爆破荷載對水庫邊坡結(jié)構(gòu)安全可靠性評估及風險控制技術(shù)

劉雨旭

（赫章縣骨干水源工程建設服務站,貴州 赫章 553200）

0 引言

爆破施工對周邊既有建構(gòu)筑物帶來較大的不利影響,其主要表現(xiàn)為當振動荷載較大時,其變形超過了結(jié)構(gòu)最大變形,會給結(jié)構(gòu)帶來破壞從而導致災害的發(fā)生,故有必要分析爆破荷載給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響,評估結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

目前,爆破問題成為了國內(nèi)外學者研究的熱點,如羅憶等[1]綜合分析了巖石高邊坡和地下洞室圍巖的爆破振動破壞機理,動力穩(wěn)定性評價方法和爆破振動對新澆混凝土影響等方面的研究現(xiàn)狀與進展,介紹了國內(nèi)礦山、水電及核電行業(yè)采用的有關建（構(gòu)）筑物,巖石高邊坡、地下洞室圍巖、基巖以及新澆混凝土的主要爆破振動安全判據(jù)標準,并與國外相關標準進行比較,分析討論了以往爆破振動破壞機理研究中存在的問題以及現(xiàn)有爆破安全判據(jù)中的不足。陳明等[2]基于巖質(zhì)邊坡爆破振動高程響應機制的理論分析以及邊坡開挖爆破振動的數(shù)值模擬與實例分析,研究邊坡爆破振動速度的高程放大效應。陳士海等[3]通過波動微分方程和分離變量法結(jié)合高地應力作用下砂巖類材料參數(shù)的變化規(guī)律求得適用于高地應力下的爆破地震波傳播解析解,并通過實例分析,給出了隧道圍巖中質(zhì)點振動速度、加速度、應變參數(shù)隨地應力大小變化規(guī)律,并借助物理模型試驗裝置對隧道圍巖爆破振動響應隨地應力的變化規(guī)律進行模型試驗研究,最后將試驗結(jié)果與解析解進行對比。本文以西南地區(qū)某水下隧道工程爆破施工為例,根據(jù)周邊的既有邊坡及建筑物與爆破點的距離進行分析爆破施工對水庫邊坡的影響程度。

1 工程概況

西南某水下隧道位于大型水庫下方,隧道采用圓形盾構(gòu)下穿,其開挖掘進直徑7.03 m,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外徑6.7 m,內(nèi)徑6 m,盾構(gòu)下方存在不均勻的基巖,同時局部地段進行地質(zhì)取芯補勘,發(fā)現(xiàn)基巖孤石4 處。根據(jù)基巖及孤石對盾構(gòu)掘金的影響,隧道發(fā)現(xiàn)的孤石及基巖凸起需要在盾構(gòu)機通過前進行爆破處理。爆破區(qū)域臨近水庫的破面,與右線爆破區(qū)域最近距離為30 m,與左線爆破區(qū)域最近距離為148 m。周邊建筑物及水庫現(xiàn)狀見圖1。

圖1 項目的平面位置圖

根據(jù)詳勘報告所示,岸上段隧道主要穿越地層為耕植土、粉質(zhì)粘土、全風化粉砂巖、中風化粉砂巖。水庫段主要為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、全風化粉砂巖、中風化粉砂巖。

2 爆破方案及荷載影響

2.1 爆破裝藥量控制

為保證盾構(gòu)的順利掘進,盾構(gòu)掘進面內(nèi)的孤石及基巖凸均需預處理,預處理方式采用預爆破進行。即先通過超前地質(zhì)鉆探的方式確定孤石及基巖的地質(zhì)情況、大小與所處的位置,當具體位置大小確定后,計算其所需裝藥量,利用地質(zhì)鉆孔對巖石進行鉆孔作業(yè),并將炸藥安裝至爆破處,再進行巖石破碎、解體作業(yè)。施工過程中應根據(jù)爆破對邊坡及周邊建筑物的影響,嚴格控制單段起爆的最大裝藥量、爆破震動、爆破密度以及爆破的施工安全。

地質(zhì)鉆孔機采用直徑為108 mm 鉆桿垂直取孔,如遇到軟弱土層,則需采用PVC 管進行護孔鉆孔,作業(yè)未完成前,禁止安裝炸藥。鉆孔深度應滿足設計要求的深度,一般情況下鉆至巖石面以下1 m 的距離,鉆孔完成后需清理孔洞,并保持暢通。

炮孔位置、垂直度需準確,因此取孔時應采取以下措施：炮孔的孔距、排距應通過全站儀等測量儀器設備定位。

由于孤石、基巖凸起邊界存在不精確性,施工時爆破孔布置必須超出孤石、基巖凸起范圍,以保證爆破效果。

為了保證爆炸安全,需對炮孔架空防護、重型壓蓋,架空高度0.6 m,見圖2。

圖2 炮孔覆蓋圖

為保證本工程爆破施工不影響周邊建筑物及管線,必須嚴格限制最大段藥量、爆破震動、爆破密度以及爆破的施工安全。為此,依據(jù)《爆破安全規(guī)程》所建議的爆破地振速度計算公式,計算得到不同建（構(gòu)）筑物在不同距離處所允許的最大段藥量。爆破振速計算公式v：

式中：R 為爆破安全距離,m；Q 為炸藥所需用量,kg,巖石爆破根據(jù)安全因素考慮最大段藥量；為地震安全速度,cm/s；K、α為根據(jù)爆破區(qū)的地質(zhì)情況及安全風險源所確定系數(shù),工程所在水庫下方,其地質(zhì)與粉砂巖為主,故建議取K=150、α=1.5。

根據(jù)相關規(guī)范,對房屋等建筑物所允許最大爆破振動速度的規(guī)定,見表1。

表1 爆破安全允許速度

因此參照表1,對永久性巖石邊坡最大爆破振動允許速度取9.0 cm/s,對最近的一般民房最大爆破振動允許速度取2 cm/s。由此得到建筑物及管線在不同距離處所允許的最大段藥量計算值見表2。

表2 建筑物及邊坡所允許的最大藥量計算值

2.2 爆破震動等效荷載

根據(jù)相關學者研究可知,爆破數(shù)值模型作用往往在炮孔壁上,其力表現(xiàn)為半理論半經(jīng)驗的爆破荷載曲線[4],根據(jù)目前現(xiàn)有的理論值可知,荷載曲線以較為經(jīng)典的近似拋物線型荷載,指數(shù)分布荷載和三角形分布荷載。但在實際工程中,一直基于爆轟理論與爆腔膨脹理論得出的三角形脈沖荷載模擬炮孔壁的沖擊荷載為主要的荷載數(shù)值模型,其過程由三部分組成,根據(jù)時間的先后順序可分為上升期,荷載峰值期,正壓時段期,見圖3。

圖4 結(jié)構(gòu)模型圖

根據(jù)三個時期的Chapman-Jouguet 理論[5],該荷載為耦合受力的過程,其裝藥時的荷載峰值強度見下式：

式中：Pd為荷載峰值期最大值；ρo為裝藥根據(jù)鉆孔所計算的裝藥密度；D 為炸藥傳遞荷載的速度 , 也稱為炸藥爆速。

對應的荷載的時程曲線可以表t示為：

式中：ti為上升期；te為正壓時段期。

式中：EV為巖體變形模量；r 為對比距離；u 為巖石泊松比,取0.4。

根據(jù)爆破模型,巖石在發(fā)生爆破時,其破壞形式為衰減的過程,根據(jù)破壞程度可以分為巖石完全破壞區(qū),巖石損壞區(qū),及未破壞區(qū)三個部分,如果將巖石破壞認定為爆破源,則可根據(jù)爆破源獲得爆破邊界的受力荷載,將該荷載認定為爆破荷載,見下式：

式中：db為鉆孔直徑,df為完全破壞區(qū)直徑,即需爆破的基巖及孤石范圍；dp為發(fā)生破壞區(qū)直徑,及爆破影響范圍。

根據(jù)施工設計,以最大炮孔至邊坡最不利距離進行分析,最近的爆區(qū)采用,炮孔直徑為24 mm,炮孔間距800 mm,采用耦合裝藥。裝藥密度為800 kg/m3,炸藥爆速為2400 m/s,等熵指數(shù)為3,總裝藥量38.33 kg,最大單響起爆藥量5.2 kg,每循環(huán)進尺2 m。通過計算可知,最大開挖邊界爆破等效荷載Pe為2.3 MPa,荷載上升時段為0.6 ms,正壓作用時間為5 ms。

3 最不利爆炸荷載下的變形計算

結(jié)構(gòu)為11736 個塊與17991 個節(jié)點組成,模型采用摩爾庫倫模型,基坑開挖采用分兩步進行,模型x、y 兩側(cè)采用彈性連接,模型低采用固定支座進行連接。本次計算模型涉及5 種材料,具體力學參數(shù)見表3。

表3 基本力學參數(shù)

由圖5 和圖6 可知,結(jié)構(gòu)在開挖后,變形位移最大處為66.7 mm,為邊坡的水平變形,在水庫底的最大隆起變形為46.6 mm。根據(jù)計算結(jié)構(gòu)變形位移較大,但滿足邊坡變形控制80 mm 要求,但對邊坡的影響較大,且爆破過程中對土體的擾動易導致巖土體產(chǎn)生破壞,加劇巖土的損傷,增加邊坡坍塌的風險。故需對邊坡進行保護,爆破后需進行注漿加固,同時需合理的優(yōu)化爆破用藥量。

圖5 爆炸最大荷載沉降變形云圖

圖6 爆炸最大荷載水平變形云圖

4 結(jié)論

通過對地下障礙物的爆破處理影響分析方法可知,本次研究針對孤石與基巖爆破處理時,爆破最大荷載對邊坡的可控影響,得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)相關規(guī)范計算,研究了邊坡與既有建構(gòu)筑物的爆破影響區(qū),同時研究了控制范圍內(nèi)最大的爆炸量控制值。

（2）根據(jù)爆破影響區(qū)的最大爆炸量,合理的設置爆破參數(shù),并計算爆破的最大等效邊界荷載,通過分析可知,最大開挖邊界爆破等效荷載Pe為2.3 MPa,荷載上升時段為0.6 ms,正壓作用時間為5 ms。

（3）通過邊坡最大等效邊界荷載進行有限差分計算分析邊坡的最大的變形位移為66 mm,滿足邊坡變形控制要求,邊坡未失穩(wěn),但對巖石破壞較為嚴重,需采用加固措施,必要時合理優(yōu)化爆破參數(shù)。