基坑巖體開挖爆破振動對臨近灌漿帷幕的影響研究

高 威，陳 明，鄧 珂，覃鈺章

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430072；3. 廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 南寧 530023)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分水利樞紐的通航建筑物已經(jīng)不能滿足需求，因此需要對原有工程進(jìn)行擴(kuò)機(jī)增容。爆破作為目前擴(kuò)機(jī)開挖的主要手段，其產(chǎn)生的爆破擾動將影響爆源附近建(構(gòu))筑物的安全，尤其是為地基防滲而設(shè)置的灌漿帷幕。受爆破振動影響的灌漿巖體產(chǎn)生附加應(yīng)力和應(yīng)變，可能導(dǎo)致灌漿帷幕的損傷甚至破壞，從而影響工程的正常施工及運(yùn)行，因此研究巖體爆破開挖對臨近灌漿帷幕的影響具有重要的工程應(yīng)用價值。

灌漿帷幕中存在大量薄層水泥結(jié)石充填的結(jié)構(gòu)面，不少學(xué)者圍繞應(yīng)力波和結(jié)構(gòu)面的相互作用展開研究。俞縉等[1]針對結(jié)構(gòu)面模型的建立、波傳播規(guī)律的研究方法及主要結(jié)論進(jìn)行了較為系統(tǒng)的歸納。薛小蒙等[2]基于廣西銅坑礦實測爆破振動數(shù)據(jù)，利用ANSYS數(shù)值軟件，研究了不同厚度、角度和充填材料的結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波的影響規(guī)律。Zhao XB 和Wang ZL[3-4]等通過模型試驗和數(shù)值方法研究了結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、分布、特性以及填充物對應(yīng)力波傳播的影響?；趹?yīng)力波與結(jié)構(gòu)面的相互作用，一些研究圍繞灌漿帷幕的爆破振動響應(yīng)規(guī)律展開。許紅濤等[5]運(yùn)用應(yīng)力波理論研究了爆炸應(yīng)力波與灌漿帷幕的相互作用過程，并從理論上探討了灌漿帷幕處的安全質(zhì)點(diǎn)峰值振速。陳明等[6]結(jié)合葛洲壩樞紐擴(kuò)機(jī)工程，分析了不同基巖條件下灌漿帷幕的爆破振動響應(yīng)特性。鐘權(quán)等[7]結(jié)合大渡河深溪溝水電站安裝間灌漿廊道爆破振動實測數(shù)據(jù)，優(yōu)化了相關(guān)的爆破參數(shù)。

現(xiàn)有研究多側(cè)重于結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響以及爆破荷載作用下灌漿帷幕的振動響應(yīng)，很少針對爆破開挖對灌漿帷幕的損傷影響展開。因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS-LSDYNA拉壓損傷模型，建立了某水電樞紐擴(kuò)機(jī)工程的有限元模型，設(shè)置了不同荷載強(qiáng)度、不同灌漿材料強(qiáng)度、不同巖體強(qiáng)度多種工況，對基坑巖體爆破開挖下對灌漿帷幕影響進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

1 工程概況

某航運(yùn)樞紐位于廣西省珠江水系西江干流，整個樞紐工程包括：船閘工程、攔河壩工程、電站工程、公路交通橋等，具有航運(yùn)、發(fā)電、交通等綜合效益。該航運(yùn)樞紐電站因原技改增容后裝機(jī)容量仍然偏小，水能未能充分有效分利用而準(zhǔn)備對電站進(jìn)行再一次擴(kuò)機(jī)。該樞紐水電站擴(kuò)機(jī)工程主要由引水建筑物、廠房建筑物、臨時建筑等組成，布置在原樞紐工程左岸。水電站擴(kuò)機(jī)工程涉及的廠房深基坑開挖工程平面布置圖如圖1。

圖1 某廠房基坑開挖工程平面布置圖

基坑區(qū)域為微風(fēng)化層的白云巖和閃長玢巖，其承載力及抗剪強(qiáng)度均較好，但其中夾的薄層灰黑色泥巖，物理力學(xué)性質(zhì)相對較差，抗剪強(qiáng)度及承載力較低，失水暴曬后易崩解。擬開挖的廠房基坑岸坡側(cè)自20 m高程挖到-3.5 m高程，基坑岸坡側(cè)輪廓線距邊坡坡腳僅4～5 m，基坑河床側(cè)輪廓線距縱向圍堰堰腳2.5 m，廠房段基坑輪廓距離灌漿帷幕僅3 m。涉及到臨近灌漿帷幕區(qū)的爆破開挖。廠房深基坑開挖使用爆破手段，必然引起爆破振動的傳播與作用，對臨近的廠房灌漿帷幕造成一定的安全影響。

2 灌漿帷幕振動響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 計算方法及計算模型

本次研究采用胡英國等[8]提出的ANSYS-LSDYNA拉壓損傷模型，可以有效反映爆破作用下巖體的拉、壓損傷情況。模型中描述拉伸損傷和壓縮損傷的表達(dá)式分別如下：

(1)

(2)

爆破損傷模型的損傷系數(shù)D與聲波降低率η的對應(yīng)關(guān)系：

D=1-(1-η)2

(3)

根據(jù)規(guī)范[10]中規(guī)定，當(dāng)聲波波速降低率大于10%時，即判定巖體受到爆破損傷，由此計算可得爆破損傷模型的損傷變量D的損傷門檻值為0.19。

該水電樞紐擴(kuò)機(jī)工程基坑開挖計算模型如圖2所示，模型由圍堰、基巖和灌漿帷幕組成，基巖按照巖性又分為白色斑狀白云巖、白云巖雜黑色泥巖和泥巖夾層。模型尺寸為75 m×20 m，灌漿帷幕寬度為2 m，在各節(jié)點(diǎn)施加Z方向約束，網(wǎng)格劃分采用映射和自由網(wǎng)格相結(jié)合的方式，左右邊界和底部邊界設(shè)置無反射邊界以模擬無限巖體。

圖2 某水電樞紐擴(kuò)機(jī)工程基坑開挖模型示意圖

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 爆破振動荷載

該基坑開挖工程爆破區(qū)距離縱向圍堰及灌漿帷幕很近，為避免爆源后沖向(即拋擲的反方向)正對縱向混凝土圍堰和帷幕灌漿等重要建(構(gòu))筑物，臨近基坑輪廓面部位的巖體擬定采用淺孔爆破方案。灌漿帷幕的爆破振動響應(yīng)分析中，主要分析輪廓(光面)爆破荷載對灌漿帷幕影響。為簡化數(shù)值模擬，可以將爆炸荷載曲線施加在破碎區(qū)的彈性邊界上。

淺孔光面爆破[11]時，等效到彈性邊界的爆炸荷載Pbe(t)為

(4)

式中：Pbe為爆炸荷載峰值；D是炸藥爆轟速度；n為爆轟產(chǎn)物碰撞炮孔壁時壓力增大系數(shù)；a為裝藥直徑，b/a為裝藥耦合系數(shù)；S為相鄰兩炮孔之間的距離；α為軸向裝藥比，k、γ為絕熱指數(shù)。

在仿真計算中，爆破等效荷載峰值按照式(4)計算，爆炸荷載參數(shù)如表1。淺孔光面爆破時為18.7 MPa。

表1 爆破荷載參數(shù)

對于爆炸荷載的作用時間，很多學(xué)者[12-13]曾利用現(xiàn)場試驗來研究爆破荷載的變化歷程，由于三角荷載計算簡單，所以目前更多地被人們使用[14-15]。

爆破荷載的作用時間至今沒有非常統(tǒng)一的計算方法，根據(jù)經(jīng)驗[16]，荷載持續(xù)時間一般為荷載上升時間的4倍左右，本研究取爆破荷載的上升時間為0.8 ms，爆破荷載的持續(xù)時間為3 ms。爆破荷載示意圖如圖3所示。

圖3 爆破荷載示意圖

2.2.2 模型力學(xué)參數(shù)

參考相關(guān)工程地質(zhì)勘察資料可得到相關(guān)巖體及圍堰的動力學(xué)參數(shù)[17-18]，帷幕灌漿后，水泥結(jié)石充填于原有結(jié)構(gòu)面或裂隙中，根據(jù)齡期的不同，其彈性模量和強(qiáng)度均會有不同程度的提高[19-20]。為研究不同灌漿材料強(qiáng)度下爆破振動對灌漿帷幕的影響，對不同灌漿齡期設(shè)立了三種工況，參照李夕兵等[21-22]通過試驗得到的灌漿巖體強(qiáng)度，分別對三種齡期的灌漿帷幕參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)取值。在相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，模型各部位動力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖石及帷幕動力學(xué)參數(shù)

2.3 計算工況

共設(shè)置7種計算工況，其中，工況1、2、3設(shè)置了相同的材料強(qiáng)度(養(yǎng)護(hù)齡期)和巖性，不同的爆心距，以探究不同爆破荷載強(qiáng)度下爆破開挖對灌漿帷幕的影響規(guī)律；工況2、4、5設(shè)置了相同的爆心距和材料強(qiáng)度，不同的巖性，以探究不同巖體強(qiáng)度下爆破開挖對灌漿帷幕的影響規(guī)律；工況2、6、7設(shè)置了相同的爆心距和巖性，不同的養(yǎng)護(hù)齡期，以探究不同材料強(qiáng)度下爆破開挖對灌漿帷幕的影響規(guī)律。工況設(shè)置如表3。

表3 計算工況

3 計算結(jié)果分析

3.1 爆破荷載對帷幕損傷的影響

由于泥巖的物理性質(zhì)軟弱，所以基巖處只有泥巖夾層會出現(xiàn)部分損傷，但本研究側(cè)重于觀察基坑開挖時爆破振動對灌漿帷幕的影響，所以主要研究對象選在灌漿帷幕區(qū)域。

不同爆心距工況下灌漿帷幕損傷圖如圖4，隨著爆心距的減小，傳遞到帷幕處的爆炸荷載強(qiáng)度逐漸增大，從而導(dǎo)致灌漿帷幕的損傷范圍增大，損傷程度加劇。

圖4 不同爆心距工況下灌漿帷幕損傷圖

圖5給出了不同爆心距工況下?lián)p傷變量D與灌漿帷幕內(nèi)峰值振速(PPV)的對應(yīng)關(guān)系曲線。在爆心距為9 m工況下，當(dāng)PPV達(dá)到4.9 cm/s時，開始出現(xiàn)損傷，隨著損傷加劇，當(dāng)PPV達(dá)到9.6 cm/s時，達(dá)到臨界損傷值(D=0.19)，當(dāng)PPV大于27.6 cm/s時，帷幕處完全損傷。爆心距為6 m和3 m的工況下開始出現(xiàn)損傷，臨界損傷和完全損傷時對應(yīng)的PPV值大致相等。

3.2 巖體強(qiáng)度對帷幕損傷的影響

不同巖體強(qiáng)度工況下灌漿帷幕損傷圖如圖6所示，隨著巖體強(qiáng)度降低，帷幕處損傷范圍增大，損傷程度加劇。

圖5 不同爆心距工況下PPV與損傷變量關(guān)系曲線

圖6 不同巖體強(qiáng)度工況下灌漿帷幕損傷圖

圖7給出了不同巖體強(qiáng)度工況下?lián)p傷變量D與灌漿帷幕內(nèi)峰值振速PPV的對應(yīng)關(guān)系曲線。隨著巖體強(qiáng)度增加，帷幕處的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度減小，開始出現(xiàn)損傷的PPV值、臨界損傷PPV值和完全損傷的PPV值都會增大。工況2、4、5下?lián)p傷變量D=0.19時對應(yīng)的臨界損傷PPV分別為7.9，8.3和9.7 cm/s。

圖7 不同巖體強(qiáng)度工況下PPV與損傷變量關(guān)系曲線

3.3 灌漿帷幕齡期對帷幕損傷的影響

不同灌漿材料強(qiáng)度(灌漿齡期)工況下灌漿帷幕損傷圖如圖8所示，隨著灌漿材料強(qiáng)度降低，帷幕處損傷范圍增大，損傷程度加劇。

圖8 不同灌漿材料強(qiáng)度(灌漿齡期)工況下灌漿帷幕損傷圖

圖9給出了不同灌漿材料強(qiáng)度工況下?lián)p傷變量D與灌漿帷幕內(nèi)峰值振速PPV的對應(yīng)關(guān)系曲線。隨著灌漿材料強(qiáng)度增加，帷幕處的最大質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度基本一致，大致在28 cm/s左右。開始出現(xiàn)損傷的PPV值、臨界損傷PPV值和完全損傷的PPV值都會增大。工況2、6、7下?lián)p傷變量D=0.19時對應(yīng)的臨界損傷PPV分別為9.7，8.9 cm/s和8.2 cm/s。

圖9 不同灌漿材料強(qiáng)度(灌漿齡期)工況下PPV與損傷變量關(guān)系曲線

3.4 爆破振動對帷幕的影響及控制

根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5135-2013)和不同工程灌漿帷幕區(qū)的爆破安全振速控制標(biāo)準(zhǔn)[16,23]，張正宇提出灌漿帷幕的安全允許爆破振動速度為5 cm/s。上文提到的損傷變量D=0.19對應(yīng)的PPV為開臨界損傷PPV值，在不同工況下臨界損傷PPV值也會有一定變化，整體范圍在8～10 cm/s左右。

水中央[24]在黑河工程大壩施工過程中，實測了爆破作業(yè)時灌漿帷幕的峰值振速，并得到爆破對灌漿帷幕損傷的臨界標(biāo)準(zhǔn)值為13.25 cm/s。這與本文得到的臨界損傷PPV相比比較接近。

4 結(jié) 語

本文基于某水電樞紐擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)行了拉壓損傷的有限元數(shù)值模擬，分析了基坑巖體爆破開挖對臨近灌漿帷幕的影響，得到如下認(rèn)識：

1)隨著爆破荷載增大，灌漿帷幕的損傷范圍增大，損傷程度加劇，但荷載大小并不會影響損傷系數(shù)與帷幕處最大峰值振速的關(guān)系；

2)隨著巖體強(qiáng)度增加，帷幕處峰值振速整體降低，帷幕處損傷范圍減小，損傷程度減輕，開始出現(xiàn)損傷、臨界損傷和完全損傷對應(yīng)的峰值振速都會增大；

3)隨著帷幕處灌漿材料強(qiáng)度增大，帷幕處損傷范圍減小，損傷程度減輕，開始出現(xiàn)損傷、臨界損傷和完全損傷對應(yīng)的峰值振速都會增大；

4)灌漿帷幕的臨界損傷系數(shù)對應(yīng)的爆破振動峰值速度在8～10 cm/s左右。