)間距40 cm的炮孔，計(jì)算不同間隔時(shí)間起爆測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化情況。為計(jì)算簡(jiǎn)便，將隧道掌子面三維空間模型簡(jiǎn)化為準(zhǔn)二維模型。模型尺寸為2 000 cm×2 000 cm×30 cm，炸藥尺寸為30 cm×30 cm×30 cm。建模時(shí)炸藥和巖石均使用映射法劃分網(wǎng)格，單元采用多物質(zhì)ALE算法，使用無(wú)反射邊界條件模擬半無(wú)限巖石介質(zhì)。由于炸藥和介質(zhì)的尺寸相差懸殊，為方便觀看，截取計(jì)算模型的局部放大圖如圖3所示。

圖3計(jì)算模型局部放大

2. 2材料參數(shù)和狀態(tài)方程

采用高能燃燒模型( MAT_HIGH _EXPLOSIVE _ BUR)模擬二號(hào)巖石乳化炸藥，該模型定義了爆炸產(chǎn)物壓力［7］。

炸藥爆炸后爆轟產(chǎn)物流動(dòng)行為將導(dǎo)致壓力與體積的變化，采用JWL( Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程描述爆轟C-J狀態(tài)后的壓力與體積、內(nèi)能之間的關(guān)系。JWL狀態(tài)方程形式如下

式中: p為壓力; E為初始比內(nèi)能; V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積; A，B，R1，R2，ω為炸藥參數(shù)。模擬中需輸入的乳化炸藥參數(shù)見表1。

表1乳化炸藥的數(shù)值模擬參數(shù)

巖石簡(jiǎn)化為均勻、單一的彈塑性介質(zhì)，材料模型采用彈塑性隨動(dòng)硬化材料( MAT_PLASTIC_KINEMATI)，需要輸入的參數(shù)為密度、彈性模量、泊松比、切線模量、失效應(yīng)變等。具體砂巖的力學(xué)性能參數(shù)見表2［8］。

2. 3計(jì)算結(jié)果與分析

1)兩孔不同時(shí)刻起爆應(yīng)力波的干擾過(guò)程

通過(guò)對(duì)單自由面雙孔毫秒延時(shí)爆破過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算，可動(dòng)態(tài)觀察爆破過(guò)程中藥包爆炸形成的應(yīng)力波傳播、反射、干涉等情況。圖4給出了兩孔間隔10 ms起爆時(shí)介質(zhì)中不同時(shí)刻的有效應(yīng)力云圖。

表2巖石的數(shù)值模擬參數(shù)

圖4炮孔應(yīng)力疊加云圖

巖石介質(zhì)中不同時(shí)刻的爆炸應(yīng)力云圖清楚地再現(xiàn)了爆炸應(yīng)力的產(chǎn)生、發(fā)展與重分布過(guò)程，兩個(gè)炮孔先后起爆會(huì)在某個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生應(yīng)力交集，通過(guò)應(yīng)力云圖可以查看應(yīng)力集中的區(qū)域。第一個(gè)炮孔起爆后爆炸應(yīng)力波以爆源為中心快速向四周傳播，并對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的破碎作用，緊接著第二個(gè)炮孔起爆，爆炸應(yīng)力波同樣向周圍迅速地?cái)U(kuò)散，在某個(gè)時(shí)刻追上第一個(gè)炮孔的應(yīng)力波，產(chǎn)生應(yīng)力波的疊加，從而延長(zhǎng)了對(duì)介質(zhì)的作用時(shí)間。

2)孔間不同延時(shí)時(shí)間振速的變化

為對(duì)毫秒延時(shí)爆破地震波疊加規(guī)律進(jìn)行定量分析，在LS-Prepost后處理程序中提取計(jì)算模型中與西苑北橋位置相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)2543，查看該節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)炮孔延時(shí)分別為0～11 ms時(shí)的垂向振動(dòng)速度時(shí)程曲線。圖5為孔間延時(shí)分別為0和7 ms時(shí)的速度時(shí)程曲線，圖6為第一個(gè)炮孔單獨(dú)起爆的振動(dòng)波形圖，并將對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度峰值整理繪制成折線圖，見圖7。由于邊界的透射性，振動(dòng)衰減得很緩慢，余振相的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故取前50 ms的振動(dòng)波形進(jìn)行分析。

圖5 0和7 ms延時(shí)振動(dòng)波形

圖6單孔爆破振動(dòng)波形(第一炮孔)

圖7孔間不同延時(shí)對(duì)應(yīng)的振速峰值

由圖7中振速峰值隨不同延時(shí)時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以清楚地看到逐孔起爆與齊發(fā)起爆的降振效果相比是非常明顯的:當(dāng)兩個(gè)炮孔同時(shí)起爆時(shí)，振動(dòng)較大，最大振動(dòng)速度達(dá)到了1. 53 cm/s，而當(dāng)兩孔延時(shí)起爆時(shí)，振動(dòng)明顯減小，降振率可達(dá)30%左右，說(shuō)明前后兩個(gè)振動(dòng)波產(chǎn)生疊加干擾，波峰與波谷相互抵消得較好。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)兩孔間延時(shí)在6～8 ms時(shí)，降振效果是比較突出的，在此區(qū)間內(nèi)7 ms延時(shí)的爆破振動(dòng)峰值將近為齊發(fā)爆破的一半，爆破振動(dòng)降低45%，為降振的最佳延時(shí)時(shí)間?？组g延時(shí)＞10 ms的振動(dòng)峰值幾乎為第一炮孔單孔起爆的振動(dòng)峰值(參見圖6)，說(shuō)明第二炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)波已經(jīng)追不上第一炮孔振動(dòng)波的主振相，近乎單孔連續(xù)起爆。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用

在地鐵隧道爆破全面施工前進(jìn)行了多次試爆以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，確定爆破現(xiàn)場(chǎng)降低爆破振動(dòng)最佳的孔間延時(shí)時(shí)間。西苑北橋上測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖8所示。

圖8西苑北橋測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)布置

隧道掌子面炮孔分掏槽孔、輔助孔和周邊孔三部分，每種類型炮孔延時(shí)100 ms。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行8次試爆，電子雷管的延時(shí)時(shí)間分別設(shè)定為5～9 ms，得到西苑北橋處地面的爆破振動(dòng)有效數(shù)據(jù)5組，見表3。

表3不同延時(shí)時(shí)間的振動(dòng)峰值

通過(guò)表3可看出在5～9 ms區(qū)間內(nèi)7 ms延時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度最小，主振頻率變大，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是比較吻合的，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

圖9為延時(shí)設(shè)定7 ms時(shí)現(xiàn)場(chǎng)一次爆破振動(dòng)時(shí)程曲線，爆破振動(dòng)速度峰值為1. 19 cm/s，出現(xiàn)在272 ms時(shí)，為掏槽孔區(qū)域。周邊孔和下臺(tái)階由于良好的臨空面振動(dòng)強(qiáng)度較小，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為1. 16，1. 25 s后波形消失(近乎直線)。波形疊加后振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍變大，主頻也隨之變大，這對(duì)保護(hù)物的安全是極為有利的。

圖9孔間延時(shí)7 ms爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)波形

數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)充分表明該隧道工程孔間最佳的延時(shí)時(shí)間為7 ms，采用該延時(shí)設(shè)定進(jìn)行隧道正常的爆破施工，嚴(yán)格控制了西苑北橋的振動(dòng)在安全允許范圍內(nèi)，極大地減小了爆破振動(dòng)的危害。爆后圍巖穩(wěn)定，無(wú)大的剝落和坍塌，斷面無(wú)大的起伏，掌子面附近爆堆比較分散，破碎塊度均勻適中，便于鏟裝，加快了后續(xù)的出渣工作，確保了工程質(zhì)量和施工工期。

4　結(jié)語(yǔ)

城市地鐵隧道爆破施工由于復(fù)雜的周邊環(huán)境，需對(duì)爆破振動(dòng)有害效應(yīng)嚴(yán)加控制。電子雷管成功解決了該類隧道工程中的問(wèn)題，并在破碎效果、循環(huán)進(jìn)尺、降振方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，為解決復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道爆破開挖的安全問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段。通過(guò)數(shù)值分析軟件模擬兩個(gè)炮孔不同延時(shí)的振動(dòng)疊加情況，結(jié)果表明設(shè)定延時(shí)時(shí)間在6～8 ms可達(dá)到良好的降振效果，7 ms的延時(shí)效果最佳。數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的情況比較吻合，并在北京地鐵隧道爆破工程中應(yīng)用，實(shí)踐證明孔間7 ms的延時(shí)嚴(yán)格控制了爆破振動(dòng)，確保了工程質(zhì)量和施工安全。

參考文獻(xiàn)“”范例(部分) 來(lái)源分類:期刊文章—［J］，普通圖書、專著—［M］，論文集、會(huì)議錄—［C］，學(xué)位論文—［D］，規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)—［S］，報(bào)告—［R］，未說(shuō)明文獻(xiàn)類型或資料類—［Z］。

［1］薛里，施龍焱，孫付峰．地鐵淺埋隧道爆破開挖振動(dòng)控制研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8( 4) : 791-795．

［2］張光雄，楊軍，盧紅衛(wèi)．毫秒延時(shí)爆破干擾降振作用研究［J］．工程爆破，2009，15( 3) : 17-21．

［3］楊仁樹，車玉龍，孫強(qiáng)，等．城市地鐵電子雷管爆破降振技術(shù)試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(增2) : 3741-3749．

［4］付天光．逐孔起爆技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究［D］．沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010．

［5］郭學(xué)彬，張繼春，劉泉，等．微差爆破的波形疊加作用分析［J］．爆破，2006，23( 2) : 4-8．

［6］吳騰芳，王凱，倪榮福．微差爆破間隔時(shí)間計(jì)算模型的探討［J］．工程爆破，1997，3( 4) : 59-62．

［7］LSTC．LS-DYNA Keyword User’s Manual［M］．Califonia: Livemore Software Technology Corporation，2001．

［8］孟海利，鄧志勇．預(yù)裂爆破降振規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］．鐵道建筑，2008( 1) : 74-78．

(責(zé)任審編趙其文)

［1］劉振民．雙塊式無(wú)砟軌道道床板混凝土裂縫的分析與防治［J］．鐵道建筑，2007( 6) : 99-101．

［2］吳宏偉，陳守義，龐宇威，等．雨水入滲對(duì)非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究［J］．巖土力學(xué)，1999，20 ( 1) : 57-61．

［3］趙國(guó)堂．高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

［4］康熊，錢立新，王瀾．既有鐵路行車綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究［C］/ /鐵道科學(xué)技術(shù)新進(jìn)展——鐵道科學(xué)研究院五十五周年論文集．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005: 18-25．

［5］趙洪雁，時(shí)福久．大秦線萬(wàn)噸列車對(duì)軌道的動(dòng)態(tài)影響分析及對(duì)策建議［C］/ /中國(guó)科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)鐵道分會(huì)場(chǎng)論文集．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2004: 30-35．

［6］楊勇．型鋼混凝土粘結(jié)滑移基本理論及應(yīng)用研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2003．

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)［2006］146號(hào)鐵路線路修理規(guī)則［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

［8］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院．常德至吉首高速公路巖門界隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．長(zhǎng)沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，2003: 56-62．

［9］周清躍．國(guó)內(nèi)外最新鋼軌標(biāo)準(zhǔn)匯編［Z］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2004．

本刊編輯部

Analysis of electronic detonator delay time for vibration-reducing in blasting excavation of shallow-buried tunnel

KANG Yongquan1，MENG Haili2，XUE Li2，SUN Cuiyuan1，GUAN Rensheng1
( 1．Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;
2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:In the background of Beijing subway tunnel blasting excavation engineering，the stress wave superimposition condition of two adjacent hole under different delay times on blasting spot was simulated by dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA for analyzing the blasting vibration cumulative effects of hole by hole and obtained the optimal delay time of digital electronic detonator for blasting vibration-reducing．T he calculation results were compared with those obtained from the field blasting test．T he results showed that the hole spacing delay time at 7 ms was the most obvious effect of blasting vibration-reducing in this engineering geological condition．Finally the delay time was applied in the blasting construction of tunnel at 08 section on No．16 M etro Line in Beijing，the blasting vibration velocity is controlled in the safety limit．

Key words:Shallow-buried tunnel; Numerical simulation; Electronic detonator; Delay time; Field test

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0043-04

中圖分類號(hào):U455．41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．09

作者簡(jiǎn)介:康永全( 1990—)，男，碩士研究生。

基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目( 2014YJ028)

收稿日期:2015-11-05;修回日期: 2015-12-06