豎井爆破最佳延時時間的減振控制研究

侯義輝，陳 航，王 薇，劉 鰲

(1.紹興市交通建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312000；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司市政工程公司，杭州 310000;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075)

近年來爆破開挖廣泛應(yīng)用于隧道、煤礦等實際工程中，隨著工程項目的復(fù)雜程度以及開挖要求的不斷提高，對于爆破振動產(chǎn)生影響的控制也愈加嚴(yán)格。如何在滿足爆破效果的前提下有效削弱爆破振動成為近年來研究的熱點問題。對于延時爆破技術(shù)，我國于上世紀(jì)五十年代在煤礦和金屬礦等地開展了一系列的生產(chǎn)實踐，經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的發(fā)展，延時爆破技術(shù)已經(jīng)成為可以有效削弱爆破振動的主要手段之一[1]，到如今，延時爆破技術(shù)的身影已廣泛出現(xiàn)在各種工程實踐中。

通過設(shè)定合理的爆破延時時間，相比于同時起爆可以將集中的能量先后爆發(fā)，從而產(chǎn)生不同的應(yīng)力波，通過應(yīng)力波的錯峰疊加，可以有效削弱爆破，降低振動幅值，以達(dá)到降低爆破振動強(qiáng)度的效果[2]。因此，對于延時爆破來說，探究最佳的延時時間是近年來研究的難點與核心。史秀志等[3]對不同延時時間的延時爆破產(chǎn)生的振動波進(jìn)行時頻分析，確定出延時時間為30、40 ms時的爆破效果較好。葉海旺等[4]利用小波分析技術(shù)，用能量分析的方法，探究了不同爆破延時時間和相同延時時間下不同爆心距的爆破效果，確定了能夠降低爆破振動產(chǎn)生危害的合理孔間延時42 ms，排間延時65 ms。沈曉松等[5]從塊度分布、綜合平均塊度以及最大塊度這3個指標(biāo)出發(fā)，通過對爆堆圖片的綜合分析確定了最佳延時時間為60 ms。相較于炮孔之間的延時起爆，劉慶等[6]從孔內(nèi)延時爆破的角度出發(fā)進(jìn)行了分析研究，通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗證實了采用孔內(nèi)延時爆破也可以進(jìn)一步削弱爆破振動，延時時間小于30 ms的延時時間越長減振效果越好，延時時間大于80 ms時減振效果則沒有明顯的變化趨勢，保持相對穩(wěn)定。張袁娟等[7]運用動力有限元分析軟件LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并結(jié)合計算軟件MaLab發(fā)現(xiàn)間隔為42 ms時相對延時時間為0、25、65 ms的能量衰減率最大，減振效果最明顯，同時還提出了減振效果并不是隨著延時時間的加大而增強(qiáng)的結(jié)論。崔正榮等[8]通過數(shù)學(xué)計算的方式使爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)當(dāng)延時時間為23 ms時，爆炸產(chǎn)生的振動速度最小。吳賢振等[9]創(chuàng)新性地提出ms/m的單位指標(biāo)，通過ANSYS/LS-DYNA分析軟件分別計算了延時時間為0、3、5、7、8 ms/m 的毫秒延時爆炸模型，得出減振效果最優(yōu)的延時時間指標(biāo)為28 ms，即7 ms/m。樓曉明等[10]通過結(jié)合動力有限元分析軟件LS-DYNA的模擬數(shù)據(jù)和單孔爆破測振試驗中對實測振動波進(jìn)行Gaussian多峰擬合的結(jié)果，最終確定了最佳延時時間為25 ms。陳士海等[11]通過LS-DYNA軟件運用荷載法指出了延時爆破的質(zhì)點峰值振速與質(zhì)點相隔起爆點的距離呈負(fù)相關(guān)，但在衰減的過程中會出現(xiàn)局部增大的現(xiàn)象。周文海等[12]采用從二維過渡到三維的分析方法，先利用ANSYS軟件建立二維靜態(tài)模型，通過有限元折減法確定關(guān)鍵系數(shù)，再基于已確定的二維潛在滑動面重新建立相應(yīng)的三維延時爆破模型，最終通過動力有限元分析軟件LS-DYNA得出孔間延時時間取42 ms時對于邊坡逐孔爆破減振效果較佳。

隧道豎井作為公路隧道通風(fēng)的主要措施之一，在爆破開挖過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波會對周圍巖體和周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，以及在近接施工時會對聯(lián)絡(luò)通道造成不利影響，如何有效降低這種影響，也日益成為隧道工程施工研究的關(guān)鍵問題。而針對豎井延時爆破的研究，史秀志等[13]利用數(shù)值模擬的方法探究了短延時爆破在成井爆破中的應(yīng)用效果，從破巖效果和振動規(guī)律的層面進(jìn)行綜合分析，確定調(diào)壓井導(dǎo)井爆破同層孔間采用延時爆破技術(shù)時最佳的延時時間為9～11 ms。

綜上所述，一方面針對短延時時間的研究還相對較少，對于較短延時時間的延時爆破規(guī)律和特性探索不足。工程上采用的爆破延時通常不短于25 ms，對于延時爆破技術(shù)的精細(xì)化，仍不能達(dá)到理想的效果[14]。而高精度雷管的研制成功使得精準(zhǔn)短延時爆破技術(shù)發(fā)展起來[15]。另一方面對于通風(fēng)豎井爆破擴(kuò)挖相關(guān)的延時爆破技術(shù)研究還十分有限，單一地針對豎井爆破開挖產(chǎn)生的影響的研究很少，普遍都是借鑒類似工程的經(jīng)驗方法。筆者通過顯式非線性動力有限元分析軟件LS-DYNA，以豎井初支為研究主體，采用控制變量的方法比較全面地分析了不同延時時間對于通風(fēng)豎井采用延時爆破擴(kuò)挖技術(shù)的規(guī)律和特點，對于相關(guān)工況具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 延時時間的選取

作為減振的主要手段之一，在保證爆破效果和破碎質(zhì)量的前提下，延時爆破如何選取合理的延時時間來達(dá)到最優(yōu)的減振效果，需要遵循多個原則選取。

1)形成新的自由面原則。邊界條件對爆破效果的影響很大，當(dāng)沒有自由面存在時，藥包產(chǎn)生的爆炸沖擊對巖體的破碎效果相對較差，爆破方量較少。而當(dāng)存在自由面時，隨著自由面數(shù)量的增加，爆破方量隨著邊界面積的加大而大大增加，這使得炸藥的消耗量會相對減少，從而能夠提高炸藥的利用率。

2)保證巖石破碎效果原則。巖體在被拋出之前，先爆孔內(nèi)炸藥產(chǎn)生的爆生氣體和應(yīng)力波的共同作用下會使周圍巖體產(chǎn)生裂隙并不斷擴(kuò)展，若選定合適的延時時間，后爆孔炸藥在殘余應(yīng)力場尚未消失之前會產(chǎn)生新的應(yīng)力場，與先前產(chǎn)生的應(yīng)力場疊加，加大對巖石的作用，從而較大地提高巖石的破碎效果[16]。

3)振動波相互削弱原則。通過選定合理的延時時間，可以使得相繼起爆的藥包產(chǎn)生的振動波主振相位在到達(dá)某點處相差180°，從而降低了振動波的振幅，較大地削弱了振動強(qiáng)度[16]。美國費斯基于兩個半周期的振動波疊加降低了爆破振幅，提出了合理延時時間的計算公式，也是以振動波相互削弱原則為依據(jù)。

通過綜合考慮上述3個原則，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果和工程經(jīng)驗，為了比較全面地探討爆破延時時間對于減振效果的影響，設(shè)定爆破延時時間為0、2、5、10、20、25、35 ms。

2 豎井爆破振動數(shù)值模型建立

結(jié)合工程數(shù)據(jù)，通風(fēng)豎井采用反井開挖工法時，反井后采用爆破擴(kuò)挖。利用顯式非線性動力有限元分析軟件LS-DYNA建立通風(fēng)豎井爆破振動數(shù)值模型，綜合考慮計算量的大小以及研究的側(cè)重點，計算時長設(shè)定為50 ms，模型包含有巖石、空氣、炸藥以及初支4個部分，三維實體模型尺寸為5 m×5 m×50 m，已擴(kuò)挖30 m，其中初支厚度15 cm，2個炮孔直徑10 cm，間距1.8 m，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型計算采用流固耦合方法，空氣和炸藥采用ALE單元，巖石和初支采用Lagrange單元，空氣覆蓋整個域，采用cm-g-us單位制。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圓形炮孔附近網(wǎng)格采取局部細(xì)化處理。模型除開挖掌子面其他面均設(shè)置無條件反射，模擬出無限巖體的效果。

圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure

2.1 巖石材料選取

根據(jù)相關(guān)工程數(shù)據(jù)，數(shù)值模型中巖石材料模擬IV級圍巖，采用關(guān)鍵字MAT_PLASTIC_KINEMATIC描述塑性材料，圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖材料參數(shù)

2.2 炸藥材料選取

計算模型中炸藥選取2#乳化炸藥，采用關(guān)鍵字MAT_HIGH_EXPLOSIVE_NURN和狀態(tài)方程EOS_JWL聯(lián)合描述。其中JWL狀態(tài)方程模擬了炸藥爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系：

(1)

式中：A，B，R1，R2，ω為材料常數(shù)；p為壓力；V為相對體積；E0為初始比內(nèi)能。

材料參數(shù)如表2所示。

表2 炸藥材料參數(shù)

2.3 初襯材料選取

計算模型中初襯選用Johnson-Holmquist模型模擬C30混凝土材料，采用關(guān)鍵字MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE描述，初襯材料如表3所示。

表3 初襯材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取初襯作為研究主體，基于上述延時爆破延時時間的選取分析，設(shè)定雙炮孔爆炸延時時間為0、2、5、10、20、25、35 ms的7種工況進(jìn)行計算，利用大型可視化后處理軟件Hyperview進(jìn)行結(jié)果分析。為了比較清晰地分析延時爆破的規(guī)律，對炸藥的尺寸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募哟?。在初襯中距離炸藥10 m處設(shè)立測點A，節(jié)點編號為1046071，再依次往后每隔3 m設(shè)立一個測點。測點的具體布置位置如圖2所示。

圖2 測點布置Fig.2 Layout of measuring points

3.1 不同延時時間與最大振速的相互關(guān)系

將測點A作為基準(zhǔn)測點，采集7種不同爆破延時時間對應(yīng)工況的振速時程曲線，再取得每個時程曲線的最大值點，即測點A不同爆破延時時間對應(yīng)的最大振速。以延時時間為x軸數(shù)據(jù)，最大振速為y軸數(shù)據(jù)用Origin軟件得二者關(guān)系(見圖3)。

圖3 不同延時時間與最大振速關(guān)系Fig.3 The relationship between different delay times and maximum vibration velocity

由圖3可知，隨著雙孔爆破延時時間的延長，最大振速呈減小趨勢，起到了比較明顯的減振作用。在延時時間為25 ms時，最大振速為7種工況中的最小值，減振效果最為顯著，這說明25 ms是相對最為合理的延時時間。當(dāng)延時時間超過25 ms時，最大振速開始增大，呈上升趨勢，說明延時爆破的減振作用并不是延時時間越長越好，一方面因為錯開的地震波相互作用時可能會起到疊加增強(qiáng)作用，另一方面由于雙孔爆炸延時時間過長，相當(dāng)于兩個炸藥依次爆炸，不能起到減振作用。同時可以看到延時時間在2 ms到10 ms區(qū)間段曲線相對平穩(wěn)，說明當(dāng)延時時間較短時，減振效果隨著延時時間的變化不會有比較明顯的優(yōu)化或者劣化，且減振效果不佳。

3.2 不同延時時間與結(jié)構(gòu)受損的相互關(guān)系

利用后處理軟件Hyperview的自動刪除失效單元功能，設(shè)定閥值為5 cm/s時，Hyperview將自動刪除振速大于5 cm/s的單元，模擬出結(jié)構(gòu)破壞臨界振速為5 cm/s時的受損情況。對比開始爆炸后15 ms時刻的各不同爆破延時時間對應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)受損情況(見圖4)。

圖4 不同延時時間主體結(jié)構(gòu)受損Fig.4 Damage of main structure with different delay time

由圖4可以觀察到，當(dāng)設(shè)定失效閥值為5 cm/s時，不采用延時爆破技術(shù)時失效網(wǎng)格數(shù)量占比為13.2%，主體受損最為嚴(yán)重。當(dāng)爆破延時為2 ms到10 ms區(qū)段時失效網(wǎng)格占比分別為11.8%和11.3%，受損得到緩解，證實了延時爆破的減振效果，但減振效果很弱且減緩趨勢相對不明顯。當(dāng)爆破延時時間為25 ms時，初襯主體失效單元數(shù)量占比7.3%，數(shù)量明顯減小，受損明顯減輕。當(dāng)延時時間為35 ms的時候失效網(wǎng)格數(shù)量占比10.9%，觀察到初襯主體結(jié)構(gòu)相對爆破延時時間為25 ms時受損嚴(yán)重，說明25 ms為最佳延時時間，且若再增大延時時間將會削弱減振效果，再次驗證了由圖3所得規(guī)律。

3.3 不同延時時間時程曲線對比分析

通過上述分析，可以得出25 ms為該豎井延時爆破的最佳延時時間，為了進(jìn)一步探討延時爆破的減振機(jī)理，將延時時間為0 ms和25 ms時的振速時程曲線重疊，進(jìn)行對比分析(見圖5)。

圖5 0 、25 ms振速時程Fig.5 0 、25 ms velocity time history

定義波峰與波峰疊加為FF，波峰與波谷疊加為FG，易知波峰與波峰疊加會加大振速，波峰與波谷疊加有減弱作用，會降低振速。觀察圖5可知，圖中標(biāo)示FG處，為延時時間為25 ms時，兩炮孔的振動波波峰與波谷疊加，紅色線條(25 ms時程曲線)明顯低于黑色線條(0 ms時程曲線)，振速明顯降低。圖中標(biāo)示FF處，兩炮孔的振動波波峰與波峰疊加，紅色線條高于黑色線條，反而使得振速比不采用延時爆破時要大。這說明延時爆破的減振機(jī)理并不是所有波峰完全與波谷疊加產(chǎn)生削弱作用，而是波峰與波谷疊加的情況較多，達(dá)到了降低振速的目的，從而通過爆炸產(chǎn)生的振動波頻譜，計算出使波峰與波谷疊加最多的延時時間，理論上可以最大程度的達(dá)到減振效果。

3.4 不同延時時間振速衰減分析

采集A～E的5個測點在延時時間分別為0、25 ms爆破時的最大振速，并比較分析測點與炸藥的垂直距離的二者關(guān)系，如圖6所示。

圖6 最大振速與距炸藥距離關(guān)系Fig.6 The relationship between the maximum vibration velocity and the distance between explosives

由圖6可以觀察到，在距離炸藥13 m的位置，振速明顯加大，這是由于雙孔炸藥的振動波在這個位置出現(xiàn)波峰疊加，形成局部放大效應(yīng)。當(dāng)采用延時時間為25 ms爆破時在距離炸藥13 m處振速相對較小，說明采用延時爆破削弱了兩個炸藥產(chǎn)生的振動波波峰相互疊加加強(qiáng)的效果，也從側(cè)面反映出采用多孔爆破時延時爆破減振的有效性。

從相隔炸藥距離13 m往后，隨著距離的增大，振速也逐漸降低，符合實際爆破作業(yè)時的振速規(guī)律。同時觀察到延時時間為25 ms的最大振速明顯低于0 ms時的最大振速，且通過觀察斜率可以看到25 ms時的衰減速度在距離炸藥14～16 m的區(qū)段要明顯大于延時時間為0 ms時的衰減速度，在距離炸藥16～22 m區(qū)間段衰減速度要稍微小于延時時間為0 m時的衰減速度。這說明延時爆破對振速的衰減也會產(chǎn)生影響，且通過圖6的分析可以發(fā)現(xiàn)合適的爆破延時時間對振速的衰減會起到積極作用。

4 結(jié)論

1)對于雙孔起爆，采用延時爆破技術(shù)能在一定程度上降低爆破振動產(chǎn)生的振動幅值，但當(dāng)延時時間較小時，減振效果相對不明顯，且在延時時間較小的區(qū)間內(nèi)減振趨勢相對平緩。當(dāng)延時時間較大時，減振效果會削弱，呈現(xiàn)出振速增大的趨勢。

2)針對本文所述項目概況，采用延時時間為25 ms的延時爆破能達(dá)到最佳的減振效果，同時通過設(shè)定失效閥值觀察主體結(jié)構(gòu)受損程度進(jìn)一步驗證了該結(jié)論。即采用合理的延時時間，延時爆破能有效加快振速的衰減速度，大大減輕對臨近巖體或者建(構(gòu))筑物的不利影響。

3)采用多孔爆破時，質(zhì)點的峰值振速隨著相隔炸藥距離的增大整體呈負(fù)增長，但會有局部放大效應(yīng)，這種放大效應(yīng)是因為不同的振動波的波峰疊加導(dǎo)致的，與炸藥間距離有關(guān)，同時采用合理的延時爆破技術(shù)能有效削弱這種放大效應(yīng)。