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管窥城市浅埋隧道的爆破减振

2013/11/20 阅读:

1工程介绍及施工方案

武汉市轨道交通二号线宝通寺车站位于武昌区武珞路地下,呈东西走向,车站总长219.2m,宽18.5m,III号出入口在车站东北角,IV号出入口在车站西北角。两个出入口过街段采用暗挖法爆破掘进。根据暗挖段所处上软下硬的地质情况,每个导洞分上下两个台阶掘进。对于通道顶部的粉质黏土,爆破前已人工掘进,下台阶面则采用爆破掘进。暗挖段上方有800混凝土排水管、800混凝土给水管和100供电电缆管等,主要分布在通道北侧该工程采用2#岩石乳化炸药,孔深1.2m,当断面接近管道下方时,严格控制药量,根据车站基坑开挖时的测振数据,通过萨氏公式反演得出每孔药量不超过500g。由于爆破断面相对较小,台阶高度较低,没有采用在隧道掘进中的掏槽爆破方式。结合现场施工情况,为了最大限度降低爆破振动叠加对管线的影响,采用了单孔单段的松动爆破方式。

2数值模拟

2.1岩石模型炸药爆炸时近区岩石屈服破碎,应变很大,应变率效应明显,因此采用包含应变率效应的塑性硬化模型来模拟岩石是比较符合实际的。本文采用Cowper-Symonds模型,在屈服应力中引进应变率因子1+(ε•/C)1P,岩石屈服应力σy与应变率ε•的关系如下:σy=1+(ε•/C)1[]P(σ0+βEPεeffP)(1)EP=E0EtanE0-Etan(2)式中:σ0为岩石的初始屈服应力,Pa;EP为岩石塑性硬化模量,Pa;Etan为切线模量,Pa;E0为杨氏模量,Pa;ε•为加载应变率,s-1;C和P均为Cowper-Symonds应变率参数,是由材料应变率特性决定的常量,参照文献[4]中的岩石应力时程曲线和不同应变率下的应力-应变关系,根据式(1)和式(2)可计算得出C、P值;β为各向同性硬化和随动硬化的硬化参数,0≤β≤1;εeffP为岩石有效塑性应变,按式(3)和式(4)定义:εeffP=∫t0dεeffP(3)dεeffP=槡23dεPij(4)式中:t为发生塑性应变的累计时间,s;εPij为岩石塑性应变偏量的分量。岩石的动态抗压强度随加载应变率的提高而增大,一般可用式(5)表示岩石动态与静态抗压强度的关系式中:σcd为岩石的单轴动态抗压强度,Pa;σc为岩石的单轴静态抗压强度,Pa。工程爆破中,岩石的加载应变率ε•一般为1~105s-1,爆源附近应变率较高,可取ε•=102~104s-1。由于缺乏相应的实验和理论分析数据,岩石的动态抗拉强度可近似取为[7-8]:σtd=σstε•13(6)式中:σtd为岩石的单轴动态抗拉强度,Pa;σst为岩石的单轴静态抗拉强度,Pa。

2.2状态方程采用ANSYS/LS-DYNA进行爆破模拟时,常用的方法有两种:一是直接在模型中赋予炸药单元属性;二是将炸药单元等效为爆炸应力施加在岩石上。为了使模拟更接近实际情况,本文选用第一种方法。采用专用的炸药JWL状态方程模拟炸药爆轰过程中压力和比容的关系:P=A1-ωR1()Ve-R1V+B1-ωR2()Ve-R2V+ωE0V(7)式中:P为爆炸产物压力,GPa;A、B均为炸药材料相关参数,GPa;R1、R2、ω均为炸药材料常系数;V为相对体积;E0为初始化比内能,GPa。2#岩石乳化炸药的密度为1310kg/m3,爆速为4000m/s,炸药状态方程的参数取值为:A=214.4GPa,B=0.182GPa,R1=4.2,R2=0.9,ω=0.15,E0=4.192GPa。

2.3数值计算模型根据现场爆破施工参数建立相应的数值计算模型,模型上表面为受控管道最低点所在平面,因此该平面上节点的振动速度可等效为受控管道的振动速度。根据问题的对称性,取几何模型的1/2进行有限元建模,对称面上约束垂直向位移。除自由面外,其他表面采用无反射边界条件以减小边界应力波反射的影响,模型计算采用La-grange法。为了减少建模和计算的复杂性,模型中简化为一个炮孔,整个建模过程采用m-kg-s单位制。同时,为了定量分析比较导洞开挖方式对受控管道的影响,本文还研究了没有开挖上导洞的施工方式,即分别建立了有上导洞模型和无上导洞模型。

2.4计算结果及分析对受控管道最低点所在水平面(模型上表面)进行振动速度监测,通过对比两个模型中该水平面上所有节点速度的最大值来判断两种开挖方式对受控管道损伤的程度,进而判断两种开挖方式的优劣。根据爆破振动在介质中的传播机理,在两个模型上表面分别选取可能出现振动速度最大值的节点,记录其速度时程曲线。模型1上表面节点的速度时程曲线Fig.2Velocity-timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel1上表面节点的速度时程曲线Fig.3Velocity-timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel2在有上导洞的情况下,受控管道最低点所在水平面上振动速度的最大值为-1.25cm/s,速度最大的节点位于边墙岩石与上导洞断面所在垂直面在模型上表面的交界处外侧。对比分析该模型上表面上大量节点的速度变化规律可知,上导洞的存在改变了爆破地震波的传播路径,使得离爆源最近的点并不是振动速度最大的点。在爆破前没有人工开挖上导洞的情况下,受控管道最低点所在水平面上振动速度的最大值为-2.7cm/s,且位于炸药上方所对应的上表面。通过比较该表面上大量节点的速度变化规律可知,离爆源的距离越远,节点振动速度越低。根据经典爆破理论和应力波的传播规律,与模型2相比,模型1中上导洞的存在使得爆炸应力波发生反射、折射和绕射,减小了质点振动速度最大值并改变了质点振动速度出现最大值的位置。因此,采用上导洞的爆破方案可以减少受控管道最低点所在水平面的最大振速,减振率为53.7%。由于两个模型中质点振动速度最大值出现的位置不同,因而两种爆破方案对浅埋管线损伤最严重的点也并非在同一位置。根据我国《爆破安全规程》(GB6722—2011)中的爆破振动安全允许标准,并结合设计文件及专家评审意见,取受控混凝土管道最大允许振动速度为1.5cm/s。在该过街隧道的整个施工过程中,管线爆破严格保证断面单次循环进尺,严格控制爆破振动对周边围岩的扰动及邻近管线和建筑物的影响,在施工中根据具体的地质情况、邻近管线环境条件和爆破监测结果不断优化爆破参数。经过近一个月的施工,受控混凝土管道完好无损,从实践上证明了该种开挖方式的可行性。

3结论

(1)采用有上导洞的开挖方式可以显著降低受控混凝土管道的振动,减振率为53.7%。

(2)地形条件改变了爆破地震波的传播路径,两个模型上表面的振动速度最大值出现在不同位置,表明不同的开挖方式对浅埋管线损伤最严重的部位是不同的。

(3)通过数值模拟方法可有效分析不同开挖方式对受保护对象爆破振动速度的影响,为爆破减振设计提供定性和定量参考,保证了施工过程中地下管线的安全性。

作者:刘建程钟冬望单位:武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室武汉科技大学理学院

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