深埋地下硐室爆破振動(dòng)安全間距分析

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深埋地下硐室爆破振動(dòng)安全間距分析

王金昌李俊彥彭振華海工英派爾工程有限公司

作為水封油庫的地下硐室通常按照硐室群的結(jié)構(gòu)形式來布置，一般具有鄰近硐室數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜密集的特點(diǎn)。如果爆破工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，則爆炸釋放出的巨大能量會(huì)引起一系列危及工程安全的問題，影響地下水封油庫的正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元分析軟件來模擬爆破開挖對某地下水封石油硐庫圍巖動(dòng)力響應(yīng)的影響，研究內(nèi)容主要包括爆破開挖引起的相鄰已開挖硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分布情況，以及沿硐室軸向的傳播規(guī)律，從而確定合理的地下硐室安全距離。

爆破振動(dòng)；地下硐室；峰值振速；安全距離；數(shù)值模擬

本文借助于ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元分析軟件，通過數(shù)值模擬的方法研究主硐室爆破開挖對鄰近硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)的影響、硐室凈間距對鄰近硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)的影響，以及硐室的最小凈間距。

1　有限元模型

地下水封硐庫擬建規(guī)模為500×104m3，分為10個(gè)硐室。單個(gè)硐室容積約為50×104m3，硐室斷面形狀為直墻圓拱形，硐室跨度為20m，高度為30m，長約800m。每兩個(gè)硐室構(gòu)成一個(gè)硐罐，同一硐罐的兩個(gè)硐室凈間距為69m，兩個(gè)硐罐之間的凈距離為40m。本文將凈距離為40m的兩個(gè)硐室作為分析對象，模擬在左側(cè)硐室矩形截面中部單段集中裝藥為64.8kg爆破開挖時(shí)，鄰近硐室圍巖的峰值振速分布規(guī)律。

在建立有限元數(shù)值模型時(shí)，以炸藥中心位置為原心、水平方向指向右邊墻為x方向、鉛直向上為y方向、硐軸線方向離開掌子面為 z方向，并統(tǒng)一采用m-kg-s單位制，共由巖體、空氣和炸藥三種材料組成。模型整體尺寸為160m×120m×120m，有限元數(shù)值模型如圖1所示。

在計(jì)算中將模型的6個(gè)外邊界均施加法向位移約束，即 x=110m和-50m面的Uy=0， y=60m 和-60m面的Uy=0， z=60m和-60m面的Uz=0。另外由于所研究硐室為深埋硐室，而且該模型只是無限巖體的一部分，為消除人為邊界面的反射波對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，將模型6個(gè)面均設(shè)為無反射邊界面。模型邊界如圖2所示。

圖1　計(jì)算模型

圖2　模型邊界約束

根據(jù)勘察報(bào)告及鉆孔巖芯統(tǒng)計(jì)資料，工程場地內(nèi)的深部巖體較完整，裂隙稀疏，選取LS-DYNA中的塑性隨動(dòng)硬化材料模型MATPLASTICKINEMATIC作為圍巖模型。塑性隨動(dòng)硬化材料模型可考慮與材料的應(yīng)變率相關(guān)的失效作用。其應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應(yīng)變率有關(guān)的因素表示的材料屈服應(yīng)力σy，見如下公式[1]

式中ε為材料的應(yīng)變率，無量綱；C和P為Cowper-Symonds模型中應(yīng)變率參數(shù)，無量綱； σ0為材料的初始屈服應(yīng)力（Pa）；E為材料的彈性模量（Pa）；為材料的切線模量（Pa）；為材料的有效塑性應(yīng)變，無量綱； β為模型的硬化參數(shù)，無量綱， β=0～1，0表示模型僅考慮隨動(dòng)硬化、1表示模型僅考慮各向同性硬化。

巖體模型的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)原位巖體試驗(yàn)和室內(nèi)巖樣試驗(yàn)計(jì)算求得，具體數(shù)值如表1所示。

表1　巖體材料參數(shù)

在爆炸的數(shù)值模擬中，由于炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物壓力p波動(dòng)范圍很大，一般在0.1～1000MPa，材料模型的狀態(tài)方程很難適合這個(gè)范圍。炸藥材料選用LS-DYNA中的MATHIGHEXPLOSIVEBURN模型來模擬。其中爆轟壓力p與單位體積內(nèi)能E0、相對體積V的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程來描述。JWL狀態(tài)方程是通過圓桶爆破實(shí)驗(yàn)，得到爆轟產(chǎn)物等熵線隨炸藥初始密度和爆速而變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過熱力學(xué)原理計(jì)算得到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。JWL狀態(tài)方程具有精確的物理意義，可以對爆炸過程中產(chǎn)生的壓力做出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相近的預(yù)測，因而在爆炸問題的數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用[2]。該模型在模擬炸藥爆炸過程時(shí)，爆轟產(chǎn)物的壓力 p （Pa）與相對體積V和單位體積初始能量E0的函數(shù)方程如式（2）所示

式中 A、B均為炸藥材料的有關(guān)參數(shù)（Pa）；R1、R2、ω表示炸藥材料的相關(guān)常數(shù)，無量綱；V為單位體積炸藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物體積，無量綱；E0為炸藥的初始單位體積內(nèi)能（J/m3）。

實(shí)際過程中所用的3#巖石乳化炸藥的材料參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)見表2所示。

表2　3#巖石乳化炸藥材料參數(shù)

為真實(shí)反映爆破振動(dòng)作用下硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)，需要在地下硐室開挖部分建立空氣材料模型。在LS-DYNA中，通常采用MATNULL材料模型來模擬空氣材料，其狀態(tài)方程采用EOSLINEAR POLYNOMIAL來描述[3]?？諝獠牧系膲毫χ?p(Pa)表示為空氣的單位初始體積內(nèi)能E0的線性關(guān)系，由公式（3）給出

式中 μ=ρ/ρ0； ρ為當(dāng)前密度（kg/m3）； ρ0為初始密度（kg/m3）；E0為材料的單位初始體積內(nèi)能（J/m3）；C0～C6為狀態(tài)方程參數(shù)，無量綱。

在ANSYS/LS-DYNA中可供模擬巖土體中炸藥爆炸的數(shù)值計(jì)算方法有：共用節(jié)點(diǎn)算法、面面接觸算法、侵徹接觸算法和流固耦合算法等[4]。文獻(xiàn)[5]在對比不同算法的計(jì)算結(jié)果之后，得出采用共用節(jié)點(diǎn)算法與滑動(dòng)接觸算法獲得的結(jié)果與爆破實(shí)際比較符合，同時(shí)這兩種算法獲得的計(jì)算結(jié)果也比較一致。事實(shí)上每一種計(jì)算方法中都有多個(gè)控制選項(xiàng)，其參數(shù)的不同取值直接影響到計(jì)算結(jié)果。因此對于一個(gè)具體問題，應(yīng)該以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，微調(diào)參數(shù)使計(jì)算結(jié)果與理論解和試驗(yàn)值等相吻合。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文選用共用節(jié)點(diǎn)算法。

2　典型結(jié)果分析

圖3是在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動(dòng)作用下，z=0m平面處迎爆側(cè)直立墻中部質(zhì)點(diǎn)的水平橫向振速時(shí)程曲線和相應(yīng)的頻譜圖。圖4是在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動(dòng)作用下， z=0m平面處背爆側(cè)直立墻中部質(zhì)點(diǎn)的水平橫向振速時(shí)程曲線和相應(yīng)的頻譜圖。

圖3　迎爆側(cè)直立墻中部質(zhì)點(diǎn)水平橫向振速時(shí)程曲線和頻譜圖

由圖3和圖4可以看出：從質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的時(shí)程曲線來看，在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動(dòng)作用下，爆破振動(dòng)波由迎爆側(cè)直立墻中部位置經(jīng)過繞射到達(dá)背爆側(cè)直立墻中部位置后，水平橫向的峰值振速分別由5.10cm/s降低到1.59cm/s，但持續(xù)時(shí)間大幅增加。從質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的頻譜來看，爆破振動(dòng)波由迎爆側(cè)直立墻中部位置經(jīng)過繞射到達(dá)背爆側(cè)直立墻中部位置后，主頻由39Hz降低到24Hz；另外背爆側(cè)直立墻中部位置的頻譜寬度明顯小于迎爆側(cè)直立墻中部位置。

圖4　背爆側(cè)直立墻中部質(zhì)點(diǎn)水平橫向振速時(shí)程曲線和頻譜圖

3　截面峰值振速分布規(guī)律

圖5為z=0m平面處鄰近硐室圍巖截面上水平方向、鉛直方向、硐軸線方向和隧道面法向的峰值振速分布圖。圖5采用極坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為直墻拱形隧道斷面的矩形區(qū)域中心。

可以看出：x方向的最大峰值振速為5.10cm/s，出現(xiàn)在迎爆側(cè)直立墻中部位置；最小峰值振速為1.13cm/s，出現(xiàn)在拱頂位置。 y方向的最大峰值振速為1.51cm/s，出現(xiàn)在底板中部位置；最小峰值振速為0.26cm/s，出現(xiàn)在背爆側(cè)直立墻中部位置。z方向的最大峰值振速為4.82cm/s，出現(xiàn)在迎爆側(cè)直立墻中部位置；最小峰值振速為0.30cm/s，出現(xiàn)在背爆側(cè)拱腳位置。n方向的最大峰值振速為5.10cm/s，出現(xiàn)在迎爆側(cè)直立墻中部位置；最小峰值振速為1.20cm/s，出現(xiàn)在背爆側(cè)拱腳位置。從整體來看隧道迎爆側(cè)的峰值振速遠(yuǎn)大于背爆側(cè)的峰值振速。

圖5　Z=0m截面鄰近硐室圍巖峰值振速分布

4　硐室間距對圍巖峰值振速的影響

設(shè)計(jì)的兩主硐室最小凈間距D=40m，為分析凈間距對鄰近硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響，另外建立了凈間距D=10、20、30和50m的有限元計(jì)算模型。

選取拱頂、迎爆側(cè)拱腳、迎爆側(cè)直立墻中部和迎爆側(cè)墻角4個(gè)相對比較危險(xiǎn)的位置來做分析。由計(jì)算可知，在鄰近硐室圍巖截面上，z=0m平面處迎爆側(cè)直墻中部位置圍巖的法向峰值振速最大。圖6為 z=0m平面處鄰近硐室迎爆側(cè)直墻中部圍巖質(zhì)點(diǎn)的法向峰值振速Vmax與硐室凈間距D的關(guān)系圖。

圖6　鄰近硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速Vmax與硐室凈間距 D關(guān)系

法向峰值振速Vmax與硐室凈間距D的關(guān)系式如式（4）所示

根據(jù)《爆破安全規(guī)程（GB6722）》第6.2.2條的規(guī)定：水工隧道的安全允許振速為7～15cm/s。即可得到在主硐室單響炸藥量為64.8kg的爆破振動(dòng)作用下，與鄰近主硐室的最小凈間距應(yīng)為11～27m。為考慮到其他因素的影響，建議兩主洞室的最小凈間距宜為30m。

5　結(jié)論

通過數(shù)值模擬方法，分析了爆破振動(dòng)作用下地下水封石油硐庫相鄰地下硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

（1）在主硐室單響炸藥量為64.8kg的爆破振動(dòng)作用下，40m凈間距鄰近主硐室圍巖質(zhì)點(diǎn)的爆破振動(dòng)波由迎爆側(cè)直立墻中部位置經(jīng)繞射到達(dá)背爆側(cè)直立墻中部位置后，x方向的峰值振速由5.10cm/s降到1.59cm/s，但持續(xù)時(shí)間大幅增加。主頻由39Hz降到24Hz。

（2）在爆炸源所在平面的鄰近硐室圍巖截面上：x方向的最大峰值振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)直立墻中部位置；最小峰值振速出現(xiàn)在拱頂位置。y方向的最大峰值振速出現(xiàn)在底板中部位置；最小峰值振速出現(xiàn)在背爆側(cè)直立墻中部位置。z方向的最大峰值振速出現(xiàn)在迎爆側(cè)直立墻中部位置；最小峰值振速出現(xiàn)在背爆側(cè)拱腳位置。從整體來看硐室迎爆側(cè)的峰值振速遠(yuǎn)大于背爆側(cè)的峰值振速。

（3）在爆炸源所在的平面上，鄰近硐室圍巖峰值振速Vmax與硐室凈間距D符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。另外根據(jù)《爆破安全規(guī)程（GB6722）》的規(guī)定，在主硐室單響炸藥量為64.8kg時(shí)，建議兩主硐室的最小凈間距宜為30m。

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（0532）89090638、wangjch11@cnooc.com.cn

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.004

王金昌：高級工程師，1985年畢業(yè)于東北石油大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，2005年碩士畢業(yè)于中國海洋大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)，主要從事技術(shù)管理及研發(fā)工作。

2015-01-26