45°斜井全斷面正向掘進(jìn)爆破振動影響研究

鄭正勤， 張學(xué)彬， 張華武

(1. 國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司, 四川甘孜 626005；2. 中國水利水電第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

當(dāng)反井法開挖斜井時，不但要確保導(dǎo)孔掘進(jìn)順利完成并保證鉆進(jìn)方向精度，還要控制好斜井正向開挖的質(zhì)量與安全。為此，本文運用控制爆破理論、數(shù)值模擬等方法，對包括正向掘進(jìn)爆破振動影響、開挖過程圍巖穩(wěn)定斜井結(jié)構(gòu)是否安全等進(jìn)行研究。

1 爆破計算中關(guān)鍵問題的處理

1.1 模型邊界問題

地下結(jié)構(gòu)工程動力問題，一般可以采用有限元等方法進(jìn)行分析[1-4]。采用有限元法進(jìn)行動力分析時，必須把實際上近于無限大的計算域用一人為邊界截斷，取一有限大小區(qū)域進(jìn)行離散化，但是由于巖土的成層性、波在界面上的反射和透射以及動荷載類型等因素的影響，具體取多大范圍比較合理以及在邊界上如何給定邊界條件，是目前尚未很好解決的一個重要研究課題。目前，主要有簡單的截斷邊界、粘滯邊界、一致邊界或透射邊界、有限元和無限元或邊界元相結(jié)合等方法，但上述幾種方法一般只適用于在頻域中求解，而對于需要在時間域中求解的真正非線性問題，除了把邊界取得盡可能遠(yuǎn)一些以外，目前還沒有更合適的辦法。

1.2 沖擊荷載和動態(tài)強度的確定

1.2.1 爆破沖擊荷載

根據(jù)爆破振動理論分析[5-8]，爆破荷載可簡化為線性上升段和下降段的三角形荷載，且假定作用在隧道開挖邊界面上。荷載上升段、下降段作用時間在參考眾多資料結(jié)合大量實測經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本次計算上升段時間取12 ms，下降段結(jié)束時間取100 ms，為了解爆破荷載結(jié)束后質(zhì)點的情況，計算總持續(xù)時間取為1.0 s(圖1)。

圖1 爆破荷載加載曲線

關(guān)于地下洞室爆破沖擊荷載的確定，目前研究甚淺，至今尚無一種準(zhǔn)確確定其大小的方法和理論。常見的爆破荷載峰值計算方法包括：方法一，根據(jù)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播與衰減過程，進(jìn)行逐步計算；方法二，根據(jù)對現(xiàn)有眾多爆破荷載峰值公式進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到一個經(jīng)驗公式并進(jìn)行計算。本文取方法一為計算爆破峰值荷載依據(jù)。

1.2.2 動態(tài)強度

在沖擊荷載作用下，混凝土的極限強度和彈性模量將會與靜載情況有所不同?；炷敛牧显跊_擊荷載作用下，極限抗壓強度和彈性模量均隨加載時間的縮短而增大，當(dāng)荷載作用時間從100 s減至0.03 s時，強度和彈性模量分別提高30 %～56 %和20 %～25 %。

根據(jù)相關(guān)資料[9-10]，巖石對動荷載與對靜荷載的反應(yīng)是完全不同的，也就是說，巖石抵抗動荷載的動強度與靜強度是完全不同的，前者約為后者的5～10倍。在沖擊荷載下，軟巖的動抗壓強度和動彈性模量將以近10倍計遠(yuǎn)高于靜載時的相應(yīng)值。動強度與靜強度的差別如此懸殊必須與動荷載的瞬間性聯(lián)系起來考慮。動荷載在介質(zhì)中引起的動應(yīng)力脈沖是局部的與瞬間的，若周期性的重復(fù)多次則可能引起疲勞性破壞。

本次計算假定：在爆炸荷載下，圍巖的彈性模量提高到原來的5倍；襯砌的強度和彈性模量分別提高50 %和25 %，具體如表1所示。

表1 動載極限強度值

1.3 重力的影響分析

在實際工程結(jié)構(gòu)中，重力作為已知的外力，重力對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形影響很大。重力問題，一般都屬于靜力問題，用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法去研究。但其對結(jié)構(gòu)動力分析的影響，由分析結(jié)果表明：如果結(jié)構(gòu)是線彈性的，或結(jié)構(gòu)處于線彈性范圍，并且是小變形，包括小位移階段，重力問題的分析和動力問題的分析可以分別討論。在線彈性范圍，小變形條件下，考慮重力影響的結(jié)構(gòu)體系的運動方程與無重力影響時的運動方程一致，因此，在這種條件下，研究結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)時，可以完全不考慮重力的影響，建立體系的運動方程，求解動力荷載作用下的運動方程得到運動解。當(dāng)需要考慮重力影響時，采用疊加原理，結(jié)構(gòu)總反應(yīng)等于靜力解加動力解。

2 計算模型的建立

2.1 材料參數(shù)

計算中材料參數(shù)的選取是在重點參考斜井地勘資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合《水工隧道規(guī)范》綜合選取如表2。

表2 計算中材料參數(shù)的選取

2.2 計算模型的建立及監(jiān)測點位的選取

鑒于爆破振動計算過程中，各種工況計算模型基本一致，限于篇幅，本節(jié)僅列出循環(huán)進(jìn)尺1 m的計算模型示意圖(圖2)。

圖2 計算模型

考慮到爆破振動在圍巖中的傳播規(guī)律，在對既有隧道進(jìn)行振動規(guī)律分析時，沿斜井(斷面簡化)開挖軸線方向和沿橫斷面水平方向各監(jiān)測點的位置及標(biāo)號如圖3所示。

(a)橫斷面方向監(jiān)測點

(b)縱向監(jiān)測點圖3 斜井監(jiān)測點示意

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

分析主要從斜井監(jiān)測點振速方面進(jìn)行研究，其中監(jiān)測點振速分為橫斷面方向和縱向，詳細(xì)分析結(jié)果如下：

通過模擬得到斜井爆破施工時，監(jiān)測點的振動響應(yīng)。此處列出進(jìn)尺1 m時三向(水平、豎向和縱向)振速波形見圖4所示。

同樣，也可以計算得到不同進(jìn)尺下的詳細(xì)振速峰值(表3)。

表3 不同進(jìn)尺下橫向測點振動速度峰值表 cm/s

(a)水平方向速度時程

(b)豎直方向速度時程

(c)縱向速度時程圖4 進(jìn)尺1m斜井橫向各監(jiān)測點振動速度時程

根據(jù)表3繪制不同進(jìn)尺振速峰值曲線如圖5所示。

通過對橫斷面方向監(jiān)測點振速分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(a)水平方向振速峰值折線

(b)豎直方向振速峰值折線

(c)縱向振速峰值折線圖5 各工況橫向測點振動速度峰值折線

(1)從斜井開挖過程中引起襯砌橫斷面方向測點的峰值振速規(guī)律方面看，當(dāng)進(jìn)尺相同時，三個方向上的振速峰值相差不大，同時各監(jiān)測點的振速峰值曲線的變化規(guī)律也較為相似，即均是在拱頂和邊墻中上部的振速大于其他部位上的振速，隨著進(jìn)尺的減小，振速減小，斜井爆破對襯砌的影響逐漸削弱。

(2)量值上，進(jìn)尺3 m時的最大振速峰值達(dá)到了9.88 cm/s；進(jìn)尺2 m最大振速峰值為7.96 cm/s；進(jìn)尺1 m時最大振速峰值為4.95 cm/s，上述振速在完好段時均處于安全控制基準(zhǔn)內(nèi)，但對于在裂縫發(fā)育上設(shè)計制定的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，僅進(jìn)尺1m時振速符合要求。

(3)在進(jìn)尺2 m時的振速峰值較3 m的峰值減幅為19.4 %，進(jìn)尺1 m時較進(jìn)尺30 m的振速峰值減幅為37.8 %，可以看出增加進(jìn)尺對減小襯砌振動速度相當(dāng)有效。

4 小結(jié)

通過以上三種不同進(jìn)尺工況下斜井爆破施工對襯砌的影響分析，總結(jié)如下：

(1)從爆破開挖過程中引起襯砌振動速度來看，三個方向上的振速峰值相差不大，但極值易出現(xiàn)在邊墻中上部縱向上，為此在施工過程中要及時進(jìn)行監(jiān)控量測和制定相應(yīng)的處理措施，并及時反饋及時處理。

(2)隨著開挖進(jìn)尺的逐漸增大，爆破施工對襯砌的影響逐漸削弱。當(dāng)進(jìn)尺為3 m時，斜井爆破對襯砌的影響遠(yuǎn)大于裂縫密集段制定的安全控制標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)進(jìn)尺減至1.5 m時，襯砌處于安全范圍。

(3)根據(jù)上述分析，結(jié)合斜井施工實際情況(考慮到圍巖裂縫發(fā)育)，進(jìn)尺應(yīng)控制在2 m左右，結(jié)構(gòu)便處于安全可控范圍內(nèi)。