基于既有隧道結構安全性的露天平場爆破控制分析

劉立軍，付燁，肖保懷，白嵩，武立群

（1重慶市建筑科學研究院，重慶400050；2重慶市建設工程質量檢驗測試中心，重慶400050；3西南大學工程技術學院，重慶400700)

基于既有隧道結構安全性的露天平場爆破控制分析

劉立軍1，2，付燁1，肖保懷1，白嵩1，武立群3

（1重慶市建筑科學研究院，重慶400050；2重慶市建設工程質量檢驗測試中心，重慶400050；3西南大學工程技術學院，重慶400700)

既有運營中的佛龍崗隧道是某園區(qū)一橫線上的控制性工程。該隧道上方約20m處的場平采用露天中深孔爆破施工，如何控制爆破的藥量，達到既能保證隧道結構的安全又能縮短平場爆破的工期、減小爆破的費用，成為爆破控制的關鍵技術。該文運用LS-DYNA采用數(shù)值方法詳細分析了不同的爆破距離和爆破藥量下，隧道斷面的爆破振動速度和應力特征，并將計算結果與規(guī)范公式進行了對比分析，對同類工程有一定的參考意義。

下臥隧道；振動速度；爆破控制；應力特征；

引言

露天中深孔爆破廣泛地應用于場地平整、路塹開挖等基礎建設中，爆破施工技術得到了快速發(fā)展。相比之下，對中深孔爆破安全問題的研究還處于落后階段，其安全問題的首要公害就是爆破地震波對建構/筑物造成的破壞。各國學者致力于研究其產生機制和控制措施。近年來，由于平場爆破施工造成建構/筑物破壞的現(xiàn)象越來越多。許多工程實例已表明，爆破施工如不重視爆破振動的破壞作用并采取適當爆破控制措施，則可能會造成不必要的人員財產損失。關于爆破引起振速的計算，我國廣泛運用前蘇聯(lián)的薩道夫斯基公式，并寫入我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)作為計算質點振速的經驗公式，該公式主要考慮裝藥量和爆心距的影響，場地地形、地質條件采用衰減系數(shù)考慮，沒有考慮建/構筑物的自身特性和爆破振動對特定、復雜結構的安全性影響問題，尚需根據(jù)建/構筑物的自身特性進行準確的爆破振動模擬分析。

1 工程概況

某平場工程地形地貌屬山嶺坡地地形，地質構造簡單，石方以砂巖、泥巖為主，硬度系數(shù)f=4～6，巖層穩(wěn)定，場地內無地下水，擬采用控制爆破平場方式。該爆破平場區(qū)域下臥一既有運營中隧道（佛龍崗隧道），且平場標高距離隧道頂部標高僅約20m。隧道采用上下行分離式獨立雙洞，雙向六車道。該隧道左線長度905m，里程起訖樁號為K12+380-K13+285，右線長度902m，里程起訖樁號為K12+393-K13+295。隧址區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組，巖性為泥巖、砂巖。在隧道進洞口及隧道頂部覆蓋有第四系全新統(tǒng)殘坡積、崩坡積地層，在出洞口地帶覆蓋較厚的第四系殘坡積地層，在洞身段局部地面分布第四系全新統(tǒng)人工填土層。隧道區(qū)內未見滑坡、崩塌、泥石流、地面裂縫等不良地質現(xiàn)象。

佛龍崗隧道雙洞均為巖質隧道，圍巖分級為：（1）進洞口段，泥巖，圍巖級別為Ⅴ類；（2）洞身段1，泥巖，圍巖級別為IV類；（3）洞身段2，泥巖為主，夾薄～中厚層狀砂巖，圍巖級別為IV類；（4）洞身段3，砂巖，圍巖級別為IV類；（5）洞身段4，泥巖，圍巖級別為IV類；（6）洞身段5，砂巖，圍巖級別為IV類；（7）出洞口段，砂巖或土，圍巖級別為Ⅴ類。

佛龍崗隧道主要設計參數(shù)見表1。

表1 佛龍崗隧道支護結構主要設計參數(shù)

2 有限元模擬分析

2.1 計算模型

針對佛龍崗隧道最不利的襯砌結構斷面，采用ANSYS/LSDYNA軟件建立三維模型進行計算，LS-DYNA模塊為通用顯式動力分析程序，適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題。模型將隧道縱向作為X軸，鉛垂向上設定為Y軸，沿隧道掘進方向為Z軸。由于佛龍崗隧道具有20m的埋深，巖體的重量會對隧道結構產生一定的影響，故建模時對模型上部施加了重力加速度，模型上部按實際埋深建。為了減小邊界效應的影響，左右邊界取為6倍隧道洞寬，下邊界取為3倍隧道洞高。將計算模型的四個側面和底部均設為無反射的固定邊界，各邊界位移為零，地表設為自由邊界。有限元模型單元采用六面體單元，圍巖和隧道襯砌單元類型均采用Solid164單元，單元數(shù)為58838個。材料組成包括Ⅳ、Ⅴ級圍巖組成的巖石材料、錨桿材料、二次襯砌的混凝土材料。淺孔和中深孔爆破荷載通過爆炸沖擊波理論和爆炸氣體膨脹理論等效成爆破載荷壓力曲線（三角型脈沖荷載）簡化施加在開挖輪廓面上。三角形曲線的波峰載荷值的大小根據(jù)巖石密度、巖體的縱波速度、炸藥密度、炸藥爆速、爆炸的距離等參數(shù)換算確定。本模型計算取爆破荷載的加載時間為10ms，卸載時間為100ms，模擬的求解時間為0.5s。

2.2 計算結果

如圖1所示，對隧道模型選取關鍵部位的節(jié)點、單元等參數(shù)進行分析，A、E點分別代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱腳位置，B、D點分別代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱腰位置；C點代表佛龍崗隧道同一斷面上的拱頂位置。

圖1佛龍崗隧道斷面上的關鍵節(jié)點分布圖

2.2.1 振速計算結果

對距隧道不同距離、不同炸藥量的爆破振動效應下，佛龍崗既有隧道斷面上不同點的最大振速進行計算，結果如表2-表5。

2.2.2 質點振速歷程曲線

表2 爆破距離為20m時隧道斷面上關鍵點的計算速度

表3 爆破距離為30m時隧道斷面上關鍵點的計算速度

表4 爆破距離為40m時隧道斷面上關鍵點的計算速度

表5 爆破距離為50m時隧道斷面上關鍵點的計算速度

提取爆破距離為30m、炸藥量為80kg時，隧道斷面上C點的三向振速時間歷程曲線（圖2）以及綜合振速時間歷程曲線（圖3）。由曲線可知，在一次具體的爆破振動中，節(jié)點在爆破應力波的作用下，其振動速度將在極短時間內達到峰值，而后迅速衰減直至下次爆破應力波到來時再達到峰值。

圖2 X、Y、Z三向振速時程曲線

圖3綜合振速時間歷程曲線

2.2.3 隧道斷面最大應力分析

根據(jù)計算結果，可得到隧道斷面上各節(jié)點的主應力大小及歷程曲線。當控制爆破距離為20m且爆破藥量小于20kg、爆破距離為30m且爆破藥量小于65kg、爆破距離為40m且爆破藥量小于100kg、爆破距離為50m且爆破藥量小于130kg時，佛龍崗既有隧道斷面上的最大主應力均小于1.6MPa。

3 計算結果分析

按《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014推薦，用薩道夫斯基公式對佛龍崗既有隧道爆破振動速度進行計算，可得到不同距離、不同藥量下的爆破振動速度。其中，根據(jù)試爆結果，公式中的參數(shù)取值為：K=230，a=1.60。分別按有限元模擬計算和按薩道夫斯基公式計算的爆破振動速度如下表6。由此可見，采用有限元模擬計算的爆破振動速度比按安全規(guī)程計算的振動速度偏小，采用安全規(guī)程計算的振動速度來控制爆破藥量偏于保守。

表6 佛龍崗隧道爆破控制計算對比

4 結論

（1）本文基于LS-DYNA采用數(shù)值方法對平場爆破引起的既有下臥隧道的振動效應的分析方法是可行的，計算結果符合結構力學特征。該方法對于評估建設工程爆破施工對既有建筑物/構筑物的安全性影響有一定的借鑒意義。

（2）采用我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)的經驗公式計算質點的振動速度，主要考慮了裝藥量和爆心距的影響，而沒有考慮建/構筑物的自身特性，其計算結果，相比有限元模擬結果大體較保守，偏于安全，且當距離越小、藥量越小的時候，安全富余系數(shù)越大。

（3）當距離越遠、藥量越大的時候，有限元模擬結果的振動速度大于采用我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)的經驗公式計算質點的振動速度。因此，對復雜結構進行爆破振動計算時，應同時采用并進行綜合考慮各項因素的有限元模擬結果和規(guī)程經驗公式的計算結果的對比，在此基礎上進行爆破藥量控制。

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責任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Open Blasting Control Based on Existing Tunnel Structural Safety

The existing Folonggang tunnel in operation is a control project in an industrial park.Open deep hole blasting construction will be adopted for the field 20m above the tunnel.How to control blasting chemicals volume to assure tunnel structural safety,shorten blasting duration and reduce blasting cost becomes the key technology in blasting control.LS-DYNA and numerical method are applied to analyze tunnel section's vibration velocity and stress characteristics under different blasting distances and blasting chemical volumes,with calculation results and regulatory formula compared and analyzed for reference.

underlying tunnel;vibration velocity;blasting control;stress characteristics；

TU751.9

：A

：1671-9107（2016）11-0029-04

2016-08-11

劉立軍（1983-），男，內蒙古赤峰人，研究生，主要從事民用爆破控制與監(jiān)測研究，材料研究。