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摘要：某隧道爆破開挖工程采用臺階法爆破施工，基于現(xiàn)場掌子面炮孔布設(shè)，在ＬＳ－ＤＹＮＡ中建立了掌子面精細(xì)化模型，并通過在掌子面布設(shè)多排、多孔徑減振孔對減振孔的振動控制效果進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，通過研究損傷因子云圖，對最優(yōu)減振孔布設(shè)方案的破巖效果進(jìn)行了評價(jià)。研究表明采用２排１５ｃｍ孔徑的減振孔布設(shè)方案可在保證減振效果的基礎(chǔ)上兼顧破巖效果。

關(guān)鍵詞：爆破施工；掌子面；減振孔；損傷因子；破巖效果

１概述

由于爆破法所具有的高效性，在隧道開挖與建筑物拆除作業(yè)中被廣泛的應(yīng)用。但爆破作業(yè)容易對周圍建筑物造成振動影響，爆破振動引起的施工事故不在少數(shù)［１－２］。因此，在爆破施工順利進(jìn)行的基礎(chǔ)上，如何控制爆破振動水平，逐漸成為施工安全的一大難題。其中，布設(shè)減振孔的振動控制方式具有施工難度低、減振效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此被大量運(yùn)用于實(shí)際工程中。已有學(xué)者對核電廠爆破工程中的減振孔減振效果進(jìn)行了研究［３－６］，并給出了減振孔布設(shè)的參數(shù)建議。王劍武［７］基于洛三高速某橋墩的爆破工程，對減振孔的炮眼排距和間距參數(shù)進(jìn)行了研究，通過現(xiàn)場爆破效果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減振孔孔深能獲得良好的減振效果。王洪強(qiáng)等［８］基于ＬＮＧ碼頭的水下爆破工程，利用減振孔和改變裝藥方式等措施，有效降低了水下爆破作業(yè)的振動水平。針對混凝土建筑物、核電廠等工況下的減振孔減振效果研究已有較多，但極少有針對隧洞爆破開挖引起路塹高邊坡振動的研究報(bào)道。且現(xiàn)有時(shí)域最值分析無法獲得振動信號的頻帶能量集中情況。在減振孔布設(shè)方式的研究方面，李曉杰等［９］在爆破工程中布設(shè)了開挖超深的減振孔，運(yùn)用該方案可使振動能量衰減５０％～７５％。樊培山［１０］和陳志剛等［１１］均使用了布設(shè)密集減振孔的方式對核電站和城市深基坑的爆破振動進(jìn)行控制，并取得了良好的振動控制效果。邱進(jìn)芬等［１２］和夏祥等［１３］通過改變減振孔孔徑和孔距等參數(shù)分別使振速衰減了１５％和４５％。綜上所述，減振孔對振速峰值的衰減研究已取得了較多成果，但現(xiàn)有減振孔減振研究大多側(cè)重于減振效果本身及環(huán)境振動控制效果，并未在此基礎(chǔ)上考慮破巖效果。本文基于實(shí)際爆破工程，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元軟件在炮孔周圍布設(shè)多排減振孔，對掌子面近區(qū)的振動能量進(jìn)行衰減分析，最終得到在振動能量控制基礎(chǔ)上，兼顧破巖效果的減振孔布設(shè)方式，該減振孔布設(shè)方案可為爆破施工提供理論參考。

２工程概況

某在建高速公路左線為路塹、右線為隧洞。該工點(diǎn)隧洞長度１５４ｍ、最大埋深５５ｍ，采用鉆爆法由大里程往小里程方向單向開挖。隧洞采用臺階法進(jìn)行爆破施工，掌子面寬度為６．１３ｍ，炮孔裝填藥卷直徑３２ｍｍ的２號巖石乳化炸藥。上臺階每米填裝３節(jié)（０．９ｋｇ）炸藥，下臺階每米填裝２節(jié)（０．６ｋｇ）炸藥，裝藥長度１ｍ～５ｍ，采用毫秒微差起爆方式。由于掌子面已接近洞口Ｖ類圍巖，巖體較為破碎，所以各回次總裝藥量控制在２５ｋｇ～５０ｋｇ，各回次爆破進(jìn)尺０．５ｍ～１．５ｍ。上下臺階炮孔布置情況見圖１，相關(guān)爆破參數(shù)匯總于表１。

３ＬＳ?ＤＹＮＡ掌子面精細(xì)化模型

３．１模型介紹

基于現(xiàn)場掌子面的炮孔布設(shè)（見圖１），掌子面精細(xì)化模型尺寸設(shè)置為１２．５ｍ×５．５ｍ（長×寬），藥卷直徑為３２ｍｍ。模型采用共節(jié)點(diǎn)爆破方式和Ｌａｇｒａｎｇｅ算法，該算法將網(wǎng)格和計(jì)算結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體，有限元網(wǎng)格點(diǎn)即為物質(zhì)點(diǎn)。采用這種算法時(shí)，分析結(jié)構(gòu)形狀的變化與有限元網(wǎng)格的變化是一致的，物體不會在單元與單元之間運(yùn)動。該算法能精確地描述結(jié)構(gòu)的運(yùn)動過程，利于我們在后期能查看到更精確的損傷因子云圖。

３．２材料參數(shù)

為了直觀模擬炸藥引爆形成的爆轟力致使炮孔周圍巖石破碎的效果，在本模型中，掌子面巖體材料選用ＭＡＴ＿ＪＯＨＮＳＯＮ＿ＨＯＬＭＱＵＩＳＴ＿ＣＯＮＣＲＥＴＥ即ＪＨＣ破壞損傷模型。炸藥材料選擇ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ，該材料可用于模擬高爆炸藥。與之匹配的，本模型選用ＥＯＳ＿ＪＷＬ作為炸藥爆炸的狀態(tài)方程，公式如下：Ｐ＝Ａ１－ωＲ１Ｖ?è???÷ｅ－Ｒ１Ｖ＋Ｂ１－ωＲ２Ｖ?è???÷ｅ－Ｒ２Ｖ＋ωＥ０Ｖ（１）其中，Ｐ為爆轟產(chǎn)物壓力；Ｖ為相對體積；Ｅ０為單位體積炸藥的初始內(nèi)能；Ａ，Ｂ，Ｒ１，Ｒ２，ω均為無量綱系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場炸藥選用情況，最終確定炸藥模型參數(shù)見表２。當(dāng)炸藥設(shè)置完畢后，在ＬＳ?ＤＹＮＡ的Ｋ文件中通過?ＩＮＩＴＩＡＬ＿ＤＥＴＯＮＡＴＩＯＮ命令可指定各個(gè)炮孔的起爆時(shí)間，從而準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程中毫秒微差爆破的起爆方式。ＬＳ?ＤＹＮＡ為用戶提供了多種可用力學(xué)邊界如固定邊界等，同時(shí)也可選擇人工邊界，如無反射邊界（黏性邊界）等。若將模型邊界條件設(shè)定為固定邊界，當(dāng)應(yīng)力波傳播到模型邊界時(shí)將會出現(xiàn)反射，造成反射波與入射波的疊加，這種現(xiàn)象與實(shí)際情況不符，故通過Ｋ文件的?ＢＯＵＮＤＡＲＹ＿ＮＯＮ＿ＲＥＦＬＥＣＴＩＮＧ＿２Ｄ命令，將四周邊界設(shè)置為無反射邊界（黏性邊界）以防止應(yīng)力波的反射（見圖２）。

３．３減振孔布設(shè)方案

本工況炮孔排列較為緊密，為了分析減振孔參數(shù)對減振效果的影響，因此在右側(cè)炮孔區(qū)左側(cè)布設(shè)３排減振孔，每排為６個(gè)，當(dāng)減振孔生效時(shí)，將孔內(nèi)單元材料設(shè)置為空氣，反之設(shè)置為ＪＨＣ損傷模型材料，從而可研究減振孔排數(shù)對減振效果的影響。在控制減振孔排數(shù)不變的基礎(chǔ)上，本模型設(shè)置了３ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍ和１５ｃｍ四種減振孔直徑，同排減振孔間的間距為５５ｃｍ，不同排減振孔的排距為３５ｃｍ，進(jìn)而可研究減振孔直徑對減振效果的影響。圖３為布設(shè)１５ｃｍ減振孔時(shí)的掌子面模型。

３．４減振效果分析

３．４．１時(shí)域分析。峰值振速是評價(jià)爆破振動控制效果良好與否的一個(gè)重要指標(biāo)，基于上述模型的計(jì)算結(jié)果，分別對不同參數(shù)下減振孔的ｘ，ｙ方向峰值振速進(jìn)行對比，同時(shí)為了方便對減振效果進(jìn)行比較，提出減振比例Ｐ為：Ｐ＝（Ｖ０－Ｖｉ）／Ｖ０（２）其中，Ｖ０為不布設(shè)減振孔時(shí)的峰值振速；Ｖｉ為布設(shè)ｉ排減振孔時(shí)的峰值振速。ｘ和ｙ方向的峰值振速數(shù)據(jù)匯總于圖４和圖５。從圖中可知，當(dāng)減振孔直徑不變時(shí)，隨著減振孔數(shù)量的增加，減振效果也越明顯。同時(shí)，３ｍｍ與５ｍｍ減振孔減振效果始終較差，而當(dāng)布設(shè)３排１５ｍｍ直徑的減振孔時(shí)，ｘ方向達(dá)到最佳減振效果，減振比例為０．０６。與之相似的，減振孔對ｙ方向峰值振速也有類似的減振效果，當(dāng)布設(shè)３排１５ｍｍ直徑的減振孔時(shí)達(dá)到最大減振比例０．２４。比較圖４，圖５的減振效果可知，減振孔對ｙ方向峰值振速衰減效果較ｘ方向更為明顯。３．４．２頻域分析?，F(xiàn)有時(shí)域最值分析無法獲得振動信號的頻帶能量集中情況，而均方根值能表征振動能量大?。郏保矗?，相比于振速最值分析而言，更能揭示振動信號的內(nèi)涵。基于數(shù)值模擬所得的振速時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行１／３倍頻程分析可得到各頻段的振速均方根值，為了方便比較減振效果，提出減振百分比Ｑ為：Ｑ＝Ｖ′－Ｖｉ′Ｖ０′×１００％（３）其中，Ｖ０′為該頻段未設(shè)減振孔時(shí)的振速均方根值；Ｖｉ′為該頻段布設(shè)ｉ排減振孔時(shí)的振速均方根值。從圖６中可直觀的觀察比較各頻段振動能量的分布情況。比較圖中各直徑減振孔的能量衰減情況可知，３ｍｍ和５ｍｍ直徑的減振孔對能量的衰減效果較差，最大僅達(dá)到３．６８％，在該直徑下，增加減振孔排數(shù)對各頻段的能量衰減效果影響不大。對于１０ｍｍ和１５ｍｍ直徑的減振孔，其能量衰減效果較為明顯，最大減振百分比分別能達(dá)到６．６％和１２％。同時(shí)，增加減振孔排水對各頻段的能量衰減效果明顯。史秀志［１５］通過研究發(fā)現(xiàn)，爆破振動能量大部分集中在２５Ｈｚ以下的低頻率范圍，表明低頻爆破振動對巖石介質(zhì)影響很大。因此應(yīng)著重比較減振孔對２５Ｈｚ以下能量的衰減效果，將四種減振孔直徑下的倍頻程結(jié)果匯總于圖７。從圖中可知，布設(shè)１５ｍｍ直徑的減振孔２排或３排的情況下，兩者對２５Ｈｚ以下振動能量的衰減效果基本相同，考慮到在工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，本研究建議布設(shè)２排１５ｍｍ孔徑的減振孔能達(dá)到最高性價(jià)比的環(huán)境振動效果。３．４．３破巖效果分析。從上述研究可知，布設(shè)２排１５ｍｍ孔徑的減振孔能達(dá)到最高性價(jià)比的環(huán)境振動效果。但是實(shí)際爆破工程中，在達(dá)到爆破振動環(huán)境控制的同時(shí)需要保證掌子面的破巖效果。因此，需要對該減振孔組合下的破巖效果進(jìn)行評估。ＪＨＣ損傷本構(gòu)模型自帶的損傷因子能較好的反映巖石的失效狀態(tài)。將損傷因子云圖的顯示上限設(shè)為０．３，進(jìn)而可從云圖中直觀的看到掌子面的裂縫分布范圍。圖８，圖９分別為未布設(shè)減振孔和布設(shè)２排１５ｍｍ孔徑減振孔的損傷因子云圖。比較兩者損傷因子云圖可知，與未布設(shè)減振孔的云圖相比，布設(shè)該組合方式的減振孔僅在右側(cè)炮孔區(qū)左上部分相對減少了巖石裂縫的發(fā)展，并未影響到炮孔核心區(qū)的破巖效果。現(xiàn)場使用的炮孔布設(shè)方式并不能使掌子面所有巖體破碎，未布設(shè)炮孔的區(qū)域（兩炮孔區(qū)中間的區(qū)域）需要挖掘機(jī)進(jìn)場工作輔助破巖，因此為了比較有效的損傷因子時(shí)程曲線變化，將觀測點(diǎn)選為第三排減振孔左側(cè)近點(diǎn)。從圖１０的損傷因子時(shí)程曲線可知，第一段炸藥并未使該測點(diǎn)位置的巖體出現(xiàn)裂紋，當(dāng)?shù)冢扯握ㄋ幰ǎ保保恚螅r(shí)，兩種情況下的損傷因子均急速上升并達(dá)到最高點(diǎn)，分別為０．０５和０．０１。然而，兩者的損傷因子仍未達(dá)到裂縫發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)（損傷因子達(dá)到０．３），雖然損傷因子差異達(dá)到５倍，但是對減振孔左側(cè)區(qū)的破巖效果影響很小，此現(xiàn)象也與上述工程需要挖掘機(jī)輔助破巖相符。通過本節(jié)對損傷因子云圖與其時(shí)程曲線的對比分析可知，采用該組合的減振孔布設(shè)方式能在有效控制掌子面近區(qū)環(huán)境振動的基礎(chǔ)上保證破巖效果。

４結(jié)論

本文通過有限元大變形分析軟件ＬＳ－ＤＹＮＡ對掌子面減振孔的布置進(jìn)行了數(shù)值模擬，彌補(bǔ)了現(xiàn)場實(shí)測較難完成的分析。模型對多種減振孔參數(shù)的組合布設(shè)方式進(jìn)行時(shí)域和頻域的對比量化分析，并獲得以下結(jié)論：１）使用ＪＨＣ損傷模型能較好的模擬掌子面巖體，模型自帶的損傷因子可作為巖體的破壞指標(biāo)。２）隨著減振孔排數(shù)和直徑的增大，其對掌子面峰值振速的衰減效果越來越好，在布設(shè)３排１５ｍｍ直徑的減振孔時(shí)減振比例達(dá)到最大的０．２４和０．０６（ｙ方向和ｘ方向）。３）從１／３倍頻程的能量集中帶衰減情況和損傷因子云圖分析可知，布設(shè)２排１５ｍｍ的減振孔能達(dá)到最高性價(jià)比的減震效果，并能兼顧掌子面的破巖效果。

作者:呂江 趙暉 姚康 史吏 單位:杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 浙江工業(yè)大學(xué)