地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.007 地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响 梁瑞，包嵋，周文海,王林江 兰州理工大学石油化工学院，兰州730050 摘要为研究爆破载荷作用下临近埋地管道的安全性，利用ANSYS/LS-DYNA建立炸药、岩土体、埋地管 道的管土耦合模型，对爆破荷载下埋地管道的动力响应进行研究。通过监测管道迎爆面-背爆面特定单元的 应力和速度时程曲线，发现距管道两端1/4处的迎爆面存在应力集中现象，背爆面有局部应力放大效应， 10 21 ms时管道轴向振动速度最大;通过改变管道的壁厚4 mm、6 mm、9 mm，得到管道迎-背爆面的轴向 有效应力、速度和管道环向振动波能量均随管道壁厚的增加而减小，当管道厚径比i 0.0525时，炸药能的 衰减最快,0.0525 WiWO. 05375时，衰减指标77、j8、k数值均为26. 7 ,且心0.06时管道环向监测单元各项 衰减指标规律变化趋于一致。 关键词爆破载荷；埋地管道；动力响应；振动能量衰减 中图分类号X959； TB41 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0041 -10 Dynamic Effects of Existing Buried Pipes in Metro Tunnels under Tunnel Excavation Blasting UANG Rui,BAO Juan,ZHOU Wen-hai,WANG Shu-jiang Sc ho o l o f Pet r o c hemic a l Tec hn o l o gy,La n zho u Un iver sit y o f Tec hn o l o gy,La n zho u 730050,Chin a Abstract In order to study the safety of buried pipelines under blast load, ANSYS/LS-DYNA is used to estab lish the coupled model of explosives, geotechnical bodies, and buried pipelines, so as to study the dynamic response of buried pipelines under blast load. By monitoring the pipeline blast surface-back blast surface specific unit stress and velocity time curve, it is found that 1/4 from both ends of the pipeline blast surface and there is a stress concen tration ,back blast surface has a local stress amplification effect, and the axial vibration velocity of the pipeline rea ches the maximum at 10 21 ms；by changing the pipe wall thickness with 4 mm,6 mm and 9 mm,the pipeline meet -back blast surface of the axial effective stress, velocity, and the pipeline annular vibration wave energy are decrea sing with the increase in pipe wall thickness. When the pipe thickness ratio i 0. 0525 ,he explosive energy attenu ates the fastest. When 0.0525 Wi W0. 05375,attenuation index 乃，0,k values are 26・ 7. And when 06,the pipeline annular monitoring unit of the attenuation index law change tends to be consistent. Key words blast loads ； buried pipelines ； dynamic response ； vibration energy attenuation 为满足城市化规模扩大与基础设施建设,难免 在埋地管线附近进行爆破施工作业⑴2〕。爆破产生 的瞬时高强度冲击波会对临近的地下管线造成严重 收稿日期2020-10-31 作者简介梁瑞1968 -，男，博士、教授，主要从事安全工程与工 程爆破研究，E-mail liangr lut. cno 基金项目国家自然科学基金51566010；甘肃省自然基金B061 709 的冲击,使管道承受较强激振作用而产生应力损伤, 且在振动频率等于管道固有频率时，会引起共振位 移破坏3句。张黎明等利用现场爆破试验，结合应 变强度准则拟合分析得到管道合成峰值振速与埋地 管道轴向应变呈指数函数关系E;王栋等对埋地管 道动力响应进行数值模拟研究,并通过现场试验验 证了管道应变与地表变化具有比例关系同。Yil ma z 42爆破2021年3月 T等通过改变爆破参数对托普恰姆水电站进行大量 的振动分量监测研究⑼。郑爽英等利用有限元模 拟和数值试验对影响埋地管道应力峰值的管道直 径、壁厚、管道内压等5个爆破影响因素进行探 究a ;李镜培等利用LS-DYNA模拟和现场试验研 究了炸药药量和管道壁厚对钢管破坏的影响情 况［山。郝郁清等结合屈服强度理论，建立了管道应 变与对应单元振速的关系,并通过试验得到爆破振 速及爆心距的函数关系及最小施工安全距离［⑵。 马华原等结合数值模拟和实地试验研究管土耦合模 型的作用机理和应力应变规律，发现裂纹尖端的应 力集中会导致管道开裂〔⑶。梁博等基于SPH-FEM 法建立爆炸模型，分析了管体的扰动和土壤变形情 况，得到管体迎爆面和背爆面的应变特征［⑷。张震 等通过现场监测和数值模拟，并结合最大拉应力强 度理论确定了管道安全的地表爆破振速［⑸O 目前，国内外研究学者对在不同的爆破载荷下 埋地管道动力响应规律的研究，主要集中在管道整 体的应力应变和振动速度,但就管道具体迎爆面、背 爆面的应力应变、振速和管道能量的衰减研究较少。 利用数值分析建立管土耦合的爆破荷载有限元模 型，并通过管土体拉压本构关系分析其动力响应规 律;在此基础上引入爆破振动波能量衰减公式,讨论 埋地管道在爆破载荷下能量的波动衰减规律,提高 了在爆破荷载作用下对埋地管道监测的可行性。 1爆破载荷作用下埋地管道模型的建立 以南京4号地铁中段两站区间的南北两线隧道 开挖掘进作为工程背景参考，隧道位于北京西路下 方深10-18 m,站间总长约650叫隧道呈马蹄形断 面。岩体主要以沉积岩为主,在隧道南北两线上方 1.1 -9.7 m近区范围内，分布有较多的砖混建筑结 构。地下1 2 m埋置有地下管线，考虑减小爆破振 动对其影响，采用小距离掘进的松动爆破。 本文中模型包含的炸药、岩土体与管道均采用 SOLI D164类型单元，拟建立与实际工程相似的三维 数值仿真模型。土壤层深4 m,下部岩层深16 m,岩 土体整体尺寸为20 m X 20 m X 2 m；管道在土壤层 中埋深2 m,岩土深度10 m处左右两侧各布置孔径 70 mm,炮孔深1 m的圆柱孔炸药，单次起爆总药 量Q为8.0 kgo两端同时起爆掘进作业，并对模型 均采取实体网格进行划分。数值模型中管道为空管 状态,炸药为连续耦合装药结构并设置药包中心位 置起爆。在岩体外侧延无限伸区域及炸药边界面进 行了位移约束与非反射边界条件,管道两端设置固 定约束，模型结构如图1。管道与炸药、土体接触界 面采取流固耦合算法，炸药采用ALE算法对单元进 行流变控制,岩土体及管道均采用LAGRANGE算法 控制进行求解，求解总时长设置为300 mso炸药选 取2岩石乳化炸药，其材料类型为* MAT-HI GH- EXPLOSI VE-BURN, 炸药状态方程选取不考虑炸药 产物成分的JWL方程［⑹。 1 式中也为炸药密度;。为爆速；A、B、R］、R2均 为材料参数;其中尽、尽为无量纲参数“为格林爱 森常量;Pc j为爆轰压力；％为比体积;为初始比内 能。见表1。 假定岩体为满足各向同性的弹塑性材料，选用 * MAT-PLASTI C-KI NEMATI C ； 土体选用材料类型为 * MAT-SOI L-AND-F0AMo 见表 2。 a模型尺寸示意图单位m a Model size diagramunitm b模型结构及网格划分 b Model structure and meshing 图1爆破掘进与浅埋管道结构模型单位m Fig. 1 Blasting driving and shallow pipe structure model unitm 第38卷第1期梁 瑞，包 娟,周文海，等 地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响43 表1炸药类型及状态方程参数 Ta bl e 1 Ty pes o f ex pl o sives a n d pa r a met er s o f eq u a t io n o f st a t e p/kg m-3D/m sJ PCJ/GPa人/GPaB/GPa 3 E/kJ ・m「3 Vo 100042002737.10.0744.150.950.3 5.13x1061.0 表2岩土体材料参数 Ta bl e 2 Ma t er ia l pa r a met er s o f r o c k a n d so il 材料p/kg ・ m-3E/MPaG/MPaby/MPa P 土壤1800-1.60.30 -- 岩体265040-0.151000.5 表中P为密度;E为弹性模量;G为剪切模量;R为泊松比;6为屈服极限;0为岩体硬化系数。 管道选用 * MAT-PLASTI C-KI NEMATI C 作为低 碳合金钢制管道的材料类型。见表3。 表3管道材料参数 Ta bl e 3 Ma t er ia l pa r a met er s o f pipe 材料p/kg m 3E/MPa pu“/MPa几/GPa 钢管7850205 0.335310 表中为密度皿为弹性模量屮为泊松比;内为屈服 应力;Et a n为剪切模量。 2管道动力响应研究 21模拟试验设计 见表4。 表4模型对照组 Ta bl e 4 Mo d el c o mpa r iso n gr o u p 参数 组别 123 管道公称直径D/mm100100100 管道壁厚77mm469 管道长度A/m202020 2.2管道受载应力分布分析 为了更好地分析爆破载荷下埋地管道的动力响 应，管道的应力应变简化为理想线弹性与理想刚塑 性两种不同状态下的本构关系。取管道上任意微小 单元，其应力分量的大小和方向均已知如图2所示。 图2四面体微元受力图 Fig. 2 Stress diagram of tetrahedron element 物体的剪切破坏主要由应力偏张量引起，定义 Si为偏主应力，故偏应力主平面方程为 - J管道壁厚为4 mm的峰值 速度的29 ,而管道壁厚为6 mm的衰减速率为 7,管道壁厚越大，振动速率衰减速率越小。对比 迎背爆面振速分布得到,不同壁厚管道振速由迎爆 面至背爆面具有不同的衰减，但振速衰减相比应力 衰减具有一定线性关系。 10 O O1 1O O1 1 O.O. 8 8 /135864 5135847 C135830 0606 0202 O O 06 04 06 04 0- 0- 0- 0- 2 2 O O M135864 -5135847 O O O O 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 02 02 8 6 8 6 o O o O /141712 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time/ms a壁厚4 mm a Wall thickness 4 mm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time/ms b壁厚6 mm b Wall thickness 6 mm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time/ms c壁厚9 mm c Wall thickness 9 mm 图6不同壁厚管道背爆面轴向单元有效应力时程曲线 Fig. 6 Time history curve of effective stress of axial element on back blasting surface of pipeline with different wall thickness a壁厚4 mm a Wall thickness 4 mm b壁厚6 mm b Wall thickness 6 mm Time/ms c壁厚9 mm c Wall thickness 9 mm 图7不同壁厚管道轴向迎爆面单元速度时程曲线 Fig. 7 Time history curve of unit velocity on the axial blast surface of pipeline with different wall thickness 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time/ms a壁厚4 mm a Wall thickness 4 mm /135864 5135847 C135830 D135813 .......E135797 0 20 40 60 80 100120140160 Time/ms b壁厚6 mm b Wall thickness 6 mm 0 20 40 60 80 100120140160 Time/ms c壁厚9 mm c Wall thickness 9 mm 图8不同壁厚管道轴向背爆面单元速度时程曲线 Fig. 8 Unit velocity time history curve of axial back blasting surface for different wall thickness pipeline 2.4管道受载速度分布分析 为了直观对比探究管道在爆破振动波载荷作用下 的应力分布、响应状态及传播规律，现分别绘制沿着管 道轴向的迎爆面-背爆面，不同爆心距人下的有效应力 峰值、振动合速度峰值的变化曲线图分析不同壁厚的 管道轴向整体的受载振动响应如图9、图10所示。 1管道迎-背爆面有效应力峰值分布规律 分别以管道轴向长度作为光坐标，管道的迎爆 面-背爆面单元的有效应力峰值为y坐标，分析三种 不同壁厚的轴向迎-背爆面应力峰值变化规律如图 46爆破2021年3月 9所示。 由图可知管壁厚度越大，有效应力峰值越小,衰 减程度越小。管道两端受爆破载荷同时作用，应力 波由两端向中间传播的过程中逐渐衰减，在管道中 部应力峰值最小,薄壁管道应力峰值的衰减速率大 于厚壁管道应力峰值的衰减速率。 a迎爆面 a Blasting surface O.O. 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 0- 2020 5 5 m b背爆面 b Back blasted surface 图9轴向迎-背爆面应力峰值 Fig. 9 Peak value of stress on the axial front back blasting surface 2管道迎■背爆面速度峰值分布规律 以管道轴向长度作为坐标，管道的迎爆面-背 爆面单元的振动合速度峰值为y坐标，分析三种不 同壁厚的轴向迎■背爆面速度峰值变化规律如图10 所示。 a迎爆面 a Blasting surface b背爆面 b Back blasted surface 图10轴向迎-背爆面速度峰值 Fig. 10 Peak value of axial velocity of front and back blasting surface 由图10可知迎爆面单元振动速度峰值较背爆 面振动速度峰值更大，管道两侧1/4处振动速度最 大，中间位置最小。结合图9的有效峰值应力分布, 管道两端距离爆源最近,应力峰值最大，但速度峰值 最大位置为管道两端的1/4处。说明振动速度的传 播规律不是严格按照应力的线性传播进行衰减,更 易受其他因素影响,如波的入射角，振动波以球面波 传播至管道壁面上时,根据距离计算，速度峰值最大 处与爆源的夹角为32。。 3爆破振动波能通量计算 对管道的动力响应研究,除了对应力和振速的 分析,更应考虑能量的改变,振动波能量传播规律对 受载结构的响应分析能够综合考虑爆破振动强度、 振动频率、持续时间的多因素共同作用。 爆破振动波传播是一个行进的点对点扰动过 程,同时点的积分伴随着能量的传递。爆破振动强 度的可量化因素通常以爆破振动强度因子进行运动 描述，如质点振动位移、速度、加速度等。对于爆破 强度4,其广义表达式为 A KQaie 5 式中M为爆破地震强度物理量;K为场地系 数;Q为炸药量;q、0为衰减指数;人为测点至爆心 距离。 第38卷第1期梁瑞，包娟,周文海，等地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响47 对于某监测单元的爆破振动波能量的计算可以通 过爆破振动波传播过程中经过该监测单元的能通量的 积分求得。假设爆破振动波为无限连续介质中传播的 球面波，在球面坐标系中应力张量的分量表示为 A 2“d“i 2Au j A 2/i 丁22 f 百 ； 式中如为振动位移;r为爆心距;入和“为拉 姆常数。由求和定则,能通量求解为 ①TijHjVj 7 而单元振动速度可由后处理中提取。设通过爆 心距r处的能通量为定值，通过该单元截面的总能 量P为 P 4ir r20 8 根据位移与速度的导数关系警-殳,建立振 dr c 动速度的时间历程积分计算公式作为爆破振动波总 能量计算公式 Es 4u 7pc [ ”； o； ”；d t 9 式中Z表示通过监测单元的爆破振动波总能 量;P为传播介质的密度;c为横纵波的近似合成波 速;r为爆心距;”1、。2、”3分另I为％、y、z三轴方向振动 速度。由/ ”[ “； 诚表示各速度分量的矢量 和速度，式9又表示为 Es 4-n T2pc J v2 d t 10 爆破振动波的能量随着波阵面继续扩展，围岩 介质的开裂消耗了部分能量,所经过的质点振速逐 渐降低，其微分表达式为 式中E,为监测单元的爆破振动波能量;0表示 振动波能量衰减量系数，负号表示能量的衰减。再 对表达式积分得 E,已严 12 式中血为爆源炸药能量转换为爆破振动波的 初始能量;r为爆心距。又联合式Eo vEe,v代表 炸药能与转化成振动波初始能的百分比。得到爆破 振动能量衰减公式 E,吨严 13 对比式5,可以发现式13中爆破振动波能 量E*对应强度物理量A ；7对应场地系数K,而“与 Ee的积表达为装药量Q的关系；式中的指数部分 e件表达为能量的衰减形式，两公式间具有一致性。 通过爆破振动波衰减式13对表4中3组公 称直径相同壁厚不同的管道环向监测单元分析,如 图4b所示,沿管壁面底部至顶部依次选取8个单 元并以字母A-H排序，监测单元具体数据的见表 5。计算爆心距r并与式10计算得到的爆破振动 波能量瓦进行拟合回归。 首先将式13两边取对数 I n Es l n q I n -0r 14 令 y l n E, ,r ,a I n 77 I n e,线性 化表示为 y ax b 15 表5管壁单元峰值振速与振动波能最 Ta bl e 5 Pea k vibr a t io n vel o c it y a n d vibr a t io n wa ve en er gy o f t u be wa l l el emen t 名称 123 r/m / cm s 1 瓦/MJr/m / cm s 1 E/MJr/m / cm s 1 g/MJ A12. 060. 04540不同壁厚的管道能量衰减程度不同壁 厚为4 mm、6 mm、9 mm的管道，爆破振动波能量衰 减量分别为142.71 MJJ25.7 MJ、66. 88 MJ,两者近 48爆破2021年3月 似呈负相关关系。分析3组管道振动波能量的衰减 变化，发现在同种爆破条件下,管道壁厚增大2 mm 和3 mm的爆破振动波能量衰减速率分别减少约 12和47 ,随着管壁厚度增大，振动波能量在管 道上的衰减幅度也下降。 尝试探寻管道监测单元振动波能量和对应振速 的关系，将振动波能量与单元峰值速度进行拟合，得 到爆破振动波能量Es与振动速度的平方/近似正 相关，且相关性均大于0.85,如图12o 550 500 450 400 350 300 ■ Esl 20.87 Esl 720.95 A Esl 疋0 90 ------Lin ea r Fit o f Evi ------Lin ea r Fit o f *52 -------Lin ea r Fit o f Es*3 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 v2/cm s-1 25Oo 图11能量与爆心距线性回归结果 Fig. 11 Results of linear regression of energy and blast center distance 图12能量与速度平方线性回归结果 Fig. 12 Energy and velocity squared linear regression results 为比较由衰减公式13拟合得到的衰减系数0 与数值模拟结果计算得到的衰减率贴近程度，定义 迎-背爆面振动波能量衰减率K K - EsH/ EsA 16 式中田分别为管道迎爆面单元和背爆面 单元的瞬时振动波能量。对管道迎爆面与背爆面振 动波能量数据计算得到K作为能量衰减率,通过能 量衰减公式对三组不同壁厚的管道单元拟合回归得 到爪0值，令心77D作为管道厚径比参数，如表6, k值由表5计算得到。 表6管道回归结果与能量衰减公式 Ta bl e 6 Pipel in e r egr essio n r esu l t s a n d en er gy a t t en u a t io n f o r mu l a 组别 厚径比 i T/D 炸药能转换 率乃/ 振动波能量 衰减率K/ 振动波能量 衰减系数0/ 相关性能量衰减公式 10.0449.1634.934.40.97Es 49.16Eee-0344r 20.0614.3722.521.40.96Es 49.16Eee-0214r 30.097.351厚径比0. 0525 W Z W0. 05375 ,管道 能量衰减系数0、炸药能转换率r j与迎-背爆面能量 衰减率k的能量衰减程度均处于26. 7 ；厚径比心 0.05375,管道振动波能量的衰减更加明显;管道厚 径比TM0.06时，管道环向的振动波能量衰减规律 基本相似。随着管道厚径比，增大，管道环向监测 单元的77、K与0均逐渐减小,管道壁面的振动波阻 抗增大且管道对振动的响应敏感度降低，振动波能 量衰减程度变弱。爆破振动波能量衰减模型关于爆 心距回归得到的衰减率0,其数值及变化趋势与测 点数据计算得到的K贴近程度较高，表明在爆破振 动波对管道的动力响应分析中建立的能量衰减模型 较为准确。 第38卷第1期梁瑞，包娟,周文海，等地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响49 4结论 通过模拟在爆破载荷作用下，不同壁厚埋地管 道的动力响应，对其有效应力、振动速度和能量变化 规律进行分析 1 通过分析迎爆面-背爆面轴向监测单元应力 时程曲线和速度时程曲线，发现管道迎爆面1/4B、 D单元处存在应力集中现象，在20-50 ms时管道 有效应力达到峰值;管道背爆面有局部应力放大效 应;在10 21 ms时管道迎爆面和背爆面的振动速 度达到峰值。 2 随着管道壁厚的增加，管道迎爆面和背爆 面同一位置处的轴向有效应力和速度均逐渐减小。 在管道两端，迎爆面和背爆面的有效应力峰值最大; 距管道两端1/4处，迎爆面和背爆面的振动速度峰 值最大。 3 建立管道振动波能量衰减模型,拟合得到 管道环向振动波能量衰减量与管道壁厚呈近似负相 关关系，管壁振速的平方与振动波能量呈一次函数 关系；当管道厚径比i0. 0525时，炸药能的衰减最 快,0. 0525 WiwO. 05375时，衰减指标“、0、k数值 均为26.7,且im0.06时管道环向监测单元各项 衰减指标规律趋于一致。 4 在本文工况下，模拟所得的管道振速峰值 分布于1.0-2.25 c m/s范围内，将爆破安全规程 中爆破振动波的振动速度与振动频率作为安全判 据,管道处于安全状态。 参考文献References [1] 何川，封坤，方勇.盾构法修建地铁隧道的技术 现状与展望[J].西南交通大学学报,2015,50197- 109. 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