爆破荷载对水库边坡结构安全可靠性评估及风险控制技术

2023-07-28刘雨旭

陕西水利 2023年7期

刘雨旭

（赫章县骨干水源工程建设服务站,贵州赫章 553200）

0 引言

爆破施工对周边既有建构筑物带来较大的不利影响,其主要表现为当振动荷载较大时,其变形超过了结构最大变形,会给结构带来破坏从而导致灾害的发生,故有必要分析爆破荷载给结构带来的不利影响,评估结构的安全可靠性。

目前,爆破问题成为了国内外学者研究的热点,如罗忆等[1]综合分析了岩石高边坡和地下洞室围岩的爆破振动破坏机理,动力稳定性评价方法和爆破振动对新浇混凝土影响等方面的研究现状与进展,介绍了国内矿山、水电及核电行业采用的有关建（构）筑物,岩石高边坡、地下洞室围岩、基岩以及新浇混凝土的主要爆破振动安全判据标准,并与国外相关标准进行比较,分析讨论了以往爆破振动破坏机理研究中存在的问题以及现有爆破安全判据中的不足。陈明等[2]基于岩质边坡爆破振动高程响应机制的理论分析以及边坡开挖爆破振动的数值模拟与实例分析,研究边坡爆破振动速度的高程放大效应。陈士海等[3]通过波动微分方程和分离变量法结合高地应力作用下砂岩类材料参数的变化规律求得适用于高地应力下的爆破地震波传播解析解,并通过实例分析,给出了隧道围岩中质点振动速度、加速度、应变参数随地应力大小变化规律,并借助物理模型试验装置对隧道围岩爆破振动响应随地应力的变化规律进行模型试验研究,最后将试验结果与解析解进行对比。本文以西南地区某水下隧道工程爆破施工为例,根据周边的既有边坡及建筑物与爆破点的距离进行分析爆破施工对水库边坡的影响程度。

1 工程概况

西南某水下隧道位于大型水库下方,隧道采用圆形盾构下穿,其开挖掘进直径7.03 m,盾构结构外径6.7 m,内径6 m,盾构下方存在不均匀的基岩,同时局部地段进行地质取芯补勘,发现基岩孤石4 处。根据基岩及孤石对盾构掘金的影响,隧道发现的孤石及基岩凸起需要在盾构机通过前进行爆破处理。爆破区域临近水库的破面,与右线爆破区域最近距离为30 m,与左线爆破区域最近距离为148 m。周边建筑物及水库现状见图1。

图1 项目的平面位置图

根据详勘报告所示,岸上段隧道主要穿越地层为耕植土、粉质粘土、全风化粉砂岩、中风化粉砂岩。水库段主要为淤泥质土、粉质粘土、全风化粉砂岩、中风化粉砂岩。

2 爆破方案及荷载影响

2.1 爆破装药量控制

为保证盾构的顺利掘进,盾构掘进面内的孤石及基岩凸均需预处理,预处理方式采用预爆破进行。即先通过超前地质钻探的方式确定孤石及基岩的地质情况、大小与所处的位置,当具体位置大小确定后,计算其所需装药量,利用地质钻孔对岩石进行钻孔作业,并将炸药安装至爆破处,再进行岩石破碎、解体作业。施工过程中应根据爆破对边坡及周边建筑物的影响,严格控制单段起爆的最大装药量、爆破震动、爆破密度以及爆破的施工安全。

地质钻孔机采用直径为108 mm 钻杆垂直取孔,如遇到软弱土层,则需采用PVC 管进行护孔钻孔,作业未完成前,禁止安装炸药。钻孔深度应满足设计要求的深度,一般情况下钻至岩石面以下1 m 的距离,钻孔完成后需清理孔洞,并保持畅通。

炮孔位置、垂直度需准确,因此取孔时应采取以下措施：炮孔的孔距、排距应通过全站仪等测量仪器设备定位。

由于孤石、基岩凸起边界存在不精确性,施工时爆破孔布置必须超出孤石、基岩凸起范围,以保证爆破效果。

为了保证爆炸安全,需对炮孔架空防护、重型压盖,架空高度0.6 m,见图2。

图2 炮孔覆盖图

为保证本工程爆破施工不影响周边建筑物及管线,必须严格限制最大段药量、爆破震动、爆破密度以及爆破的施工安全。为此,依据《爆破安全规程》所建议的爆破地振速度计算公式,计算得到不同建（构）筑物在不同距离处所允许的最大段药量。爆破振速计算公式v：

式中：R 为爆破安全距离,m；Q 为炸药所需用量,kg,岩石爆破根据安全因素考虑最大段药量；为地震安全速度,cm/s；K、α为根据爆破区的地质情况及安全风险源所确定系数,工程所在水库下方,其地质与粉砂岩为主,故建议取K=150、α=1.5。

根据相关规范,对房屋等建筑物所允许最大爆破振动速度的规定,见表1。

表1 爆破安全允许速度

因此参照表1,对永久性岩石边坡最大爆破振动允许速度取9.0 cm/s,对最近的一般民房最大爆破振动允许速度取2 cm/s。由此得到建筑物及管线在不同距离处所允许的最大段药量计算值见表2。

表2 建筑物及边坡所允许的最大药量计算值

2.2 爆破震动等效荷载

根据相关学者研究可知,爆破数值模型作用往往在炮孔壁上,其力表现为半理论半经验的爆破荷载曲线[4],根据目前现有的理论值可知,荷载曲线以较为经典的近似抛物线型荷载,指数分布荷载和三角形分布荷载。但在实际工程中,一直基于爆轰理论与爆腔膨胀理论得出的三角形脉冲荷载模拟炮孔壁的冲击荷载为主要的荷载数值模型,其过程由三部分组成,根据时间的先后顺序可分为上升期,荷载峰值期,正压时段期,见图3。

图4 结构模型图

根据三个时期的Chapman-Jouguet 理论[5],该荷载为耦合受力的过程,其装药时的荷载峰值强度见下式：

式中：Pd为荷载峰值期最大值；ρo为装药根据钻孔所计算的装药密度；D 为炸药传递荷载的速度 , 也称为炸药爆速。

对应的荷载的时程曲线可以表t示为：

式中：ti为上升期；te为正压时段期。

式中：EV为岩体变形模量；r 为对比距离；u 为岩石泊松比,取0.4。

根据爆破模型,岩石在发生爆破时,其破坏形式为衰减的过程,根据破坏程度可以分为岩石完全破坏区,岩石损坏区,及未破坏区三个部分,如果将岩石破坏认定为爆破源,则可根据爆破源获得爆破边界的受力荷载,将该荷载认定为爆破荷载,见下式：

式中：db为钻孔直径,df为完全破坏区直径,即需爆破的基岩及孤石范围；dp为发生破坏区直径,及爆破影响范围。

根据施工设计,以最大炮孔至边坡最不利距离进行分析,最近的爆区采用,炮孔直径为24 mm,炮孔间距800 mm,采用耦合装药。装药密度为800 kg/m3,炸药爆速为2400 m/s,等熵指数为3,总装药量38.33 kg,最大单响起爆药量5.2 kg,每循环进尺2 m。通过计算可知,最大开挖边界爆破等效荷载Pe为2.3 MPa,荷载上升时段为0.6 ms,正压作用时间为5 ms。

3 最不利爆炸荷载下的变形计算

结构为11736 个块与17991 个节点组成,模型采用摩尔库伦模型,基坑开挖采用分两步进行,模型x、y 两侧采用弹性连接,模型低采用固定支座进行连接。本次计算模型涉及5 种材料,具体力学参数见表3。

表3 基本力学参数

由图5 和图6 可知,结构在开挖后,变形位移最大处为66.7 mm,为边坡的水平变形,在水库底的最大隆起变形为46.6 mm。根据计算结构变形位移较大,但满足边坡变形控制80 mm 要求,但对边坡的影响较大,且爆破过程中对土体的扰动易导致岩土体产生破坏,加剧岩土的损伤,增加边坡坍塌的风险。故需对边坡进行保护,爆破后需进行注浆加固,同时需合理的优化爆破用药量。