爆破振動(dòng)對(duì)臨近隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響和施工建議

黃 丹

(朝陽(yáng)市江河流域保護(hù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 工程背景

清河水庫(kù)為遼寧省遼河干流上的重要防洪控制性工程，不僅承擔(dān)著清河、遼河的錯(cuò)峰任務(wù)，還擔(dān)負(fù)灌溉、供水、養(yǎng)殖等諸多任務(wù)，屬于多年調(diào)節(jié)大(2)型水利樞紐工程。水庫(kù)的總庫(kù)容為9.68億m3[1]。泄洪洞位于水庫(kù)大壩的右岸，為圓形有壓隧洞設(shè)計(jì)，洞徑為4.0m。在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)中，結(jié)合水庫(kù)供水取水頭部和輸水改造工程建設(shè)，需要自調(diào)壓井至出口新建一條洞徑4.0m，長(zhǎng)115.67m的泄洪洞[2]。受到大壩右岸地形和地質(zhì)特點(diǎn)的限制，新建泄洪洞需要避開大壩右岸山體中的F031斷層破碎帶，因此新建泄洪洞和原泄洪洞之間的凈距較小。在新泄洪洞爆破開挖過程中，爆破振動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)原泄洪洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性造成一定的影響[3]。本研究通過數(shù)值模擬的方式，探討不同情況下爆破振動(dòng)對(duì)臨近泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工建議，以保證施工的順利進(jìn)行。

2 ANSYS/LS-DYNA有限元模型

2.1 軟件選擇

ANSYS/LS-DYNA軟件可以進(jìn)行幾何、材料、接觸等領(lǐng)域的非線性分析，其程序內(nèi)部包含了Lagrange、ALE和Euler算法，不僅可以進(jìn)行顯式求解，亦可以進(jìn)行隱式求解；不僅可以進(jìn)行靜力分析，亦可以進(jìn)行線性動(dòng)力分析。該軟件在爆破沖擊、高速撞擊以及金屬鍛造成型領(lǐng)域具有成熟的應(yīng)用，十分適合本研究需求[4]?；诖?，本研究選擇ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

根據(jù)相關(guān)研究成果，在爆破開挖施工過程中，影響爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的主要因素是隧洞圍巖的性質(zhì)，因此在模型構(gòu)建過程中可以對(duì)隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化[5]。在幾何模型構(gòu)建方面，以垂直于隧洞中線指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向，以開挖方向的反方向?yàn)閆軸的正方向。根據(jù)圣維南原理，在大于開挖洞徑3倍的范圍之外，其邊界效應(yīng)可以忽略不計(jì)。由此確定X、Y軸方向的計(jì)算范圍為25m，Z軸方向長(zhǎng)30m。巖體和混凝土結(jié)構(gòu)采用Lagrange網(wǎng)格建模，空氣和炸藥采用ALE網(wǎng)格建模，在模型網(wǎng)格剖分過程中，使用solid- 164八節(jié)點(diǎn)六面體單元。

2.3 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

在爆破開挖問題的數(shù)值模擬研究過程中，如果采用傳統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)固定方式對(duì)邊界問題進(jìn)行處理，會(huì)造成計(jì)算過程中應(yīng)力波和反射波之間的相互疊加，進(jìn)而影響求解的效率和精度[6]。如果采用增加模型尺寸的方式延遲波的反射時(shí)間，則會(huì)造成計(jì)算效率的大幅降低。因此，在模型計(jì)算過程中采用無反射邊界條件[7]。該邊界條件的原理是安置一種基于有限域的人為阻尼邊界條件，隔離出一個(gè)特定的區(qū)域保證應(yīng)力波和反射波的能量能夠由近至遠(yuǎn)輻射出去，并避免波的能量在有限范圍內(nèi)集中[8]。

根據(jù)前期的地質(zhì)勘查資料，隧洞圍巖為花崗巖，結(jié)合采樣測(cè)定和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定模型參數(shù)，見表1。

表1 模型材料參數(shù)

2.4 計(jì)算方法

在模型計(jì)算過程中，對(duì)隧洞圍巖的巖石材料采用各向同性的塑性動(dòng)力模型進(jìn)行描述。在襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中選擇H-J-C本構(gòu)模型，在顯式中心差分法下，幾何尺寸最小的單元控制著模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)。因此，需要在LS-DYNA程序中使用質(zhì)量縮放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元密度的有效控制，最終達(dá)到合適的模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。在ANSYS/LS-DYNA軟件中，提供了可以用于爆破問題數(shù)值模擬的3種常用算法，分別為L(zhǎng)agrange算法、Euler算法和ALE算法。這3種算法各有優(yōu)劣：Lagrange算法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的邊界運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行準(zhǔn)確描述，具有較高的計(jì)算效率，但是面臨結(jié)構(gòu)大變形時(shí)，容易造成網(wǎng)格單元的畸變，從而顯著影響計(jì)算精度，Euler、ALE算法雖然比較適合大變形問題的求解和計(jì)算，但是計(jì)算的復(fù)雜程度有所提高，計(jì)算效率相對(duì)偏低，綜合上述3種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究選擇流-固耦合模型算法。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 間距的影響

顯然，隧洞之間的間距是爆破振動(dòng)影響的主要因素，以Ⅲ級(jí)圍巖為例，模擬計(jì)算保持其余參數(shù)的原始設(shè)計(jì)值不變，確定2個(gè)隧洞之間的凈距為20、25、30、35和40m等5種不同的數(shù)值，利用構(gòu)建的有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得隧洞拱頂和拱腰部位的振速和位移值。并繪制出振速和位移隨隧洞間距的變化曲線，結(jié)果分別如圖1—2所示。

圖1 振速隨隧洞間距變化曲線

圖2 位移隨隧洞間距變化曲線

由圖1可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)的最大振速隨著隧洞間距的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，且拱頂部位的振速大于拱腰部位的振速。在間距相同的情況下，拱頂部位振速值約為拱腰部位的1.4倍左右。從具體數(shù)值來看，當(dāng)隧洞間距小于30m時(shí)，拱頂部位的最大振速值均大于7.0cm/s的工程設(shè)計(jì)值，特別是間距為20m時(shí)最大振速達(dá)到10.2cm/s，超過工程設(shè)計(jì)值的40%，存在較大的施工安全隱患。由圖2可以看出，拱頂和拱腰的位移值隨著間距的增大而波動(dòng)減小，并在間距大于35m時(shí)基本趨于穩(wěn)定。但是，總體來看，圍巖在爆破振動(dòng)作用下的位移量較小，不會(huì)對(duì)施工安全造成顯著影響。綜合振速和位移的計(jì)算結(jié)果，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，2個(gè)隧洞的最小間距以35m為宜。

3.2 圍巖等級(jí)

圍巖等級(jí)是影響工程施工參數(shù)確定的重要因素，由于背景工程的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，隧洞設(shè)計(jì)線路上存在Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖洞段。因此，研究中調(diào)整圍巖參數(shù)，模擬計(jì)算不同級(jí)別圍巖不同間距條件下隧洞拱頂襯砌部位的振速，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，圍巖等級(jí)對(duì)爆破振動(dòng)條件下拱頂部位的振速值產(chǎn)生比較顯著的影響，在相同間距條件下，圍巖的等級(jí)越低振速值就越大。當(dāng)時(shí)，就背景工程而言，當(dāng)隧洞間距為35m時(shí)，拱頂部位的振速值均小于工程設(shè)計(jì)值，不會(huì)對(duì)工程的施工安全和原泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性造成影響。因此，在工程設(shè)計(jì)過程中，整個(gè)線路的間距不小于35m即可。但是在Ⅳ級(jí)圍巖情況下，間距35m時(shí)的振速值偏大，為5.54cm/s。為了確保共工程的安全性，在施工過程中要加強(qiáng)爆破振速的監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)該立即采取措施。

表2 不同圍巖級(jí)別振速計(jì)算結(jié)果

3.3 裝藥量

在地下洞室工程爆破開挖過程中，需要利用炸藥的瞬間的物理化學(xué)變化釋放的能量，使隧洞掌子面的圍巖破碎。因此，裝藥量的大小必然會(huì)對(duì)爆破效果造成顯著影響。在具體的施工過程中，增加裝藥量可以有效降低施工成本，但是也會(huì)造成圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈震動(dòng)。在具體的施工設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)施工效率、工程成本和安全性進(jìn)行綜合考慮，以確定最佳裝藥量。在此次研究中，保持2個(gè)隧洞的間距為35m不變，設(shè)置原始裝藥量的0.9、1.0、1.1、1.2和1.3倍等5種不同的裝藥量方案，對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖等級(jí)的拱頂振速進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 拱頂振速隨裝藥量倍數(shù)變化曲線

由圖3可以看出，隧洞拱頂襯砌部位的振速隨著裝藥量的增加呈現(xiàn)不斷增加的變化特點(diǎn)，裝藥量越大，結(jié)構(gòu)的振速值也就越大。從具體計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)裝藥量為原設(shè)計(jì)方案的1.1倍時(shí)，其對(duì)應(yīng)的振速值略小于允許值。因此在施工中可以將裝藥量提升至原來的1.1倍。當(dāng)然，在施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)振速監(jiān)測(cè)，保證施工的安全進(jìn)行。

4 結(jié)論

此次研究以清河水庫(kù)右岸新建泄洪洞為例，探討了爆破開挖振動(dòng)對(duì)原有泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)襯砌結(jié)構(gòu)的最大振速隨著隧洞間距的增大而減小，并在大于35m的情況下趨于穩(wěn)定，且拱頂部位的振速大于拱腰部位的振速。

(2)在相同間距條件下，圍巖的等級(jí)越低振速值就越大；當(dāng)隧洞間距為35m時(shí)，3種圍巖等級(jí)的拱頂部位的振速值均小于工程設(shè)計(jì)值。

(3)隧洞拱頂襯砌部位的振速隨著裝藥量的增加呈現(xiàn)不斷增加的變化特點(diǎn)，當(dāng)裝藥量為原設(shè)計(jì)方案的1.1倍時(shí)，其對(duì)應(yīng)的振速值略小于允許值。

(4)根據(jù)研究結(jié)果，建議在工程設(shè)計(jì)中隧洞間距不小于35m；裝藥量可以增加至原方案的1.2倍。