露天礦邊坡爆破對(duì)既有隧道的影響分析

吳 亮 金 沐 李雷斌 鐘冬望 蔣 培

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢430065;2.中鐵港航－武漢科技大學(xué)爆破技術(shù)研究中心，湖北 武漢430065;3.中鐵港航局集團(tuán)爆破工程有限公司，廣東 廣州510660)

1 工程概況

某露天礦位于剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，隧道軸線穿越一低山，頂部最高處海拔127.43 m，地形坡度一般為20° ～30°。該邊坡工程山頂植被覆蓋茂密，但局部有強(qiáng)風(fēng)化巖石裸露。山體巖性為較單一的熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬完整，風(fēng)化程度較低，其表層分布有少量的殘坡積層，厚度一般在0.5 ～3.0 m。待開(kāi)挖露天礦邊坡與坡體內(nèi)隧道的平面布置見(jiàn)圖1。在邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程中，爆破擾動(dòng)荷載必然對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響。近10 a 來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)小凈距隧道爆破開(kāi)挖的施工工程與相互影響進(jìn)行了廣泛深入研究［1-5］，但研究邊坡爆破開(kāi)挖對(duì)山體內(nèi)既有隧道的影響，特別是對(duì)洞口部位巖體影響還比較少［6-10］。由于露天邊坡爆破與隧道爆破在爆源特性方面有差異，有必要對(duì)露天邊坡爆破荷載作用下隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)其衰減規(guī)律進(jìn)行分析，及時(shí)反饋信息，優(yōu)化爆破參數(shù)，為工程的順利進(jìn)行提供安全保障。

圖1 工程平面布置Fig.1 Engineering layout

2 爆破參數(shù)

臺(tái)階爆破采用垂直炮孔，炮孔孔徑115 mm，淺孔孔深3 ～5 m，深孔孔深15 ～16 m，孔距5 m，排距4.2 m，深孔堵塞長(zhǎng)度5.0 ～5.5 m，90 乳化炸藥，單孔裝藥量100 ～110 kg，最大單響藥量290 kg，總藥量約5.0 t。爆破量11 458 m3，平均單耗0.31 kg/m3，炮孔總長(zhǎng)704.9 m，延米爆破量16.25 m3/m。臺(tái)階爆破炮孔網(wǎng)路布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 炮孔網(wǎng)路布置Fig.2 Network layout of blasting hole

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 采用儀器

依據(jù)《GB 6722—2003 爆破安全規(guī)程》測(cè)試的相關(guān)要求，采用廣泛應(yīng)用于工程爆破環(huán)境安全評(píng)估、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)、爆破施工監(jiān)理、機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)輸振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)、教學(xué)、科研分析等領(lǐng)域的爆破測(cè)振儀。測(cè)試所用儀器均具有出廠合格證明，采集精度達(dá)到要求，采集精度為0.01 cm/s。

3.2 儀器安裝

為保證采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，考慮隧道圍巖松動(dòng)圈對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的影響，在布點(diǎn)位置鉆2.0 m 深的孔，插入直徑φ18 mm 螺紋鋼筋，灌漿密實(shí)，在鋼筋出露端水平焊上10 cm ×10 cm ×1.5 cm 鋼板，或者把鋼板布置在既有的錨桿上，見(jiàn)圖3。鋼板上留有螺紋孔，通過(guò)螺絲把傳感器固定在鋼板上，方便儀器的安裝與拆卸。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)爆源與需保護(hù)的既有隧道間的相對(duì)位置關(guān)系，考慮地震波的傳播路徑與圍巖的保護(hù)部位，測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)圖4。

圖3 傳感器安裝Fig.3 Sensor installation

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.4 The arrangement layout of survey points

3.4 控制標(biāo)準(zhǔn)

工程實(shí)踐表明，建(構(gòu))筑物因爆破震動(dòng)而造成的破壞與質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度具有良好的相關(guān)性，因此國(guó)內(nèi)外普遍以質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度作為爆破震動(dòng)控制的判據(jù)。依據(jù)有關(guān)規(guī)范及參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，該隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制在20 cm/s 以內(nèi)。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得邊坡爆破引起的隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)速度峰值大小及其振動(dòng)頻率。其中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值數(shù)據(jù)可以確定隧道斷面各部位的爆破振動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比控制標(biāo)準(zhǔn)明確爆破振動(dòng)對(duì)監(jiān)控部位的影響程度，從而給出隧道圍巖及其結(jié)構(gòu)的安全評(píng)判。另外，實(shí)踐表明實(shí)測(cè)波形是一次爆破分段效果的直接反映，對(duì)反饋信息、調(diào)整爆破參數(shù)具有實(shí)用價(jià)值。

眾所周知，爆破地震波的衰減規(guī)律與爆源參數(shù)、地形條件、傳播介質(zhì)、保護(hù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)預(yù)測(cè)爆破地震波衰減規(guī)律的公式普遍采用薩道夫斯基公式

式中，v 為峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;Q 為單響藥量，kg;r 為爆心距，m;K、α 是與爆破方法、場(chǎng)地條件相關(guān)系數(shù)，與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆源至監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)。

露天臺(tái)階爆破對(duì)山體隧道圍巖振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 爆破振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Test results of blasting vibration

露天臺(tái)階爆破對(duì)山體隧道圍巖振動(dòng)的衰減規(guī)律回歸結(jié)果見(jiàn)表2。表2 中R 為回歸的相關(guān)系數(shù)，它表征離散數(shù)據(jù)的擬合程度高低。從擬合結(jié)果可以明顯看出，水平徑向、水平切向和豎直向峰值振速衰減規(guī)律擬合系數(shù)均在0.8 以上，擬合效果較好。

表2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律Table 2 Blasting vibration attenuation law

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合后對(duì)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)下的最大單響藥量隨距離的規(guī)律預(yù)測(cè)見(jiàn)表3。目前，隧道掌子面距離邊坡輪廓的最小距離是20 m，根據(jù)計(jì)算，確定邊坡開(kāi)挖最大單響藥量為60.9 kg。

表3 不同距離下最大單響藥量Table 3 Maximum single charge under different distances

5 數(shù)值預(yù)測(cè)

根據(jù)預(yù)估藥量，在距離隧道掌子面最近的設(shè)計(jì)坡面上施加爆破荷載，確定預(yù)估藥量的合理性。邊坡與隧道的計(jì)算模型采用三維模型，隧道的軸向?yàn)閥 軸方向，z 軸垂直向上，隧道的橫向?yàn)閤 軸。模型底部與四周邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界，隧道已開(kāi)挖區(qū)與邊坡面設(shè)為自由邊界。計(jì)算采用SOLID164 三維實(shí)體單元，計(jì)算中圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，Ⅲ圍巖:密度2.5 t/m3，彈性模量40 GPa，泊松比0.3，內(nèi)摩擦角50°，黏聚力1.5 MPa;Ⅳ圍巖:彈性模量30 GPa，泊松比0.33，內(nèi)摩擦角39°，黏聚力0.7 MPa，密度2.4 t/m3。根據(jù)爆破實(shí)測(cè)波形確定爆破荷載，經(jīng)試算，瑞利常數(shù)取α =0.04，β= 0.000 3。

沿隧道軸線山體剖面的計(jì)算應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同時(shí)刻的動(dòng)應(yīng)力云圖Fig.5 Dynamic stress cloud chart at different time

為確定邊坡爆破對(duì)隧道圍巖的影響，在距離爆源最近的隧道剖面上選取了4 個(gè)點(diǎn)，如圖6 所示，圖中A、B、C、D 各點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)隧道拱頂、拱與邊墻交點(diǎn)、邊墻中點(diǎn)與底板質(zhì)點(diǎn)。

圖6 考察點(diǎn)示意Fig.6 Investigation points

隧道各考察點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線結(jié)果見(jiàn)圖7，圖中Vx、Vy、Vz分別為X、Y、Z 方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

圖7 各考察點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線Fig.7 Particle vibration curve of each investigation point

計(jì)算表明，垂直方向上的Vz峰值較大區(qū)域主要在拱頂處，沿隧道圍巖逐漸向下衰減，隧道軸向振速Vy、橫向振速Vx的峰值向下先增大后減小。可見(jiàn)，爆破荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波初始以縱波向下傳播，隨著距離的增加逐漸衰減，而在隧道圍巖的自由面處形成的面波向下傳播的規(guī)律為先增大后減小，在拱與邊墻交點(diǎn)處圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值達(dá)到最大，隨后開(kāi)始衰減。計(jì)算得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的最大峰值為19 cm/s，小于隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)控制速度，圍巖最大動(dòng)拉應(yīng)力峰值為0.65 MPa，結(jié)合隧道埋深，圍巖在動(dòng)靜荷載共同作用下是穩(wěn)定的，表明安全振動(dòng)速度與預(yù)估藥量是合理的。

6 結(jié) 論

(1)討論了巖質(zhì)邊坡爆破開(kāi)挖對(duì)山體內(nèi)鄰近既有隧道的影響問(wèn)題，依據(jù)《GB6722—2003 安全爆破安全規(guī)程》的相關(guān)要求，結(jié)合工程特點(diǎn)，提出了該工程隧道圍巖的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破荷載作用下隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)地得到了邊坡爆破參數(shù)對(duì)既有隧道圍巖的影響;通過(guò)對(duì)隧道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行分析，得出了相應(yīng)的回歸指數(shù)，為優(yōu)化爆破參數(shù)提供了參考依據(jù)。

(3)通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析得到了預(yù)估藥量對(duì)既有隧道圍巖振動(dòng)速度與動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，計(jì)算得到圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度為19 cm/s，驗(yàn)證了預(yù)估藥量的可靠性。

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