“短孔卸壓降振法”對周邊孔爆破減振效果的研究

李梓源， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室， 山東 青島 266510)

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“短孔卸壓降振法”對周邊孔爆破減振效果的研究

李梓源， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室， 山東 青島 266510)

為了解“短孔卸壓降振法”對周邊孔最大振速的影響程度，利用多自由面削減能量的原理，首先采用ANSYS-DYNA數(shù)值模擬軟件對設(shè)置“卸壓短孔”前后的斷面模型進行計算分析，其次結(jié)合現(xiàn)場對設(shè)置“卸壓短孔”前后的隧道斷面爆破試驗，提取爆破后的振速圖進行對比論證，從而得出設(shè)置“卸壓短孔”前的斷面爆破振速大于設(shè)置后的斷面爆破振速的結(jié)論。結(jié)果表明： 1)使用“短孔卸壓降振法”后，斷面周邊孔振動速度有所降低； 2)采用“短孔卸壓降振法”進行控制爆破后，隧道開挖輪廓線成型平整，超欠挖現(xiàn)象顯著減少。

地鐵隧道； 周邊孔爆破； 短孔卸壓降振法； 數(shù)值模擬； 試驗； 振動速度

0 引言

城市地鐵隧道的大規(guī)模興建使工程爆破技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。爆破技術(shù)在方便快捷服務(wù)于地下工程的同時，帶來的負(fù)面影響尤其是爆破振動對地表建(構(gòu))筑物的擾動已不容忽視。為此，國內(nèi)學(xué)者對控制爆破振動做了很多研究。張湘冀等[1]運用LS-DYNA3D程序?qū)Ψ忾]巖體中的爆炸過程進行了數(shù)值模擬，模擬得出的質(zhì)點振動速度峰值與理論公式計算出的結(jié)果基本相符； 王振毅等[2]根據(jù)某水電站地下導(dǎo)流洞拉槽爆破對于鄰洞振動影響的測試實例，采用拉格朗日算法建立簡化模型，模擬研究了隧洞開挖爆破過程中鄰近洞室質(zhì)點的振動速度特點； 任永強等[3]采用ANSYS-LS-DYNA動力有限元數(shù)值模擬方法對爆破動力荷載強度進行了研究，證明動力有限元數(shù)值模擬法提出的邊坡速度、位移和塑性區(qū)變化能較真實地反映動力響應(yīng)結(jié)果以及爆破振動的擾動作用； 操鵬等[4]利用有限元分析軟件ANSYS進行了數(shù)值模擬，研究了精確延時控制爆破作用下不同毫秒延期時間對爆破振動強度的影響； 邵珠山等[5]采用LS-DYNA動力有限元軟件對不同凈間距時的新建隧道和既有隧道進行了數(shù)值模擬，研究了小凈距下復(fù)線隧道的施工爆破對既有隧道的影響； 宋全杰等[6]通過測試爆破區(qū)后方測爆連線與層理走向不同夾角方向的一系列測點的振動速度值，研究出與層理走向不同夾角方向的爆破振動衰減規(guī)律； 劉冬等[7]和黃明利等[8]通過合理調(diào)整施工工法，提出了有效的爆破振動控制技術(shù)； 汪學(xué)清等[9]在利用中深孔光面爆破技術(shù)進行井下巖石巷道掘進的過程中，優(yōu)化了周邊眼間距和裝藥量，使光面爆破效果更好； 呂淵等[10]通過從周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量、炮眼直徑、炮眼間距和炮眼深度等角度出發(fā)，對光面爆破進行了研究； 田洪文[11]結(jié)合具體的隧道工程施工實例，簡要探討了光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)學(xué)者多集中在利用模擬軟件或試驗對爆破過程進行分析計算，從宏觀角度，如隧道洞徑、圍巖條件和層理走向等，找出有關(guān)于振動速度的規(guī)律性結(jié)論，而將2種方法結(jié)合起來進行炮眼布置分析的較少； 并且對于實現(xiàn)光面爆破的手段也僅局限于改變周邊孔的參數(shù)和光爆層的厚度。結(jié)合模擬軟件與現(xiàn)場試驗，從斷面周邊孔布置的角度對爆破過程進行綜合分析，不僅得出相應(yīng)減振結(jié)論，而且通過卸壓短孔將周邊孔內(nèi)炸藥的多余爆轟能量泄出，進而減小了多余能量對隧道圍巖的影響，對實現(xiàn)光面爆破有積極意義。

1 “短孔卸壓降振法”減振原理

由巖石爆破作用原理知，爆破后的巖石向自由面破壞和移動。增加自由面的個數(shù)，可以在明顯改善爆破效果的同時，顯著地降低爆破振動[12]。從能量的角度分析也不難得出，隨著自由面數(shù)量的增加，爆破地震波質(zhì)點振動速度峰值降低，主頻增加且主頻帶變寬，峰值能量降低； 低頻部分占總能量的比例降低，且持續(xù)時間變短[13]?；谝陨?個不同角度的分析，可知自由面越充分，爆破地震的危害效應(yīng)越低，所以，合理利用地形條件或人為地創(chuàng)造自由面，往往可以達到事半功倍的效果。

周邊孔位于隧道輪廓線上，與地表被保護對象的距離最近。根據(jù)薩道夫斯基公式

(1)

式中： v為被保護對象所在地質(zhì)點的振動安全允許速度，cm/s； R為爆源與需要保護的建筑物之間的距離，m； Q為掏槽眼起爆時最大一段炸藥量，kg； K、α分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

在其他條件不變的情況下，周邊孔與被保護對象之間的距離越小，對被保護對象的振動、擾動越大。利用自由面原理，在周邊孔內(nèi)部布置“卸壓短孔”，如圖1所示，從而在周邊孔內(nèi)側(cè)創(chuàng)造出新的自由面，使一部分地震波沿最小抵抗線的方向傳入“卸壓短孔”，進而削減了傳向地面的振動能量，起到減小振動的作用。

圖1 “短孔卸壓降振法”爆破減振作用原理示意圖(單位： mm)

Fig. 1Workingprincipleofshort-holepressurerelievingandvibrationreductionmethod(mm)

2 基于LS-DYNA的顯式動力時程分析

2.1 計算模型

為說明“短孔卸壓降振法”對地表被保護建筑物的影響，利用ANSYS-DYNA有限元模擬軟件，對采用“短孔卸壓降振法”前后的隧道斷面分別建立基礎(chǔ)模型。由于隧道斷面的形狀對爆破振動不產(chǎn)生影響[14]，從建模的可行性考慮建立帶有炮孔的2個長方體模型進行分析，模型規(guī)格均為1 m×1 m×7 m(長×寬×高)。模型1為不采用“短孔卸壓降振法”周邊孔的斷面模型，在距離模型底面0.5 m處，中心對稱向兩側(cè)設(shè)置2個間距為0.6 m、深度為1.0 m的裝藥炮孔，2個炮孔設(shè)置為同段起爆，如圖2所示； 模型2為采用“短孔卸壓降振法”周邊孔斷面模型，除了與模型1在相同位置設(shè)置2個裝藥孔外，還在距離2個裝藥炮孔中心0.2 m上方設(shè)置一個0.5 m深的空孔，如圖3所示。

模型采用solid 164實體單元，并進行映射網(wǎng)格劃分，炮孔軸向和徑向方向網(wǎng)格劃分較為密集，為方便計算，其他部分網(wǎng)格劃分較為稀疏。模型1單元數(shù)為99 840，節(jié)點數(shù)為108 591； 模型2單元數(shù)為124 160，節(jié)點數(shù)為134 577。對模型進行材料賦值，炸藥材料為乳化炸藥，參數(shù)見表1； 另一種為巖石材料，參數(shù)見表2。模型頂部邊界為固定邊界，代表地表自由面； 為減少動荷載作用下邊界反射波的影響，其余側(cè)面邊界均設(shè)為無反射邊界。實際建模中為簡化運算，對只建立一組“卸壓短孔”和周邊孔的模型進行計算分析。

表1 乳化炸藥性能參數(shù)

表2 巖石材料物理力學(xué)參數(shù)

炸藥爆炸后，爆轟產(chǎn)物的流動行為將引起壓力與體積的變化，采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程描述爆轟C-J狀態(tài)后壓力與體積、內(nèi)能之間的關(guān)系[15]。JWL狀態(tài)方程形式為

(2)

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

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2個模型選取相同測點，質(zhì)點為距離爆心6.5m的模型頂面中心質(zhì)點，頂面為地表自由面。模型1選取質(zhì)點36 629作為振動監(jiān)測點，模型2選取質(zhì)點25 697作為振動監(jiān)測點。通過后處理軟件，分別對2個質(zhì)點的合振速進行提取，振動曲線如圖4和圖5所示。

圖4 測點振動曲線圖(模型1)

圖5 測點振動曲線圖(模型2)

由圖4和圖5可看出，t為0～2.3×103μs振速曲線平直無變化，對應(yīng)合振速為0cm/s，分析可知此時間段為炸藥爆炸后地震波向模擬地表的傳播階段； t=2.4×103μs后，2條曲線均呈上下波動趨勢，且振幅隨時間依次衰減，分析可知地震波向地表自由面?zhèn)鞑サ倪^程是一個能量逐漸衰減的過程，地表質(zhì)點的振動速度隨地震波傳播能量的削減而減小。

由圖4可知，模型1的最大振速出現(xiàn)在曲線t=4.2×103μs的波峰位置，對應(yīng)合振速的最大值為0.47cm/s； 由圖5可知，模型2的最大振速出現(xiàn)在曲線t=3.6×103μs的波峰位置，對應(yīng)合振速的最大值為0.26cm/s。綜上可知，模型2的合振速最大值與模型1相比有明顯的減小。經(jīng)分析得，在模型2中，距離2個炮孔中心位置0.2m處設(shè)置有一個0.5m深的中空“卸壓短孔”，根據(jù)巖石爆破作用原理[11]，地震波將朝著最小抵抗線的方向傳播，由于“卸壓短孔”內(nèi)部為空心構(gòu)造，相當(dāng)于在2個裝藥孔間創(chuàng)造了一個新的自由面，裝藥孔至“卸壓短孔”間最小距離即為最小抵抗線。裝藥孔在爆炸后，一部分爆轟能量會向“卸壓短孔”處并朝著最小抵抗線的方向溢散。因此，采用“短孔卸壓降振法”的斷面相比于傳統(tǒng)炮眼布置斷面，地震波在向地表傳播時會削減一部分能量，從而達到減振的作用。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗現(xiàn)場概況

青島地鐵延安路車站位于延安路海信立交橋南側(cè)，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進行主體部分的暗挖工程。車站為單拱雙層結(jié)構(gòu)，全包防水，車站中心里程處拱頂覆土約17m，沿延安三路南北方向布置。車站起訖里程YSK27+687.017～+885.817，施工范圍內(nèi)建筑物密集分布，位于車站西側(cè)的166號樓為毛石條形基礎(chǔ)，7層(部分為6層)磚混結(jié)構(gòu)，抗震性差，為重點保護對象。延安路車站主體Ⅳ部上臺階開挖斷面寬7.8m，高3.9m，斷面面積18.7m2。本區(qū)內(nèi)基巖以粗粒花崗巖為主，圍巖等級Ⅳ—Ⅴ級。

3.2 試驗方案

整個隧道斷面分2次開挖，Ⅰ部為先開挖部分，一級掏槽眼間距為1.0m，深度為0.6m，角度為60°，單孔裝藥量為0.2kg； 二級掏槽眼間距為2.0m，深度為1.2m，角度為65°，單孔裝藥量為0.3kg； 其他輔助眼間距為0.6m，排距為0.5m，深度為1.1m，單孔裝藥量為0.2kg。Ⅰ部開挖后，Ⅱ部再進行爆破。Ⅱ部為試驗部分，通過改變周邊孔設(shè)計，對設(shè)置“卸壓短孔”的前后方案產(chǎn)生的不同爆破效果進行對比，以此確定模擬結(jié)果是否符合實際，減振方法是否有效。本試驗遵循單一變量原則，方案1采用周邊孔傳統(tǒng)布孔方式，周邊孔沿隧道邊界輪廓線布置，炮孔間距為0.6m，深度為1.1m，外插角為3°，單孔裝藥量為0.2kg，雷管段位設(shè)置為兩兩一段，如圖6所示。

方案2為減振方案，除采用傳統(tǒng)布孔方式外，在距離兩相鄰周邊孔連線中心0.2m處，加設(shè)深度為0.5m的不裝藥空孔，如圖7所示。

(a) 炮眼布置示意圖

(b) 試驗現(xiàn)場圖

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗采用中科TC-4850測振儀獲取振動數(shù)據(jù)，測振儀安放在延安三路車站主體Ⅳ部掌子面正上方靠近166號樓最近的位置。分別對方案1和方案2進行振動測量，為了提高分析效率，突出研究重點，僅對周邊孔起爆時產(chǎn)生的振速進行了測量分析。根據(jù)現(xiàn)場的炮眼布置，可知周邊孔的延期雷管段數(shù)為6～9段，即150～310ms。通過BlastingVibrationAnalysis軟件對已測振速進行提取，方案1和方案2的振速曲線如圖8和圖9所示。

圖8 試驗實測振速曲線(方案1)

由圖8可看出： 方案1周邊孔爆破后，整體振速為-0.35～0.37cm/s； 當(dāng)t=0.194s時，周邊孔最大爆破振動速度為0.375cm/s。

圖9 試驗實測振速曲線(方案2)

由圖9可看出： 方案2周邊孔爆破后，整體振速為-0.20～0.22cm/s； 當(dāng)t=0.213s時，周邊孔最大爆破振動速度為0.221cm/s。由上述數(shù)據(jù)分析可得， 0.221cm/s<0.365cm/s，即方案2對地表被保護對象的振動擾動與方案1相比有所降低。可見，“短孔卸壓降振法”確實對周邊孔的爆破起到了減振作用，故而從實踐的角度論證了“短孔卸壓降振法”對控制周邊孔振速的可行性。

從現(xiàn)場爆破效果來看，采用“短孔卸壓降振法”進行爆破作業(yè)后，在5個爆破循環(huán)中，基本無欠挖，眼底最大超挖值為100mm，平均超挖值為50mm，斷面成型質(zhì)量良好，開挖輪廓線平整光滑，基本無超欠挖現(xiàn)象。根據(jù)最小抵抗線原理[15]分析可知，在周邊孔爆破后，炸藥的多余能量可以沿著最小抵抗線的方向朝空孔內(nèi)自由面溢出，不會對隧道輪廓線外圍巖造成損傷。

4 結(jié)論與建議

對同段起爆的兩相鄰周邊孔進行減振研究，引出“短孔卸壓降振法”控制爆破振速的假想，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗可得出以下結(jié)論：

1)通過利用“短孔卸壓降振法”對兩同段起爆周邊孔的爆破振動速度進行控制，并將數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗的結(jié)果進行對比分析可知，模擬爆破最大振速由0.375cm/s降低為0.334cm/s，試驗爆破最大振速由0.365cm/s降低為0.221cm/s，證明此減振方法有一定的參考價值。

2)因現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜多變，利用ANSYS-DYNA軟件進行數(shù)值模擬，計算得出的振速結(jié)果與現(xiàn)場試驗所得實測數(shù)據(jù)有一定的偏差，但數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)曲線仍可顯示出大致趨勢。

3)地鐵隧道因其埋深較淺，除考慮掏槽眼帶來的振動外，還應(yīng)注意對地表被保護對象較近的周邊孔進行控制。

4)采用“短孔卸壓降振法”進行周邊孔控制爆破，對保證隧道輪廓線成型平整，減少超欠挖現(xiàn)象具有積極意義。

5)在實際應(yīng)用時，若有條件建議對裝藥眼進行堵塞，可進一步改善爆破效果。

[1] 張湘冀,石少卿,尹平,等.爆炸地震波對地面結(jié)構(gòu)影響效應(yīng)的數(shù)值模擬[J].爆破,2004,21(1): 5-8.(ZHANGXiangji,SHIShaoqing,YINPing,etal.Numericalsimulationoftheeffectofblastingseismicwavesongroundstructure[J].Blasting, 2004, 21(1): 5-8.(inChinese))

[2] 王振毅,李靜,胡銳.基于LS-DYNA的某鄰近洞室爆破振動模擬分析[J].爆破,2010,27(1): 104-106.(WANGZhenyi,LIJing,HURui.SimulationandanalysisofblastingvibrationnearchamberbyLS-DYNA[J].Blasting, 2010, 27(1): 104-106. (inChinese))

[3] 任永強,張家銘,李曄,等.基于數(shù)值模擬技術(shù)的爆破動力荷載對邊坡的穩(wěn)定性影響研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2013(5): 262-268.(RENYongqiang,ZHANGJiaming,LIYe,etal.Studyofinfluenceofblastingdynamicloadonslopestabilitybasedonnumericalsimulation[J].JournalofNaturalDisasters, 2013(5): 262-268.(inChinese))

[4] 操鵬,鐘冬望,何理,等.臨近邊坡精確延時控制爆破實驗及數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(3): 6-10.(CAOPeng,ZHONGDongwang,HELi,etal.Experimentalandnumericalsimulationstudyofcontrolledblastingwithprecisiondelaytimenearbyslope[J].ScienceTechnologyandEngineering, 2016,16 (3): 6-10. (inChinese))

[5] 邵珠山,李萍萍,王新宇.小凈距隧道爆破振動危害的主動控制研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2014(2): 230-235.(SHAOZhushan,LIPingping,WANGXinyu.Activecontrolofblast-induceddamageoftunnelswithsmallspacing[J].ChineseJournalofAppliedMechanics, 2014(2): 230-235.(inChinese))

[6] 宋全杰,李海波,李俊如,等.層理對爆破振動傳播規(guī)律的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(10): 2103-2108.(SONGQuanjie,LIHaibo,LIJunru,etal.Influenceofstratificationonattenuationlawofblastingvibration[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2012, 31(10): 2103-2108.(inChinese))

[7] 劉冬, 高文學(xué), 侯炳暉.淺埋隧道爆破開挖與控制技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2013,9(增刊1): 1730-1733.(LIUDong,GAOWenxue,HOUBinghui.Blastingexcavationandcontroltechnologyofshallowburiedtunnel[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2013, 9(S1): 1730-1733.(inChinese))

[8] 黃明利,孟小偉,譚忠盛,等.淺埋隧道下穿密集房屋爆破減震技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2012,8(2): 423-427.(HUANGMingli,MENGXiaowei,TANZhongsheng,etal.Researchontheblastingshockabsorptiontechnologyforshallow-buriedtunnelunder-traversingthedensehouses[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2012, 8 (2): 423-427.(inChinese))

[9] 汪學(xué)清,宗爽.中深孔光面爆破周邊眼間距問題的研究[J].煤炭技術(shù), 2014, 33(2): 61-63.(WANGXueqing,ZONGShuang.Researchoninter-holedistanceofneighboringholeformedium-deep-holesmoothblastingtechnology[J].CoalTechnology, 2014, 33(2): 61-63.(inChinese))

[10] 呂淵,張登龍.光面爆破施工中關(guān)于周邊眼參數(shù)的探討[J].煤礦爆破,2002(1): 6-9.(LYU Yuan, ZHANG Denglong. Study of peripheral hole parameters of smooth blastingl[J]. Coal Mine Blasting, 2002(1): 6-9. (in Chinese))

[11] 田洪文.控制爆破技術(shù)在隧道工程中的運用[J].公路交通科技, 2016 (6): 253-254.(TIAN Hongwen. Application of controlled blasting technique to tunnel engineering[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2016 (6): 253-254. (in Chinese))

[12] 王海亮.工程爆破[M].北京： 中國鐵道出版社,2010.(WANG Hailiang. Engineering blasting[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2010.(in Chinese))

[13] 池恩安,趙明生,梁開水,等.自由面數(shù)量對爆破地震波時頻特性影響分析[J].爆破,2013,30(2): 16-20.(CHI En’an, ZHAO Mingsheng, LIANG Kaishui, et al. Influence of number of free surface on time-frequency characteristics of blasting seismic wave[J]. Blasting, 2013, 30(2): 16-20.(in Chinese))

[14] 王繼榮,楊影.淺談?wù)谱用嫘螤顚λ矶幢频挠绊慬J].水利水電技術(shù),2004,35(7): 61-62.(WANG Jirong, YANG Ying. The effect of heading face geometry on the blasting of tunnel[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2004, 35(7): 61-62.(in Chinese))

[15] 高蔭桐,龔敏,譚權(quán),等.定向爆破拋擲距離與最小抵抗線關(guān)系研究[J].爆破,2004,21(3): 1-4.(GAO Yintong, GONG Min, TAN Quan, et al. Relationship between casting distance and burden in directional blasting[J]. Blasting, 2004, 21(3): 1-4. (in Chinese))

Study of Influence of Short-hole Pressure Relieving and Vibration Reduction Method on Blasting Vibration Reduction Effect of Peripheral Holes

LI Ziyuan, WANG Hailiang

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266510,Shandong,China)

In order to study the influence of short-hole pressure relieving and vibration reduction method on the blasting vibration reduction effect of peripheral holes, the tunnel cross-section model before and after setting pressure reducing short holes are calculated and analyzed by ANSYS-DYNA numerical simulation software; the blasting tests are carried out on tunnel cross-section before and after setting pressure reducing short holes; and then comparison is made on vibration velocity diagrams collected before and after setting of pressure reducing short holes. The results show that: 1) The blasting vibration velocity of peripheral holes after using short-hole pressure relieving and vibration reduction method is smaller than that before using short-hole pressure relieving and vibration reduction method. 2) The tunnel excavation contour line goes smooth and shaped; and the overbreak and underbreak times have been reduced by using short-hole pressure relieving and vibration reduction method.

Metro tunnel; blasting of peripheral holes; short-hole pressure relieving and vibration reduction method; numerical simulation; test; vibration velocity

2016-07-28;

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金項目(10672091)； 青島巿建委科技項目資助(JK2013-4)

李梓源(1991—)，男，河北邢臺人，山東科技大學(xué)地下空間工程與安全專業(yè)在讀碩士，研究方向為地下空間工程與安全、爆破安全。E-mail: shankelzy@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.009

U 455.41

A

1672-741X(2017)03-0315-06