杨忠武



浅埋隧道爆破周边预裂缝减振法减振效果探究

杨忠武

(广西桂物爆破工程有限公司，广西 南宁 530022)

以南宁市江北引水干渠2#隧道工程为背景，为该工程爆破专项施工寻找减振方法，根据预裂缝减振爆破的模拟分析，结果表明，预裂缝的存在能够显著降低爆破振动，在相同的爆破条件下，当预裂缝宽度不变时，爆破振动速度显著降低，最大可降低43.2%，预裂缝深度在一定区间内，随着深度的增大，爆破振动速度降低百分率随之增大，离开这个区间，振速降低百分率曲线逐渐变缓；在相同的爆破条件下，当预裂缝深度不变时，预裂缝能显著降低爆破振动峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加预裂缝宽度降低效果不明显。

浅埋隧道；预裂缝；减振；预裂爆破

近年来，复杂环境条件的隧道工程增加不少，处于市区的隧道工程特点是路线位置易受限制，有些工程埋深浅、所处位置周围建筑物多、人口稠密，时而不可避免地穿越公路、民房、工厂、受保护建筑物等，工程环境复杂多变，施工难度大。隧道等地下工程从技术经济和效率角度考虑，钻爆法以其高效、灵活、适应能力强、经济合理等优势，在隧道掘进过程中依然是主要方法[1−3]。当隧道下穿复杂地形环境、人口稠密、周围建筑物众多的市区时，隧道掘进过程中进行爆破作业必然对周围环境产生影响，此时需要控制爆破振动，寻找隧道爆破振动安全控制技术是关键。国内学者大量的工程试验和数值模拟研究结果说明，利用减震沟能吸收或反射地震波能量，加快爆破地震波衰减，可以有效控制爆破振动[4−10]。根据前人的研究，预裂爆破是一种安全有效的减振方法，其减振效果得到业内人士的广泛认可。本文结合南宁市江北引水干渠2#隧道工程爆破专项施工背景，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟隧道周边有无预裂缝爆破振动，研究周边预裂缝减振法的减振效果，为工程实际提供参考。

1 工程背景

南宁市江北引水干渠2#隧道位于南宁市高新技术产业开发区金沙湖，是南宁市重点工程项目，隧道全长780 m，隧道断面面为6.8 m×10 m(桩号K300＋600~K400＋350)，该隧道穿越的岩层为弱风化砂岩，按坚硬程度划分属软岩，其中上部有素填土、淤泥质黏土、粉质黏土、砂岩、砾岩等。由于2#隧道上部有南宁市绕城公路、邕隆二级路、民房、厂房等建筑物，隧道距上部邕隆二级路最短距离约为8 m、隧道拱顶距民房及厂房等建筑物最近垂直距离约为5 m，适合采用钻爆法开挖[11−12]，在如此近距离进行爆破作业引起的爆破振动极有可能会对隧道上方的公路及民房造成影响。鉴于2#隧道开挖环境复杂、施工难度大、工期紧，因此，结合现场情况，必须开展减振技术研究，以确保公路和民房的安全。

2 隧道爆破周边预裂缝数值模拟 研究

2.1 几何模型尺寸

隧道掘进爆破作业时，由于掏槽孔只有一个临空面，爆破时岩体夹制作用大，掏槽孔需要克服岩体夹制力，为形成效果良好的新自由面，掏槽区域多孔常需要同时起爆，分段起爆或者减少装药量很难达到应有效果，而辅助眼、周边眼有槽空间作为自由面，药量比较容易控制，可以多分段起爆，因此掏槽部分炸药需要量往往最大，为简化模拟过程、消除多种爆破地震波复杂干涉的影响，本文主要对掏槽部分进行模拟。隧道断面宽度为10 m，高6.8 m，隧道埋深(拱顶至地面)为10 m，掏槽布置如图1所示。

采用垂直复式楔形掏槽，内掏槽共4个炮眼，每个炮孔深度0.6 m，孔径40 mm，左右孔距为0.6 m，上下孔距为0.4，每个孔装药卷直径为32 mm的乳化炸药0.3 kg，炸药长度为0.3 m，堵塞0.3 m，内掏槽装药量为1.2 kg；外掏槽共6个炮眼，每个炮孔深度为1.2 m，孔径40 mm，与内掏槽相邻炮孔水平距离为0.4 m，外掏槽孔上下孔距为0.4 m，与隧道底板最近炮孔距离为0.6 m，单孔装药量为0.4 kg，炸药长度为0.4 m，堵塞0.6 m，外掏槽装药量为2.4 kg。各掏槽孔均采用不耦合装药结构，毫秒延时雷管同时起爆，掏槽总药量为3.6 kg，爆破进尺为1 m。

图1 掏槽位置布置

本文利用计算机软件建立三维模型，以隧道掌子面底部中心处为原点，原点向右作为x轴正方向，代表隧道跨度；原点向上作为y轴正方向，代表隧道高度；z轴正方向表示隧道掘进方向，即掌子面前方，z轴负方向表示掌子面后方。整个模型沿着z轴方向建立20 m的模型，掌子面前方未开挖土体10 m，掌子面后方已开挖部分10 m，即模型z方向取值(−10，10)；模型y方向取值(−3.2，16.8)；模型x方向取值(−5，5)，最后形成值为10 m×20 m×20 m的围岩模型，隧道模型为10 m×6.8 m×10 m。根据工程实际情况，分为2个方案模拟：方案一预裂缝宽度为40 mm时，选取预裂缝深度为0 m(无裂缝)、0.5，1，1.5，2，2.5 m共建立6个模型；方案二预裂缝深度等同炮孔深度为1.2 m时，选取预裂缝宽度为0，5，10，20，40，80 mm，共建立6个模型。

2.2 材料参数及算法

本次模拟材料有围岩、炮泥、炸药、空气，材料参数如下：

(1) 围岩和炮泥参数如表1所示。

表1 围岩和炮泥参数

(2) 空气模型状态方程及其材料参数。在有限元软件ANSYS/LS-DYNA中，空气的状态方程形式 如下：

公式中的参数可从表2选取。

表2 空气材料参数

(3) 炸药状态方程及其材料参数。炸药爆炸的爆轰压力用JWL状态方程来表述：

式中，、、1、2、为待定参数；为爆轰产物压力；为爆轰产物相对体积；为爆轰产物初始比内能。

各参数见表3。

表3 2#岩石乳化炸药参数及其状态方程参数

本文在进行模拟时炸药采用ALE算法，围岩和炮泥均采用Lagrange算法，最后将炸药、围岩、炮泥用流固耦合方式进行计算。

2.3 计算结果及分析

如图2所示，在爆源正上方与地表接触处布置测点。虽然《爆破安全规程》中并未明确规定萨道夫斯基公式中采用的是分速度还是合速度。但由于城市浅埋隧道爆破作业地点一般都在市区内，周边是闹市或居民区，受影响因素众多，相比于偏僻位置的爆破工程保护对象更多，倘若选择偏小的安全系数，会增加安全事故的风险，一旦造成事故后果不堪设想，因此本工程对于爆破振动分析采用合速度。计算结果见表4。

图2 测点布置

由表4、表5以及图3可以看出，在相同的爆破条件下，当预裂缝宽度不变时，预裂缝深度的存在，爆破振动速度显著降低，最大可降低43.2%，预裂缝深度在一定区间内，随着深度的增大，爆破振动速度降低百分率随之增大，离开这个区间，振速降低百分率曲线逐渐变缓。预裂缝的存在，可以明显地降低振动速度，起到隔离地震波，降低爆破振动的作用。

表4 不同预裂缝深度、宽度爆破振动峰值合速度

表5 不同预裂缝深度、宽度峰值合速度降低百分率

图3 不同预裂缝深度爆破振动速度降低百分率

由表4、表5以及图4可以看出，在相同的爆破条件下，当预裂缝深度不变时，预裂缝能显著降低爆破振动峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加预裂缝宽度降低效果不明显，当预裂缝宽度从5 mm增加到80 mm，爆破振动速度降低百分率变化很小，几乎是处在一条直线上。

预裂缝的存在即可减弱爆破振动峰值速度，增加预裂缝宽度对减振的贡献很小，因此，在选择一个合理的裂缝宽度后，适当增加预裂缝深度能够明显地减低爆破振动速度。

图4 不同预裂缝宽度爆破振动速度降低百分率

3 结 论

(1) 预裂缝的存在对地震波的传播有减弱阻隔作用，缝中存在的是空气充填物时，由于爆炸的应力波传到预裂缝界面能量反射回爆源区，预裂缝后面的保护物受到的振动大大减弱。

(2) 根据工程实际，利用有限元软件ANSYS/LS- DYNA模拟周边预裂缝隔振可知，在相同的爆破条件下，当预裂缝宽度不变，预裂缝深度的存在使爆破振动速度显著降低，最大可降低43.2%，预裂缝深度在一定区间内，随着深度的增大，爆破振动速度降低百分率随之增大，离开这个区间，振速降低百分率曲线逐渐变缓。

(3) 在相同的爆破条件下，当预裂缝深度不变，预裂缝能显著降低爆破振动峰值速度，降低百分率在38%左右，但增加预裂缝宽度降低效果不明显，当预裂缝宽度从5 mm增加到80 mm，爆破振动速度降低百分率变化很小，几乎是处在一条直线上。

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(2018−06−18)

杨忠武(1991—)，男，广西百色人，研究生，主要从事采矿、爆破、安全等工作。