青黃海底隧道接線工程ZK2+800.8斷面爆破震動控制數(shù)值分析

付迎春

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

青黃海底隧道接線工程ZK2+800.8斷面爆破震動控制數(shù)值分析

付迎春

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

隧道在爆破過程中對地表建筑物的影響很大，對其危害往往估計不足，本文采用動力有限元軟件對青黃海底隧道接線工程ZK2+800.8斷面進(jìn)行爆破震動數(shù)值模擬。采用分段模擬的方法對隧道爆破效果進(jìn)行了分析，并提出了鉆爆設(shè)計方案，從中得出一些基本規(guī)律，對實(shí)際工程提供一些借鑒。

爆破震動 數(shù)值模擬 動力有限元

1 工程概況

青黃海底隧道接線工程是青黃海底隧道的陸上段的隧道工程，由云南路主隧道、四川路主隧道、臺西三路匝道、團(tuán)島二路匝道隧道組成。該工程位于青島市區(qū)內(nèi)交通主干道下方，長1 200 m，主隧道斷面積116 m2，部分區(qū)段隧道穿越或鄰近地面建筑物40余處，又因隧道埋深淺，爆破震動對地面建筑物影響大，這給工程爆破震動控制帶來很大難度。對隧道開挖爆破震動效應(yīng)進(jìn)行分析，選擇合理的爆破方案，控制地面建筑物地表震速以保證其安全就顯得尤為重要。

根據(jù)工程總體狀況，ZK2+800.8里程處為控制斷面，該處隧道位于一處磚混建筑物正下方，磚混建筑物承受地表震動的能力較差，《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的震速標(biāo)準(zhǔn)只有2~3 cm/s，埋深9.8 m，較淺，隧道穿越微風(fēng)化花崗巖地層，Ⅱ級圍巖，上覆地層為第四季雜填土，厚4.5 m，全斷面開挖，起爆藥量大。

2 模型建立

巖石的動彈性模量E=6.25 GPa，泊松比=0.3，容重為22 kg/m3，計算中炸藥密度取1 100 kg/m3，炸藥震速采用3 600 m/s，炮孔直徑40 mm，藥卷直徑32 mm。模型尺寸取35 m×60 m，共劃分4280個單元。采用三角形荷載模式（見圖1），升壓時間1 ms，卸載時間9 ms，粘性邊界，網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示，ZK2+800.8里程處地層參數(shù)如表1所示。

表1 ZK2+800.8里程地層參數(shù)

圖1 掏槽爆破荷載圖示

圖2 掏槽爆破網(wǎng)格劃分

圖3 掏槽爆破炮孔附近網(wǎng)格和荷載

采用分段模擬的方法對隧道爆破設(shè)計進(jìn)行分析，爆破設(shè)計如圖4所示。

圖4 Ⅱ級圍巖爆破設(shè)計圖

3 掏槽爆破計算分析

考慮到掏槽爆破時的裝藥量加大，故模擬時采用偶合裝藥進(jìn)行分析。

（1）特征值分析

對掏槽爆破模型進(jìn)行特征值分析得到前兩階主震型周期分別為0.137 s和0.126 s，阻尼比和分別為0.389和0.001。

（2）時程分析結(jié)果（見圖5至圖11）

圖5 掏槽爆破震中速度時程

圖6 掏槽爆破距震中5 m速度時程

圖7 掏槽爆破距震中10 m速度時程

圖8 掏槽爆破距震中15 m速度時程

圖9 掏槽爆破距震中20 m速度時程

圖10 掏槽爆破距震中25 m速度時程

圖5~圖10質(zhì)點(diǎn)震速峰值分別為：0.102 cm/s、0.049 cm/s、0.084 cm/s、0.115 cm/s、0.112 cm/s、0.094 cm/s，可見此時地表震速峰值并不出現(xiàn)在震中，而是出現(xiàn)在距震中15 m附近，這說明對于復(fù)雜地層情況，要在距震中一定范圍內(nèi)采取防范措施，不能疏忽大意。最大值沒有超過規(guī)范規(guī)定的允許值2~3 cm/s中的最小值2 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)，故在此不需做主震頻率分析，從圖11可以明顯看出交界面的反射作用。

圖11 42 ms合速度云圖及地表速度曲線

4 輔助眼和周邊眼爆破計算分析

輔助眼和周邊各段計算時炸藥密度取1 100 kg/m3，炸藥爆速為3 600 m/s，炮孔直徑40 mm，輔助眼藥卷直徑32 mm，周邊眼選用20mm小直徑藥卷，采用時間間隔50 ms的分段爆破，炮孔內(nèi)爆炸壓力峰值為1.64 GPa。各段爆破震速峰值見表2，各段地表各點(diǎn)震速峰值曲線如圖12~圖25所示。

表2 各段地表質(zhì)點(diǎn)峰值震速表

圖12 段3地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖13 段5地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖14 段7地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖15 段8地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖16 段9地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖17 段10地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖18 段11地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖19 段12地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖20 段13地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖21 段14地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖22 段15地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖23 段16地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖24 段17地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

圖25 周邊眼地表質(zhì)點(diǎn)震速峰值曲線

從表2可以看出最大峰值震速出現(xiàn)在周邊孔爆破時的震中位置，說明建筑物在此位置是最危險的，最大值為0.93 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的允許值2~3 cm/s，故認(rèn)為此爆破設(shè)計是安全的。雖然各段炮孔基本左右對稱，理論上說對于柱面波，由于相互疊加，地表震中的豎向震速會最大，但模擬結(jié)果顯示圖12、圖13、圖15、圖16、圖17、圖18中最大值并非出現(xiàn)在震中位置，而是出現(xiàn)在距震中一定范圍內(nèi)，而后隨距離的增加，峰值震速逐漸下降。圖21~圖24顯示在進(jìn)行14~17段的隧道底部爆破時，地表震速峰值并不是從震中往兩側(cè)單調(diào)遞減的，而是先減小而后有回升，這一結(jié)果說明了已開挖部分創(chuàng)造的新臨空面對底部炮孔的爆破起到了一定的阻隔作用，并使爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生繞射。

5 結(jié)論

（1）地表震速最大值出現(xiàn)在周邊孔爆破時的震中位置，說明建筑物在此位置是最危險的，最大值為0.93 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的允許值2~3 cm/s，故認(rèn)為此爆破設(shè)計是安全的。

（2）在本工程中采用時間間隔50 ms的分段爆破，周邊眼兩段起爆以及選用20mm小直徑藥卷等控制措施，完全能滿足地面震速要求。

（3）采用有限元對爆破進(jìn)行數(shù)值模擬可以很大程度上改善以前只靠經(jīng)驗公式估算爆破震動的做法，為城市隧道爆破設(shè)計提供了一定的借鑒。

[1]王海亮.工程爆破[M].北京:中國鐵道出版社,2008

[2]鐘建輝.臨近隧道爆破施工對既有建筑物影響的數(shù)值分析[D].天津:天津大學(xué),2005

[3]楊偉林,楊柏坡.爆破地震動效應(yīng)的數(shù)值模擬分析[J].地震工程與工程振動,2005,25(1):(8~13)

[4]Cao Xiaojun, Zhang Jichun, Lu Helin. Numerical simulation and field monitoring analysis on surface vibration resulted from tunnel driving blasting[J].Zhongguo Gonglu Xuebao,2007,20(2):87~91

A Finite Element Analysis of Blasting Vibration of ZK2+800.8 Section in Qingdao-Huangdao Submarine Tunnel Connecting Project

FU Ying-chun
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

The tunnel during the blasting process have a great influence to the building on the surface, its hazards are often underestimated. In this paper this problem is analyzed with numerical method using dynamic finite element program on the base of ZK2+800.8 Section in Qingdao-Huangdao submarine tunnel connecting project. The method of subsection simulation is adopted to analyze the tunnel blasting effect and drilling and blasting design scheme is put forward. We can draw some of some basic regulations and give a number of reference works to the actual engineering.

blasting vibration numerical simulation dynamic finite element

A

1673-1816(2017)03-0006-06

2016-06-18

付迎春（1978-），男，漢，黑龍江哈爾濱人，副教授，研究生，研究方向隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

依托河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項目，項目名稱：城市地下工程爆破施工地表震動效應(yīng)分析研究，項目編號：Z2017131。