隧道爆破對臨近電塔動力影響分析

陶偉 施倩紅

摘??要：為研究某高鐵隧道爆破施工對附近兩座高壓電力鐵塔的動力影響，運(yùn)用有限元軟件Midas/GTS建立考慮斷面分區(qū)爆破以及爆破孔分布的精細(xì)化二維模型?？紤]以鐵塔與爆源直線距離最近、單響炸藥量最大為最不利工況，采用時程分析法分析計(jì)算電力鐵塔塔基的最大振速。數(shù)值模擬結(jié)果表明：爆心距離越近，鐵塔塔基振速越大；炸藥量越大，鐵塔塔基振速越大。該工程的兩個電力鐵塔塔基振速滿足規(guī)范限值要求，說明實(shí)際炸藥量控制合理，該研究結(jié)果可供其余相似工程參考。

關(guān)鍵詞：隧道爆破??高壓鐵塔??數(shù)值模擬??振動速度

中圖分類號：U25???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A

Analysis?of?the?Influence?of?Tunnel?Blasting?on?the?Power?of?Adjacent?Electric?towers

TAO?Wei1*??SHI?Qianhong2

（1.?Hangzhou?Metro?Group?Co.?Ltd.，?Hangzhou，?Zhejiang?Province，?310020?China;

2.?PowerChina?Huadong?Engineering?Co.?Ltd.，?Hangzhou，?Zhejiang?Province，?310000?China）

Abstract：?In?order?to?study?the?impact?of?the?blasting?construction?of?a?high-speed?railway?tunnel?on?the?power?of?two?nearby?pylons，?the?finite?element?software?Midas/GTS?is?used?to?establish?a?refined?two-dimensional?model?which?considers?the?zonal?blasting?of?the?cross-section?and?the?distribution?of?blast?holes.?Considering?to?take?the?closest?straight-line?distance?between?the?tower?and?the?blasting?source?and?the?largest?single-sound?explosive?charge?as?the?most?unfavorable?working?condition，?the?maximum?vibration?velocity?of?the?power?tower?base?is?analyzed?and?calculated?by?time?history?analysis.?Numerical?simulation?results?show?that?the?closer?the?distance?of?the?blasting?center?is，?the?greater?vibration?velocity?of?the?tower?base?is，?and?that?the?greater?the?explosive?charge?is，?the?greater?the?vibration?velocity?of?the?tower?is.?The?vibration?velocity?of?two?power?tower?bases?of?this?project?meets?the?requirements?of?the?specification?limit，?showing?that?the?actual?explosive?charge?control?is?reasonable.?This?research?result?can?be?used?as?a?reference?for?other?similar?projects.

Key?Words：?Tunnel?blasting;?Pylon;?Numerical?simulation;?Vibration?velocity

高速鐵路施工過程中常常穿越山區(qū)，會臨近或下穿一些對沉降或振動敏感的建（構(gòu)）筑物。在隧道爆破掘進(jìn)過程中，爆破引起地表建筑物的振動，當(dāng)建（構(gòu)）筑物振速達(dá)到臨界值時，會發(fā)生不同程度的損壞[1-]。針對隧道爆破對周邊建（構(gòu)）筑物的影響問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。王佳輝等人[5]利用Midas/GTS結(jié)合建立了隧道工程有限元模型，將爆破引起的引水渠振動速度數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：引水渠的切向振動速度最大，徑向振動速度次之，垂直振動速度最小。三者的最大振動速度出現(xiàn)在切割孔處。武澤[6]的研究表明隧道爆破時地面建筑主要承受水平拉應(yīng)力，振動速度不能充分反映建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，表建筑的豎向振動速度遠(yuǎn)大于橫向，隨著時間和距離的增大，振動速度迅速衰減。當(dāng)隧道臨近高壓輸電鐵塔時，爆破會使地表的高壓鐵塔塔基產(chǎn)生振動，甚至導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響輸電安全。所以研究隧道爆破對臨近高壓鐵塔的影響有重大意義。肖欣欣等人[7]結(jié)合某隧道工程，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了鐵塔塔基的沉降及質(zhì)點(diǎn)振動速度；伍岳等人[8]結(jié)合某在建高速公路隧道工程，對臨近高壓鐵塔塔基質(zhì)點(diǎn)爆破振動進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，研究了高壓鐵塔的振動響應(yīng)特征。目前國外工程中進(jìn)行爆破數(shù)值模擬計(jì)算時，常采用均布壓力的形式將爆破動荷載垂直作用在隧道開挖的輪廓面上。針對目前爆破荷載數(shù)值模擬中施加荷載方法與實(shí)際有較大的差別，張玉成張玉成等人[9]基于圣維南荷載等效原理，研究了爆破荷載等效施加方法，即將作用在炮孔壁上的爆破荷載等效后，施加在同排炮孔聯(lián)心線或者面上，以模擬真實(shí)的爆炸作用。研究表明，等效荷載施加方法在中遠(yuǎn)區(qū)振動吻合得較好，但在近區(qū)存在較大差異。所以，針對隧道和鐵塔距離較近的工程應(yīng)建立考慮斷面分區(qū)爆破以及爆破孔分布的精細(xì)化二維模型，用以精確評估隧道爆破對鐵塔的影響。

1??工程概況

新建隧道全長467.18?m，隧道圍巖Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分布。從進(jìn)口掘進(jìn)施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用鉆爆法開挖。各作業(yè)面分別配備大型機(jī)械作業(yè)。開挖采用鉆爆法掘進(jìn)，Ⅲ級圍巖采用臺階法施工，Ⅳ級圍巖采用三臺階法施工，Ⅴ級圍巖采用三臺階臨時仰拱法施工。1#鐵塔塔型為酒杯塔，塔高91.6?m，部高程約為248?m，鐵塔與隧道最小水平距離為32?m，與隧道頂最小垂直距離約為39?m?？紤]樁基深度7.9?m，根開半徑2.1?m。2#鐵塔塔型為干字塔，塔高66?m，底部最小高程約為290?m，與隧道最小水平距離約為19?m，與隧道頂最小垂直距離約為41?m?？紤]樁基深度10.8?m，根開半徑2.3?m。

2??數(shù)值模型及荷載

2.1??幾何模型

該文采用Midas/GTS軟件對隧道爆破開挖進(jìn)行二維模擬。計(jì)算剖面選取各電力鐵塔與隧道正交的橫剖面，隧道、鐵塔尺寸根據(jù)隧道及輸電鐵塔的實(shí)際尺寸確定，1#電力鐵塔剖面爆破孔離左側(cè)邊界為40?m，爆破孔離右側(cè)邊界為127?m，離底部邊界為80?m；2#電力鐵塔剖面爆破孔離左側(cè)邊界為106?m，爆破孔離右側(cè)邊界為136?m，離底部邊界為76?m。隧道爆破孔周邊網(wǎng)格進(jìn)行加密處理每個爆破孔圓周均分為8份。對爆破孔逐孔建模，后期對每一個孔施加爆破荷載，可模擬真實(shí)的爆破過程。二維有限元模型如圖1所示。1#電力鐵塔橫剖面總計(jì)17?499個節(jié)點(diǎn)，17?828單元。2#電力鐵塔橫剖面總計(jì)380?115個節(jié)點(diǎn)，382?286單元。

2.2??材料參數(shù)

1#鐵塔橫剖面隧道周圍圍巖主要以Ⅴ級圍巖為主，2#鐵塔橫剖面隧道周圍圍巖主要以Ⅲ級圍巖為主，因此二維模型巖土采?、蟆ⅱ跫墖鷰r，圍巖采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。鐵塔為Q235鋼材，模型采用桁架單元進(jìn)行模擬，樁基為C25混凝土，模型采用嵌入式梁單元進(jìn)行模擬。材料具體參數(shù)取值如表1所示。

2.3??邊界約束

對于動力分析，建立的邊界條件會由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差；因此時程分析時常采用黏彈性邊界，吸收傳遞到邊界的應(yīng)力波。該文采用軟件自帶的無限元功能，模擬兩側(cè)土體為無限遠(yuǎn)。模型底部的約束條件為固定水平、豎直方向。

2.4??爆破荷載

該文爆破荷載采用在炮孔壁之上直接施加半理論半經(jīng)驗(yàn)的指數(shù)衰減型荷載爆破荷載壓力時辰曲線。此時的荷載峰值用International?Society?of?Explosive?Engineers（2000）里提及的公式。計(jì)算中各參數(shù)取值如表2所示。

根據(jù)是否考慮爆破孔周長的影響，最大爆破壓力可按P’=PB×W計(jì)算，W為最大裝藥量，單位為kg。上式?jīng)Q定了爆破時發(fā)生的空氣動力壓力的大小，實(shí)際上作用在孔壁的動壓力隨時間的變化狀態(tài)。時程動壓力PD可按照Statfiled和Pugliese（1968）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，具體如下：

PD（t）=4P’[exp（-21/B?t/2）-exp（-21/2B·t）]???????????????????????（3）

式（3）中，B=1000是荷載常數(shù)，控制荷載隨時間衰減的快慢程度。

1#鐵塔剖面圍巖等級為Ⅴ級。因在施工設(shè)計(jì)中，隧道剖面下臺階爆破炸藥量設(shè)計(jì)值最大，故考慮最不利工況下，1#鐵塔二維模型取下臺階進(jìn)行驗(yàn)算分析。隧道剖面下臺階底板孔總計(jì)14個，單孔最大裝藥量為0.7?kg，最大等效爆破荷載為0.88?MPa，數(shù)值模型中荷載作用于下部臺階底板孔孔壁上。2#鐵塔剖面圍巖等級為Ⅲ級。因在施工設(shè)計(jì)中，隧道剖面上臺階爆破炸藥量設(shè)計(jì)值最大，故考慮最不利工況下，2#鐵塔二維模型取上臺階進(jìn)行驗(yàn)算分析。隧道剖面上臺階周邊孔總計(jì)40個，單孔最大裝藥量為0.70?kg，最大等效爆破荷載為2.20?MPa，數(shù)值模型中作用于上部臺階周邊孔孔壁上。

3??計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)薩道夫斯基公式，鐵塔振速與爆源至鐵塔的距離成反比，與爆破所用炸藥量成正比；爆源距離鐵塔越近，鐵塔的振速越大；炸藥量越大，鐵塔的振速越大。據(jù)此選取鐵塔與爆源直線距離最近、單響炸藥量最大的最不利情況進(jìn)行有限元模擬分析，此時各電力鐵塔與隧道處于同一橫斷面。模型采用時程分析法進(jìn)行計(jì)算，提取兩座鐵塔塔基振速分析隧道爆破對電力鐵塔的影響。

3.1??鐵塔振速分析

在數(shù)值模型中，分別對1#鐵塔隧道剖面下臺、2#鐵塔隧道剖面上臺施加爆破荷載，通過有限元時程分析，得到巖土體和兩座鐵塔的振速云圖，結(jié)果如圖2和表3所示。分析結(jié)果可知，（1）1#鐵塔塔基最大振速為0.13?cm/s；2#鐵塔塔基最大振速為1.12?cm/s，兩座鐵塔振速均小于《爆破安全規(guī)程》（GB?6722-2014）規(guī)定的安全允許振速2.5?cm/s，這與薩道夫斯基公式相符，故二維數(shù)值模型可靠，具有較高的模擬精度，能夠達(dá)到研究的目的。

綜合上述分析，在最不利工況下，兩座鐵塔的大振速均小于安全允許振速，鐵塔結(jié)構(gòu)在隧道爆破過程中處于安全狀態(tài)；由于在數(shù)值模擬過程中，2#鐵塔的振速明顯大于1#鐵塔，所以在實(shí)際爆破過程中，要著重保護(hù)與監(jiān)測2#鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

4??結(jié)論

通過建立精細(xì)化的隧道爆破二維有限元模型，分析隧道爆破對臨近兩座高壓電力鐵塔的影響，得到如下結(jié)論。

（1）當(dāng)爆心離周邊重要構(gòu)筑物距離較近時，爆破荷載的等效施加方法不在合適。宜建立精細(xì)化模型，對爆破孔逐建模，精確模擬真實(shí)爆破過程。該文為驗(yàn)證了該種方法切實(shí)可行。

（2）在鐵塔和爆源直線距離最近、單響最大炸藥量的最不利工況下，兩座鐵塔振速均未超過《爆破安全規(guī)程》（GB?6722-2014）規(guī)定的安全允許振速2.5?cm/s，兩座鐵塔處于安全狀態(tài)。其中，2#鐵塔振速較大，在實(shí)際爆破過程中，要著重保護(hù)與監(jiān)測2#鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

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