金牛山隧道下穿高速公路爆破振動(dòng)研究

午向陽，蔣宗全，高 亮，張頂立，朱浩波

(1.中國(guó)水電集團(tuán)，北京 100048;2.北京交通大學(xué) 土木工程建筑學(xué)院，北京 100044)

0 引言

目前的爆破振動(dòng)控制中，最常用的一種方法是在已測(cè)試出的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)薩道夫斯基公式得到爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律，指導(dǎo)以后的爆破工程;另一種方法是采用數(shù)值模擬的方法，在沒有測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)Ρ铺崆邦A(yù)測(cè)，方法既簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確率也相對(duì)較高。

數(shù)值模擬方法分連續(xù)介質(zhì)法和離散單元法，在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)對(duì)波的傳播起著重要的作用。采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對(duì)節(jié)理巖體中爆破過程進(jìn)行數(shù)值分析具有一定的局限性，而離散單元法可以很好地反映結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于巖體的穩(wěn)定性研究，以及散體的運(yùn)動(dòng)分析等。但是，用離散單元法分析巖體中爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的工作還比較少［1-5］，主要是分析了節(jié)理方向?qū)r體爆破振動(dòng)傳播影響，總結(jié)出節(jié)理任意方向下最大振速與RQ-3(R為測(cè)點(diǎn)與振源的距離，Q為裝藥量)之間的關(guān)系曲線;模擬了爆破振動(dòng)波在節(jié)理巖體中的傳播，提出節(jié)理剛度對(duì)波的傳播影響很大;模擬了爆破荷載的巖體振動(dòng)，得出巖體質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻隨爆源距離的衰減規(guī)律等。

本文結(jié)合新建鐵路金牛山隧道爆破開挖監(jiān)測(cè)，采用離散元軟件UDEC模擬隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)波的傳播規(guī)律和衰減特征，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較，旨在驗(yàn)證UDEC在模擬淺埋隧道掘進(jìn)爆破荷載作用下地表振動(dòng)規(guī)律的實(shí)用性。

1 工程概況

金牛山隧道進(jìn)口里程 DK465+335，出口里程DK467+240，全長(zhǎng)1 905 m，隧道內(nèi)為3‰和12‰的上坡，DK466+365—DK466+635區(qū)段設(shè)置在 R=8 000 m的豎曲線上，其余位于R=9 000 m的曲線上。隧道位于丘陵緩坡，地形起伏較大。隧道最大埋深35.37 m，山坡自然坡度約15°～20°。如圖1所示，隧道在DK466+230—DK466+330區(qū)段下穿京福高速公路C匝道(京福至肥城方向)，交角14.57°。匝道為兩車道及一緊急?？寇嚨溃瑢?2 m。隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)铰访娴木嚯x為9.28 m。在 DK466+560—DK466+660區(qū)段下穿京福高速公路正線，交角37°，路寬約36 m，隧道開挖頂面到路面的距離為12.54 m。

圖1 下穿京福高速公路示意

隧道區(qū)地層為太古代泰山群花崗片麻巖局部夾角閃片巖，灰白～灰褐色，中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育;隧道區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，主要由大氣降水補(bǔ)給。滲透系數(shù)E=0.05～0.40 m/d。地下水埋深10.10～12.05 m，水位季節(jié)變幅為2～10 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)爆破監(jiān)測(cè)

振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由拾振器、記錄儀和筆記本電腦組成，采用成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的IDTS 3850型2通道爆破振動(dòng)分析儀記錄振動(dòng)信號(hào)。該儀器的最高采樣頻率為200 kSps，可分8段記錄數(shù)據(jù)，每段存儲(chǔ)深度為16 kB，采樣延時(shí)為0～-12 kB，分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)2種形式，輸入滿量程為400 mV至20 V。傳感器、拾振儀見圖2和圖3。

圖2 傳感器

圖3 拾振儀

傳感器埋設(shè)在公路的一個(gè)固定點(diǎn)上，用石膏將其固定，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定不變。隨著隧道掌子面的推進(jìn)，炸藥中心與測(cè)點(diǎn)之間的距離不斷變化，而同時(shí)爆破的單段最大裝藥量基本保持不變。采用拾振儀對(duì)下穿段的高速公路路面爆破振動(dòng)進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列于表1。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 計(jì)算模型和輸入?yún)?shù)

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際的研究目的，數(shù)值分析將隧道的橫斷面作為研究對(duì)象。為了節(jié)省時(shí)機(jī)，且由于隧道開挖的對(duì)稱性，故取1/2模型進(jìn)行研究，計(jì)算區(qū)域取為60 m×40 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)洞內(nèi)觀察及地質(zhì)探測(cè)，確定計(jì)算模型中有一組節(jié)理，平均間距取2 m，傾角為85°。模型的底邊界及右邊界均采用黏性邊界，即不反射波的邊界;左邊界采用對(duì)稱邊界。幾何模型見圖4。計(jì)算模型見圖5。

圖4 隧道的幾何模型(單位:m)

圖5 隧道的離散元模型

3.2 爆破荷載

當(dāng)炸藥在巖石中爆炸后，根據(jù)距炮孔中心的遠(yuǎn)近不同，可把整個(gè)巖石區(qū)域分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和振動(dòng)區(qū)。巖石根據(jù)在各個(gè)區(qū)域中的受力不同也表現(xiàn)出流體性、彈塑性和彈性等不同的力學(xué)特性。通常被保護(hù)物距爆源都不是特別近，即大多處于巖石的彈性振動(dòng)區(qū)，這樣一來，數(shù)值模擬的區(qū)域必須要跨越幾個(gè)不同的區(qū)域。因此，要想精確模擬爆破的振動(dòng)作用，需在模型中采用幾種巖石材料模型。在本次計(jì)算中，只考慮彈性區(qū)的振動(dòng)，故采用人工輸入振動(dòng)沖擊波。通常的方法是應(yīng)用與炸藥量、爆破源和巖性相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式將爆破動(dòng)力荷載簡(jiǎn)化成包含峰值、作用時(shí)間和脈沖寬度等參數(shù)的三角形脈沖波。然而，這種簡(jiǎn)化得到的動(dòng)力輸入荷載與實(shí)際情況存在較大的誤差。為了避免這種情況，在本次計(jì)算中，動(dòng)力輸入荷載直接采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的爆源近點(diǎn)速度時(shí)程曲線，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)洞內(nèi)垂直振動(dòng)速度曲線

3.3 巖體的力學(xué)指標(biāo)

一般而言，巖石材料和節(jié)理的動(dòng)態(tài)物理力學(xué)特性參數(shù)都是與應(yīng)變速率相關(guān)的，但對(duì)于巖體的變形模量和泊松比等參數(shù)隨應(yīng)變率的變化幅度很小，通常用相應(yīng)的靜態(tài)參數(shù)表示。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，花崗片麻巖各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見表2和表3。

表2 巖石材料基本力學(xué)特性

表3 巖石節(jié)理基本力學(xué)特性

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 中心點(diǎn)處的垂直速度對(duì)比分析

圖7為隧道開挖面正上方地表點(diǎn)的實(shí)測(cè)振動(dòng)速度與數(shù)值模擬的結(jié)果的對(duì)比。兩曲線比較吻合。

圖7 掌子面正上方地表點(diǎn)垂直方向與實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線

4.2 垂直速度、水平速度隨距離的變化規(guī)律

圖8為數(shù)值模擬垂直振動(dòng)速度、水平振動(dòng)速度及實(shí)測(cè)振動(dòng)速度與爆源距離的衰減曲線?？梢钥闯?，垂直速度隨爆源距離的增大而單調(diào)衰減，在離爆源近的地方，衰減很快;而水平速度隨著爆源距離的增大，開始有個(gè)增大的過程，隨后逐漸減小。研究表明，水平切向速度一般很小，不起決定作用，但水平徑向速度卻不可忽視。此曲線變化趨勢(shì)同樣適用于水平徑向速度。由此可以看出，最大水平徑向速度一般出現(xiàn)在距爆源一定距離處，此距離與埋深有著密切關(guān)系。

圖8 質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度、水平振動(dòng)速度沿水平方向的衰減

本工程對(duì)高速公路振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)，應(yīng)以掌子面正上方的路面、隧道縱向掌子面前面10 m距離處的路面為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，并分別以最大垂直速度和最大合速度來驗(yàn)證其安全性。

4.3 節(jié)理方向?qū)Ρ普駝?dòng)傳播的影響規(guī)律

圖9是在圍巖條件及節(jié)理性質(zhì)不改變的情況下，只去改變節(jié)理方向，計(jì)算得到的節(jié)理方向與最大振速之間的關(guān)系曲線。由圖9可以看出，節(jié)理方向在0°～20°之間時(shí)，地表最大的振動(dòng)速度隨著節(jié)理角度的增大而迅速減小，當(dāng)節(jié)理方向在70°～90°之間時(shí)，地表最大的振動(dòng)速度隨著節(jié)理角度的增大而迅速增大，節(jié)理方向在以上兩個(gè)區(qū)間時(shí)對(duì)振動(dòng)的衰減影響最大;當(dāng)節(jié)理方向在30°～70°之間時(shí)，地表最大的振動(dòng)速度隨著節(jié)理角度的增大變化很小，且在此區(qū)間取得最小值，即此區(qū)間振動(dòng)的衰減最快，減振效果最好。

圖9 質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度隨節(jié)理方向變化曲線

5 結(jié)論

基于以上分析，可以得出如下結(jié)論:

1)用UDEC模擬淺埋隧道爆破對(duì)地表的振動(dòng)，其速度曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合得比較好，故用UDEC研究淺埋隧道爆破振動(dòng)傳播是適合的。

2)對(duì)高速公路地表振動(dòng)的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位應(yīng)為隧道開挖掌子面正上方的地表垂直振動(dòng)速度以及隧道徑向一定距離處地表振動(dòng)的合速度。

3)節(jié)理方向?qū)r體爆破振動(dòng)傳播影響很大，當(dāng)節(jié)理角度為30°～70°時(shí)，對(duì)于爆破振動(dòng)控制最為有利。

［1］趙堅(jiān)，陳壽根，蔡軍剛，等.用UDEC模擬爆炸波在節(jié)理巖體中的傳播［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31(2):111-115.

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