下穿城市垃圾填埋場排洪隧洞爆破振動控制技術(shù)

楊 剛

（中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091）

1 工程概況

新建排洪隧洞為單向排水隧洞，其作用為排泄二期填埋庫區(qū)膜面雨水，起訖里程K0+000～K2+437.608，隧洞全長2437.608m，起點(diǎn)端位于垃圾填埋庫區(qū)內(nèi)，終點(diǎn)位于垃圾填埋場下游的排洪河道，從出口向進(jìn)口方向掘進(jìn)施工，隧洞起點(diǎn)接1#豎井，深度為16.6m。

排洪隧洞西段分別在K0+000～K0+190、K0+270～K0+510下穿二期填埋區(qū)和一期填埋區(qū)，與庫底凈距19～48m，填埋場庫底防滲層主要為2.0mm厚HDPE膜。其中K0+100～K0+510段凈距＞40m，后文中稱之為“下穿段”；K0+000～K0+100段凈距為19～40m，越靠近1號豎井，距離庫區(qū)邊緣的凈距也越小，后文中稱之為“貫通段”，穿越地層主要為微風(fēng)化石英質(zhì)砂巖和長城系混合巖。

2 防滲膜安全分析

2.1 分析思路

現(xiàn)行規(guī)范中并無垃圾填埋場爆破施工振速控制的相關(guān)要求，為確保防滲結(jié)構(gòu)安全，需先分析計(jì)算確定安全的控制指標(biāo)，再據(jù)此開展爆破設(shè)計(jì)。本章先針對下穿段預(yù)設(shè)一個振速控制取值并計(jì)算裝藥量，選取最不利截面分析爆破振動對填埋場底部防滲層的影響，提出安全的振動控制指標(biāo)。

2.2 預(yù)設(shè)振速控制值

由于爆破安全規(guī)程（GB 6722-2014）中無垃圾填埋場允許振速要求，暫參照一般民用建筑取值，預(yù)設(shè)振速控制值為2.5cm/s，單段最大起爆藥量計(jì)算為：

式中：R為爆破振動安全允許距離，按最小凈距取值40m；Q為延時爆破的最大單段起爆藥量，kg；V為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，取值2.5cm/s；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，取K=150；α與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)，取α=1.55。

最后計(jì)算出最大單段起爆裝藥量Q=17.78kg，取16kg進(jìn)行計(jì)算。

2.3 防滲膜的安全分析

在ABAQUS軟件中建立包含隧洞和填埋場底面相對位置關(guān)系的有限分析模型，計(jì)算最大單段起爆裝藥量16kg下防滲層HDPE土工膜的受力和變形特性。

1）防滲膜受力狀態(tài)，HDPE防滲膜厚度2.0mm，在復(fù)雜荷載作用下HDPE防滲膜承受較大拉伸荷載，垃圾體在自重及地震、爆破振動等荷載作用下，上覆土層的剪應(yīng)力作用于HDPE膜上；同時，下臥土層也將剪應(yīng)力作用于HDPE膜上，選取HDPE膜拉伸變形或拉伸應(yīng)力作為垃圾填埋體防滲結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)。

2）建立有限元模型，在K0+100～K0+510段選取3個關(guān)鍵剖面（最不利截面）進(jìn)行分析，里程分別為K0+480、K0+300、K0+170。三個關(guān)鍵位置有限元模型尺寸分別為320m×160m，250m×160m和200m×140m，有限元最大網(wǎng)格尺寸為1m，隧道斷面最大網(wǎng)格為0.5m。

在模型兩個側(cè)邊界及底部邊界采用黏彈性人工邊界模擬無限域的輻射阻尼效應(yīng)。場地土層依次為素填土、中風(fēng)化混合巖和微風(fēng)化混合巖。

3）爆破荷載計(jì)算，爆破加載區(qū)在掌子面及一個開挖循環(huán)周邊，假設(shè)荷載以壓力形式均布作用在洞室壁上，方向垂直于邊界面。爆破荷載可簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載，本次計(jì)算中上升段加載時間取10ms，卸載時間取80ms。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，掏槽爆破時隧道周壁的荷載峰值最大，主要原因在于掏槽同段起爆炸藥量最大且炸藥集中，巖石的夾制作用很大，炸藥爆炸的能量通過巖石向四周傳播，導(dǎo)致圍巖振動比較大。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，爆破荷載的應(yīng)力最大值Pmax（kPa）為2.51MPa。

4）數(shù)值模擬分析結(jié)果，模擬計(jì)算中考慮初始應(yīng)力，即首先對模型進(jìn)行在重力作用下的自重應(yīng)力場平衡，1s后施加爆破荷載進(jìn)行動力計(jì)算，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果為重力疊加爆破荷載作用的結(jié)果。

爆破沖擊波近似以圓形向外傳播，在巖土體交界面部位發(fā)生了明顯的反射和折射現(xiàn)象，應(yīng)力波波陣面在交界面處發(fā)生了明顯的擾動，在較弱土層中出現(xiàn)了明顯的陷波現(xiàn)象。黏彈性人工邊界較好的模擬了無限域的輻射阻尼效應(yīng)，應(yīng)力波到達(dá)截斷邊界處得到了很好的消散，而沒有出現(xiàn)截斷邊界對應(yīng)力波的虛假反射作用。

斷面1爆破荷載作用下HDPE膜最大拉伸應(yīng)力達(dá)到3.76MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度15MPa與極限抗拉強(qiáng)度26MPa；另外，HDPE膜最大拉應(yīng)力增長較小，僅為0.1MPa，并未在HDPE膜內(nèi)引起應(yīng)力的急劇增長，HDPE膜的應(yīng)力任然受靜力荷載控制。另外通過分析，斷面2、斷面3中HDPE 膜最大拉應(yīng)力分別為4.12MPa及2.31MPa，也遠(yuǎn)小于HDPE膜的屈服強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)。

5）地表監(jiān)測點(diǎn)控制值，斷面1、斷面2和斷面3的最大振動速度分別為1.01cm/s、1.39cm/s和1.34cm/s，在垃圾堆體內(nèi)振動速度隨進(jìn)入垃圾體內(nèi)部距離的增加而減小。最小凈距下預(yù)設(shè)振速2.5cm/s為控制值，對應(yīng)可取地表控制值為1.5cm/s。

主要結(jié)論：計(jì)算過程選擇了距離填埋場最近的、最不利的爆破形式下，爆破振動對于填埋場的影響，計(jì)算表明該條件下的爆破影響是安全可控的。

3 下穿段隧洞爆破設(shè)計(jì)

上述研究表明，選取1.5cm/s的地表控制振速和采用16kg最大單段起爆藥量均具有足夠的安全系數(shù)。根據(jù)掏槽眼最大單段裝藥量16kg進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，下穿段隧洞全部為Ⅲ級圍巖，其開挖尺寸為5.88m×5.71m （寬×高），采用全斷面法開挖，開挖進(jìn)尺2.5m。

4 振動監(jiān)測及反演分析

4.1 振動監(jiān)測情況

使用TC-4850型振動測試儀進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，在地面測點(diǎn)取得有效爆破地震波形圖及振速數(shù)據(jù)，分析波形圖頻譜，得出各測點(diǎn)爆破振動的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度和主頻。

根據(jù)K0+510～K0+100段實(shí)測情況，爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度值在0.102～1.321cm/s之間，主頻率在11～80Hz之間，與模擬計(jì)算的振速比較接近，小于計(jì)算設(shè)定的地表監(jiān)測控制振速1.5cm/s。表明爆破應(yīng)力波傳導(dǎo)至地面所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動速度量值較小，影響范圍有限。

4.2 數(shù)值反演分析

根據(jù)將地質(zhì)模型進(jìn)行簡化，通過隧洞爆破施工過程的模擬，提取對應(yīng)力波速度、第一主應(yīng)力（拉伸應(yīng)力）數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。以振速監(jiān)測無異常的K0+230～K0+180段為分析對象。

模型由數(shù)值模擬軟件flac 3d建立，模型前后、左右跨度均為400m，主要分三個部分：隧道圍巖、隧道以及垃圾填埋場，共計(jì)138萬個單元體。隧道圍巖為弱風(fēng)化巖石，彈性模量取值為17GPa，泊松比為0.2，隧道開挖部分單元體性質(zhì)與圍巖性質(zhì)相似，垃圾填埋場垃圾彈性模量為0.06MPa，泊松比為0.33。

模型的邊界條件分靜力計(jì)算和動力計(jì)算兩部分，在靜力計(jì)算中模型底部采用固定邊界，前后以及左右兩側(cè)為滾動筒約束，對整個模型施加有豎直向下的重力。在動力計(jì)算中，對模型底邊以及四周施加粘性人工邊界條件，在模擬爆破時，對隧道一次爆破進(jìn)深內(nèi)施加法向施加爆破應(yīng)力時程，作用時間持續(xù)0.3s，之后逐漸衰減。

通過反演分析，計(jì)算得到7個測點(diǎn)的振動速度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合度較高，說明計(jì)算參數(shù)取值較為合理。

4.3 貫通段振速分析

對貫通段（K0+000～100）選擇最不利剖面進(jìn)行計(jì)算，即隧洞與1號豎井連接處，建立有限元分析計(jì)算模型，并標(biāo)注了5個監(jiān)測點(diǎn)用以分析爆破應(yīng)力波作用下振動響應(yīng)，計(jì)算模型最大網(wǎng)格為0.5m。

按最大單段爆破藥量8kg的工況，施加對應(yīng)的爆破應(yīng)力波荷載，其中輸入的爆破應(yīng)力波形計(jì)算同上文所述，最大爆破應(yīng)力為1.35MPa，上升時0.1ms，卸載時0.8ms。爆破作業(yè)150ms后，X方向最大振動速度為1.854cm/s，Y方向最大振動速度為1.755cm/s。

4.4 貫通段防滲結(jié)構(gòu)安全分析

選擇排洪隧洞臨近豎井時的關(guān)鍵剖面進(jìn)行分析，計(jì)算方法同第二章第三節(jié)，本處不在重復(fù)敘述。

按8kg最大單段起爆藥量模擬分析，爆破荷載作用下HDPE膜最大拉伸應(yīng)力達(dá)到2.31MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度15MPa與極限抗拉強(qiáng)度26MPa。另外，爆破荷載對HDPE膜最大拉應(yīng)力增長較小，僅為0.1MPa，HDPE膜的應(yīng)力任然受靜力荷載控制，處于安全狀態(tài)。防滲膜具有6倍以上的安全系數(shù)，同時地表最大振動速度為1.854cm/s，接近最小凈距處預(yù)設(shè)控制振速2.5cm/s，故對應(yīng)可取地表控制值為2.5cm/s。

5 貫通段隧洞爆破參數(shù)調(diào)整

K0+100～K0+000段距離填埋區(qū)庫底的凈距從40m逐步變化到19m，根據(jù)前面的計(jì)算，最大單段起爆藥量應(yīng)逐步從16kg調(diào)整為8kg，總裝藥量遞減到42kg以下，循環(huán)進(jìn)尺調(diào)整為1.2m。

根據(jù)振動監(jiān)測情況顯示，隨著隧洞掘進(jìn)面與填埋庫區(qū)防滲膜的凈距逐步減小，振速逐漸加大，到K0+000處達(dá)到了最大值2.16cm/s，小于設(shè)定的2.5cm/s的目標(biāo)，振動得到了有效控制。

6 結(jié)語

根據(jù)本工程下穿垃圾填埋場施工實(shí)例，K0+510～K0+100地表觀測點(diǎn)振動控制值取1.5cm/s滿足防滲膜的安全要求，具有較高的安全系數(shù)；K0+100～K0+000段施工時掌子面隨著距離填埋去庫底越來越近，地表振速也逐步接近最小凈距處的振速，地表振速在2.5cm時仍然具有較高安全系數(shù)；下坪填埋場為硬質(zhì)地基，場地條件對于抗震和降低爆破振動應(yīng)力波是有利的。