爆破動載荷作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)安全距離研究

李懷賓 趙興東 趙一凡 李洋洋

(東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心，遼寧 沈陽 110819)

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各種工程建設(shè)的需要，由于鉆爆技術(shù)的強適應(yīng)和低成本性，被廣泛應(yīng)用于隧道掘進(jìn)、礦山開采、地下洞庫的開挖等工程領(lǐng)域。但是，鉆爆引起的動載荷以應(yīng)力波的形式向四周傳播，對爆源周圍的各種結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生不同程度的影響，有時候會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，甚至引發(fā)巖爆的發(fā)生[1-3]。因此，地下工程的掘進(jìn)爆破中產(chǎn)生的地震波引起圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動，這是導(dǎo)致施工不安全的重要因素。近年來對爆破振動的研究發(fā)展較快，左雙英等[4]用數(shù)值模擬方法，研究了隧道爆破掘進(jìn)中質(zhì)點振動衰減規(guī)律以及圍巖動力損傷特性；楊國梁等[5]利用現(xiàn)場爆破測試對周期性爆破振動下圍巖的損傷累積效應(yīng)進(jìn)行了研究；杜漢清[6]在酉酬水電站進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗，對爆破振動的速度衰減規(guī)律進(jìn)行研究；馬淑娜等[7]采用數(shù)值模擬的方法，分析了大型洞庫開挖爆破振動對混凝土襯砌的影響。爆破引起巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞是一個復(fù)雜的過程，與復(fù)雜的地質(zhì)條件、爆破方式的選擇、地下空間效應(yīng)等因素有關(guān)，即使在同一地區(qū)，也會發(fā)生很大的變化，因此，爆破振動引起的速度場一直沒有一個特定的解析解。本項目在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對地下洞庫掘進(jìn)過程中的爆破振動速度衰減規(guī)律進(jìn)行研究，最后給出地下洞庫支護(hù)工程的動態(tài)安全距離。

1 工程背景

錦州地下水封儲油洞庫位于中國東北地區(qū)遼寧省，地貌單元屬于剝蝕丘陵，海拔高程12.70～42.83 m，設(shè)計庫容300萬m3，建造4組洞罐(每組洞罐由2條斷面、長度相同的儲油洞室通過連接巷道相連接而構(gòu)成)。其中每條儲油洞室長度均為934 m，斷面跨度和高度分別為19 m和24 m，設(shè)計凈斷面面積為436.1 m2。3北洞罐為本次重點研究區(qū)域，洞罐圍巖主要為天橋單元(K1T)中粗?；◢弾r，中間穿插輝綠巖、角閃閃長玢巖、細(xì)晶石等巖脈，以Ⅱ級為主，圍巖總體質(zhì)量較好。工程場區(qū)沒有活斷層和區(qū)域斷層分布，野外實地核查發(fā)現(xiàn)在場區(qū)附近有斷層出露地表，但斷層均沒有在第四系被錯斷的跡象，說明這些斷層在第四紀(jì)以來沒有明顯的活動。斷層構(gòu)造及其活動對洞庫影響較小。地下儲油洞庫三維模型見圖1。

圖1 地下儲油洞庫三維模型

由于儲油洞罐工程的特殊性，必須保證施工后支護(hù)的效果，防治石油的泄露，對3北掘進(jìn)爆破過程中產(chǎn)生的爆破振動強度進(jìn)行了監(jiān)測，確定最優(yōu)的支護(hù)工程安全距離。

2 爆破振動監(jiān)測方案

為研究3北洞罐掘進(jìn)爆破過程中產(chǎn)生的爆破振動對支護(hù)工程的影響，在3北洞罐布置4個測點進(jìn)行監(jiān)測，測點等間距布置在洞罐側(cè)壁(間距20 m)，距離底板約1.5 m。由于地下洞庫的空間限制，爆破測試點一般距離掌子面約為100～250 m，1#測點距離工作面100 m，現(xiàn)場布置如圖2所示。采用MiniMate Plus爆破振動儀進(jìn)行振動信號采集(如圖3)，該儀器有2個三向(縱、橫、豎)標(biāo)準(zhǔn)振動速度傳感器，三向振動傳感器方向設(shè)置為：X方向平行巷道且垂直工作面，Y方向垂直巷道且平行工作面，Z方向垂直巷道側(cè)壁。為了防止傳感器固定不牢引起測試結(jié)果誤差，采用“T”型鋼支架固定在巷道側(cè)壁上，確保外力作用下不會有任何晃動，然后將傳感器固定在“T”型鋼支架上(如圖4)。洞罐掘進(jìn)日進(jìn)尺約7 m，為了達(dá)到良好的監(jiān)測效果，隨著洞罐的不斷掘進(jìn)，把洞罐劃分為前段、中段和末端3段(每段為洞罐總長度的1/3)，相應(yīng)的測點位置也隨著洞罐的掘進(jìn)而前移，約循環(huán)8個日進(jìn)尺，傳感器重新布置一次，如此，可以保證因距離太遠(yuǎn)而監(jiān)測不到信號，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

圖2 測點布置示意圖

圖3 MiniMate Plus爆破地震儀

圖4 傳感器安裝

3 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

洞罐掘進(jìn)采用正臺階分3層開挖爆破的施工方式，其中拱頂層由于自由面少、受到圍巖夾制作用大，因此采用橫向分塊、水平孔槽爆破的施工方案。拱頂層以下各層多采用光面爆破或垂直深孔預(yù)裂爆破來施工，等爆心距處一次起爆藥量越大，質(zhì)點振動速度就越大，反之越小，而爆破總藥量對振動速度的影響較小，故計算中取最大段藥量。本次爆破雷管總共有7段，裝藥量最大段為第5段，最大藥量為110 kg，根據(jù)統(tǒng)計表明，采用爆破振動加速度、振幅等進(jìn)行線性回歸離散程度大，所以，本研究采用質(zhì)點振動速度作為安全振動的控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基經(jīng)驗公式，對質(zhì)點振動合速度PPV進(jìn)行回歸分析。并結(jié)合最小二乘法，計算k、α值，得出洞罐前段、中段和末端的相應(yīng)速度衰減經(jīng)驗公式。

(1)

(2)

(3)

式中，v為振速，m/s；Q為最大一段起爆藥量，kg；R為測點與爆源中心的距離，m。

以上表明：洞罐前段衰減速率最快，中段次之，末端衰減最慢。這是因為，洞庫前段作業(yè)時，地震波來回傳播路程短，且未開挖巖體吸收部分地震波從而導(dǎo)致振速衰減最快。洞庫末端與此情況正好相反，地震波來回傳播路線長，洞庫空區(qū)空間大，導(dǎo)致地震波在洞庫中來回震蕩，因此衰減速率最慢。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)安全距離確定

目前，大多數(shù)國家采用質(zhì)點振動速度作為衡量爆破振動強度的指標(biāo)，我國最新版《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)針對交通隧道和水工隧道等的規(guī)定如表1。地下儲油庫工程使用了大量混凝土支護(hù)，對爆破振動強度控制十分嚴(yán)格。依據(jù)表1給出的新澆筑大體積混凝土的安全允許振動標(biāo)準(zhǔn)，對于0～3 d情況，振動速度允許值為2～3 cm/s，考慮到地下儲油洞庫工程的特殊性，綜合考慮后，對于3北洞罐新澆筑大體積混凝土保證振動安全的速度不大于2 cm/s。

表1 爆破振動安全判據(jù)

當(dāng)保證振動安全的速度取2 cm/s時，利用式(1)、式(2)和式(3)可以得出最大段藥量Q與安全距離R的關(guān)系，如圖5所示。3北洞罐在掘進(jìn)過程中，最大單響藥量為110 kg，由此，可以得出洞罐支護(hù)工程的安全距離，洞罐前段安全距離為70 m，中段安全距離為140 m，末端安全距離為220 m。

圖5 安全距離與最大藥量關(guān)系

5 結(jié) 論

通過對錦州地下洞庫3北洞罐掘進(jìn)爆破振動的監(jiān)測。充分考慮空間效應(yīng)對洞罐爆破振動的影響，把洞罐的監(jiān)測分成3段：洞罐前段、中段和末端，整合監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基經(jīng)驗公式，對質(zhì)點振動合速度PPV進(jìn)行回歸分析，并結(jié)合最小二乘法，求出各段的振動速度衰減規(guī)律。結(jié)果表明：洞罐前段衰減速率最快，中段次之，末端衰減最慢。并根據(jù)新澆筑混凝土允許的安全振動速度，確定3北洞罐的前段安全距離為70 m，中段安全距離為140 m，末端安全距離為220 m?；诖?，可以對后期的施工進(jìn)行指導(dǎo)，確保施工安全，保證洞庫圍巖的穩(wěn)定性。

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