考慮下臥既有鐵路隧道的場平爆破藥量分析

吳文彪，王仁其，高萌，武來群

（1.貴州省凱里市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，貴州凱里556000；2.重慶交通建設(shè)(集團)有限公司，重慶401121；3.貴州省凱里市審計局，貴州凱里556000；4.重慶建工市政交通有限公司，重慶400021）

考慮下臥既有鐵路隧道的場平爆破藥量分析

吳文彪1，王仁其2，高萌3，武來群4

（1.貴州省凱里市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，貴州凱里556000；2.重慶交通建設(shè)(集團)有限公司，重慶401121；3.貴州省凱里市審計局，貴州凱里556000；4.重慶建工市政交通有限公司，重慶400021）

運營中的既有鐵路隧道是鐵路干線上的重要組成部分和控制性工程。該隧道上方的場平采用露天中深孔爆破施工，平場標高距離隧道頂部標高約80m。鐵路隧道由于有高靈敏度的信號裝置，對爆破振速的要求控制得比較嚴，通常限制其質(zhì)點振動速度在1cm/s以內(nèi)。因此，如何控制爆破的藥量，達到既能保證隧道結(jié)構(gòu)的安全又能縮短平場爆破的工期、減少爆破的費用，成為爆破控制的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)不同的方法對爆破速度計算結(jié)果進行分析對比，得出爆破藥量的控制方法，具有一定的參考價值。

鐵路隧道；LS-DYNA；振動速度

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.101

1 引言

露天中深孔爆破廣泛地應用于場地平整、路塹開挖等基礎(chǔ)建設(shè)中。中深孔爆破控制其安全問題的首要公害就是爆破地震波對建構(gòu)/筑物造成的破壞。各國學者致力于研究其產(chǎn)生機制和控制措施，我國相對來說起步較晚。近年來，由于平場爆破施工造成建構(gòu)/筑物破壞的現(xiàn)象越來越多。許多工程實例已表明，爆破施工如不重視爆破振動的破壞作用，不采取適當?shù)谋瓶刂拼胧?，則可能會造成不必要的人員財產(chǎn)損失。而進行爆破控制首當其沖的就是爆破過程中起爆藥量的嚴格控制。

2 工程概況

某平場工程地形地貌屬山嶺坡地地形，地質(zhì)構(gòu)造簡單，石方以砂巖、泥巖為主，硬度系數(shù)f=4～6，巖層穩(wěn)定，場地內(nèi)無地下水，擬采用控制爆破平場方式。該場地下方橫臥一運營中的既有鐵路隧道，平場標高距離隧道頂部標高約80m。隧道上覆第四系坡洪積（Q4dl+pl）、坡積（Q4dl+pl）、坡殘積（Q4dl+el）、坡崩積層（Q4dl+col），下伏侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）泥巖夾砂巖、砂巖。

3 有限元計算模型

針對該下臥鐵路隧道的最不利襯砌結(jié)構(gòu)斷面，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立三維模型進行計算。將隧道縱向作為x軸，y軸鉛垂向上，z軸沿隧道掘進方向。由于該鐵路隧道具有一定的埋深，并且?guī)r體重量會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，所以建模時對模型上部施加了重力加速度，模型上部按實際埋深設(shè)置。為了減小邊界效應的影響，左右邊界取6倍隧道洞寬，下邊界取為3倍隧道洞高。將計算模型的4個側(cè)面和底部均設(shè)為無反射的固定邊界，各邊界位移為零，地表設(shè)為自由邊界。有限元模型單元采用六面體單元，圍巖和隧道襯砌單元類型均采用Solid164單元，單元數(shù)為462838個。材料組成包括圍巖組成的巖石材料、錨桿材料、二次襯砌的混凝土材料。淺孔和中深孔爆破荷載可通過爆炸沖擊波理論和爆炸氣體膨脹理論等效成爆破載荷壓力曲線（三角型脈沖荷載）簡化施加在開挖輪廓面上。三角形曲線的波峰載荷值的大小根據(jù)巖石密度、巖體的縱波速度、炸藥密度、炸藥爆速、爆炸的距離等參數(shù)換算確定[2]。通常，爆破荷載的升壓時間為8～12ms，卸載時間為80～100ms，本模型計算取加載時間為10ms，卸載時間為100ms，模擬的求解時間為0.5s。由于該隧道模型龐大，因此選取關(guān)鍵部位的節(jié)點、單元等參數(shù)進行分析。如圖1所示，A、E點分別代表該隧道同一斷面上的拱腳位置，B、D點分別該隧道同一斷面上的拱腰位置；C點代表該隧道同一斷面上的拱頂位置。

4 有限元計算結(jié)果

4.1 質(zhì)點振動速度

運用LS-DYNA對距隧道不同距離、不同炸藥量的爆破荷載進行模擬計算，得到該隧道斷面上的關(guān)鍵節(jié)點的振速歷程曲線。不同爆破距離下，列舉該隧道斷面上不同點在各個方向上的最大振速見表1[3]。

圖1 鐵路隧道斷面上的關(guān)鍵節(jié)點分布圖

表1 爆破距離為80m時隧道斷面上關(guān)鍵點的計算速度

4.2 斷面最大應力

根據(jù)計算結(jié)果，當控制爆破距離為80m且爆破藥量小于15kg、爆破距離為100m且爆破藥量小于40kg、爆破距離為120m且爆破藥量小于60kg、爆破距離為140m且爆破藥量小于100kg時、爆破距離為160m且爆破藥量小于150kg時，該隧道斷面上的最大主應力均小于0.5MPa。

5 按薩道夫斯基公式計算結(jié)果

按《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2013）推薦的以下薩道夫斯基公式，對爆破振動速度進行計算[1]。

式中，[v]為爆破振動安全允許質(zhì)點振動速度峰值，cm/s；Qmax為爆破單響最大炸藥量，kg；K為與介質(zhì)性質(zhì)、爆破方式等因素相關(guān)的系數(shù)；α為與傳播途徑和地質(zhì)地形等因素有關(guān)的衰減指數(shù)；R為爆破振動安全距離，m。

根據(jù)巖土情況，K取230，α取1.60，進行不同距離下的爆破藥量計算見表2。

表2 按爆破安全規(guī)程計算的隧道爆破速度

6 爆破控制藥量分析

取該鐵路隧道在爆破振動下的安全控制振速為1cm/s，需要控制單次爆破藥量。分別按有限元模擬計算和按《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2013）推薦公式計算的爆破振動速度見表3[4]。由此可見，該隧道，按《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2013）推薦公式計算的爆破振動速度結(jié)果估計單次爆破允許藥量偏于安全，有一點的富余量。

表3 該隧道爆破控制計算對比

7 結(jié)論

1）基于LS-DYNA采用數(shù)值方法對平場爆破引起的既有下臥鐵路隧道的振動效應的分析方法是可行的，取值正確，數(shù)據(jù)可信。

2）采用我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的經(jīng)驗公式計算質(zhì)點的振動速度，來進行中深孔露天爆破藥量控制，相比有限元模擬結(jié)果大體較保守，偏于安全。分析其原因主要是《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的經(jīng)驗公式主要考慮了裝藥量和爆心距的影響，場地地形、地質(zhì)條件采用衰減系數(shù)考慮，而沒有考慮建/構(gòu)筑物的自身特性，對于復雜的結(jié)構(gòu)問題，尚需根據(jù)建/構(gòu)筑物的自身特性進行準確的爆破振動模擬分析。

【1】GB 6722—2014爆破安全規(guī)程[S].

【2】陽生權(quán)，周健，呂中玉.地下洞室及其圍巖爆破地震安全監(jiān)測與動力分析[J].中國安全科學學報，2006，16(6):141-148.

【3】畢衛(wèi)國，石崇.爆破振動速度衰減公式的優(yōu)化選擇[J].巖土力學，2004, 25(S1):99-102.

【4】劉先林，周傳波，張國生.隧洞開挖爆破振動監(jiān)測與振速預測分析[J].爆破，2008,25(3):96-106.

Analysis on Blasting Quantity for Flat Ground in the Existing Underlying Railway Tunnel

WUWen-biao1，WANGRen-qi2，GAOMeng3，WULai-qun4
(1.Kaili Housing and Urban-rural Planning and Construction Bureau of Guizhou，Kaili 556000,China; 2.Chongqing Communications Construction(Group)Co.Ltd.，Chongqing401121,China; 3.Kaili Auditing Bureau，Kaili 556000,China; 4.Chongqing Construction Engineering Municipal Traffic Engineering Co.Ltd.，Chongqing400021,China)

The existing railway tunnel in operation is an important part and key project of the railway.The flat ground at the top of the tunnel applied deep hole blasting in open,and it is about 80 meters from the elevation of the flat ground to the top elevation of the tunnel.Due to the high sensitivity of signal device,railway tunnel has as trictcontrol to the requirement of blasting vibration velocity,with a lim ited vibration velocity of the particle within 1cm/s.Therefore,how to control the blasting dosage becomes the key technology in controlled blasting in order to guarantee the safety of the tunnel structure,shorten the construction period of flat ground blasting,and reduce the cost of blasting.According to the analysis to calculation results of blasting speed by different methods,the blasting quantity control method is achieved,which can offer some reference.

railway tunnel;LS-DYNA;vibration velocity

U25；O643.2

A

1007-9467（2016）08-0187-03

2016-08-08

吳文彪（1983～），男，貴州雷山人，工程師，從事隧道工程技術(shù)研究。