管窺城市淺埋隧道的爆破減振范文

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1工程介紹及施工方案

武漢市軌道交通二號線寶通寺車站位于武昌區武珞路地下，呈東西走向，車站總長219．2m，寬18．5m，III號出入口在車站東北角，IV號出入口在車站西北角。兩個出入口過街段采用暗挖法爆破掘進。根據暗挖段所處上軟下硬的地質情況，每個導洞分上下兩個臺階掘進。對于通道頂部的粉質黏土，爆破前已人工掘進，下臺階面則采用爆破掘進。暗挖段上方有800混凝土排水管、800混凝土給水管和100供電電纜管等，主要分布在通道北側該工程采用2＃巖石乳化炸藥，孔深1．2m，當斷面接近管道下方時，嚴格控制藥量，根據車站基坑開挖時的測振數據，通過薩氏公式反演得出每孔藥量不超過500g。由于爆破斷面相對較小，臺階高度較低，沒有采用在隧道掘進中的掏槽爆破方式。結合現場施工情況，為了最大限度降低爆破振動疊加對管線的影響，采用了單孔單段的松動爆破方式。

2數值模擬

2．1巖石模型炸藥爆炸時近區巖石屈服破碎，應變很大，應變率效應明顯，因此采用包含應變率效應的塑性硬化模型來模擬巖石是比較符合實際的。本文采用Cowper－Symonds模型，在屈服應力中引進應變率因子1＋（ε•／C）1P，巖石屈服應力σy與應變率ε•的關系如下：σy＝1＋（ε•／C）1［］P（σ0＋βEPεeffP）（1）EP＝E0EtanE0－Etan（2）式中：σ0為巖石的初始屈服應力，Pa；EP為巖石塑性硬化模量，Pa；Etan為切線模量，Pa；E0為楊氏模量，Pa；ε•為加載應變率，s－1；C和P均為Cowper－Symonds應變率參數，是由材料應變率特性決定的常量，參照文獻［4］中的巖石應力時程曲線和不同應變率下的應力－應變關系，根據式（1）和式（2）可計算得出C、P值；β為各向同性硬化和隨動硬化的硬化參數，0≤β≤1；εeffP為巖石有效塑性應變，按式（3）和式（4）定義：εeffP＝∫t0dεeffP（3）dεeffP＝槡23dεPij（4）式中：t為發生塑性應變的累計時間，s；εPij為巖石塑性應變偏量的分量。巖石的動態抗壓強度隨加載應變率的提高而增大，一般可用式（5）表示巖石動態與靜態抗壓強度的關系式中：σcd為巖石的單軸動態抗壓強度，Pa；σc為巖石的單軸靜態抗壓強度，Pa。工程爆破中，巖石的加載應變率ε•一般為1～105s－1，爆源附近應變率較高，可取ε•＝102～104s－1。由于缺乏相應的實驗和理論分析數據，巖石的動態抗拉強度可近似取為［7－8］：σtd＝σstε•13（6）式中：σtd為巖石的單軸動態抗拉強度，Pa；σst為巖石的單軸靜態抗拉強度，Pa。

2．2狀態方程采用ANSYS／LS－DYNA進行爆破模擬時，常用的方法有兩種：一是直接在模型中賦予炸藥單元屬性；二是將炸藥單元等效為爆炸應力施加在巖石上。為了使模擬更接近實際情況，本文選用第一種方法。采用專用的炸藥JWL狀態方程模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系：P＝A1－ωR1（）Ve－R1V＋B1－ωR2（）Ve－R2V＋ωE0V（7）式中：P為爆炸產物壓力，GPa；A、B均為炸藥材料相關參數，GPa；R1、R2、ω均為炸藥材料常系數；V為相對體積；E0為初始化比內能，GPa。2＃巖石乳化炸藥的密度為1310kg／m3，爆速為4000m／s，炸藥狀態方程的參數取值為：A＝214．4GPa，B＝0．182GPa，R1＝4．2，R2＝0．9，ω＝0．15，E0＝4．192GPa。

2．3數值計算模型根據現場爆破施工參數建立相應的數值計算模型，模型上表面為受控管道最低點所在平面，因此該平面上節點的振動速度可等效為受控管道的振動速度。根據問題的對稱性，取幾何模型的1／2進行有限元建模，對稱面上約束垂直向位移。除自由面外，其他表面采用無反射邊界條件以減小邊界應力波反射的影響，模型計算采用La－grange法。為了減少建模和計算的復雜性，模型中簡化為一個炮孔，整個建模過程采用m－kg－s單位制。同時，為了定量分析比較導洞開挖方式對受控管道的影響，本文還研究了沒有開挖上導洞的施工方式，即分別建立了有上導洞模型和無上導洞模型。

2．4計算結果及分析對受控管道最低點所在水平面（模型上表面）進行振動速度監測，通過對比兩個模型中該水平面上所有節點速度的最大值來判斷兩種開挖方式對受控管道損傷的程度，進而判斷兩種開挖方式的優劣。根據爆破振動在介質中的傳播機理，在兩個模型上表面分別選取可能出現振動速度最大值的節點，記錄其速度時程曲線。模型1上表面節點的速度時程曲線Fig．2Velocity－timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel1上表面節點的速度時程曲線Fig．3Velocity－timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel2在有上導洞的情況下，受控管道最低點所在水平面上振動速度的最大值為－1．25cm／s，速度最大的節點位于邊墻巖石與上導洞斷面所在垂直面在模型上表面的交界處外側。對比分析該模型上表面上大量節點的速度變化規律可知，上導洞的存在改變了爆破地震波的傳播路徑，使得離爆源最近的點并不是振動速度最大的點。在爆破前沒有人工開挖上導洞的情況下，受控管道最低點所在水平面上振動速度的最大值為－2．7cm／s，且位于炸藥上方所對應的上表面。通過比較該表面上大量節點的速度變化規律可知，離爆源的距離越遠，節點振動速度越低。根據經典爆破理論和應力波的傳播規律，與模型2相比，模型1中上導洞的存在使得爆炸應力波發生反射、折射和繞射，減小了質點振動速度最大值并改變了質點振動速度出現最大值的位置。因此，采用上導洞的爆破方案可以減少受控管道最低點所在水平面的最大振速，減振率為53．7％。由于兩個模型中質點振動速度最大值出現的位置不同，因而兩種爆破方案對淺埋管線損傷最嚴重的點也并非在同一位置。根據我國《爆破安全規程》（GB6722—2011）中的爆破振動安全允許標準，并結合設計文件及專家評審意見，取受控混凝土管道最大允許振動速度為1．5cm／s。在該過街隧道的整個施工過程中，管線爆破嚴格保證斷面單次循環進尺，嚴格控制爆破振動對周邊圍巖的擾動及鄰近管線和建筑物的影響，在施工中根據具體的地質情況、鄰近管線環境條件和爆破監測結果不斷優化爆破參數。經過近一個月的施工，受控混凝土管道完好無損，從實踐上證明了該種開挖方式的可行性。

3結論

（1）采用有上導洞的開挖方式可以顯著降低受控混凝土管道的振動，減振率為53．7％。

（2）地形條件改變了爆破地震波的傳播路徑，兩個模型上表面的振動速度最大值出現在不同位置，表明不同的開挖方式對淺埋管線損傷最嚴重的部位是不同的。

（3）通過數值模擬方法可有效分析不同開挖方式對受保護對象爆破振動速度的影響，為爆破減振設計提供定性和定量參考，保證了施工過程中地下管線的安全性。

作者：劉建程鐘冬望單位：武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室武漢科技大學理學院