开挖爆破对在建混凝土烟囱的振动影响及控制.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 020 开 挖 爆 破 对 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 振 动 影 响 及 控 制 * 李 洋 1， 舒 大 强1， 丁 留 涛2， 欧 明 鑫1， 林 博 闻1 （1.武 汉 大 学 水 利 水 电 学 院 ， 武 汉430072；2.中 国 电 建 集 团 成 都 勘 测 设 计 研 究 院 有 限 公 司 ， 成 都610000） 摘 要 在 岩 石 开 挖 爆 破 时 ， 由 于 在 建 混 凝 土 烟 囱 具 有 低 龄 期 和 随 高 度 放 大 的 特 点 ， 爆 破 振 动 安 全 问 题 尤 为 突 出 。以 福 建 华 能 罗 源 电 厂 为 研 究 背 景 ， 采 用 数 值 模 拟 方 法 ， 研 究 爆 破 震 动 作 用 下 在 建 混 凝 土 烟 囱 不 同 龄 期 时 的 受 力 特 点 和 烟 囱 的 动 力 响 应 规 律 。在 烟 囱 不 同 高 度 出 现 不 同 程 度 的 振 动 放 大 效 应 ， 中 上 部 的 放 大 效 应 达 到1 ～3倍 ， 顶 部 质 点 振 速 的 放 大 则 可 以 达 到 底 部 的4倍 ； 随 着 爆 破 震 动 荷 载 的 增 加 ， 烟 囱 的 应 力 应 变 增 幅 明 显 大 于 震 动 荷 载 增 大 的 比 例 。在 爆 破 振 动 监 测 与 控 制 时 ， 应 根 据 烟 囱 上 升 的 部 位 规 定 不 同 的 基 底 安 全 允 许 振 速 值 。 关 键 词 混 凝 土 烟 囱 ；爆 破 振 动 ；动 力 响 应 ；放 大 效 应 ；数 值 模 拟 中 图 分 类 号 TV542 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0132 －05 Vibration Influence and Control of Excavation Blasting on Concrete Chimney under Construction LI Yang1，SHU Da-qiang1，DING Liu-tao2，OU Ming-xin1，LIN Bo-wen1 （1. School of Water Resources and Hydropower Engineering，Wuhan University， Wuhan 430072，China；2. Chendu Engineering Corporation Limited，Chendu 610000，China） Abstract During rock excavation with blasting，the safety problem of blasting vibration is particularly prominent because the concrete chimney under construction is of low solidification stage and the vibration velocity is amplified with the height. Taking Huaneng Luoyuan Power Plant in Fujian as the research background，numerical simulation was used to study the stress characteristics and dynamic response laws of concrete chimneys under construction at different ages under the action of blasting vibration. Vibration amplification effect in different degrees occurs at differ- ent height of chimney，the amplification effect of vibration velocity in the middle and upper parts reaches 1 to 3 times，and the magnification of the vibration velocity of the top particle reaches 4 times of the bottom. With the in- crease of blasting vibration load，the increase of stress and strain in chimney is obviously larger than that of vibration load. In the monitoring and control of blasting vibration，different safe allowable vibration velocity should be deter- mined according to the position of chimney during the course of construction. Key words concrete chimney；blasting vibration；dynamic response；amplification effect；numerical simula- tion 收 稿 日 期 2019 －11 －26 作 者 简 介 李 洋 （1994 －） ， 男 ， 河 南 信 阳 人 ， 武 汉 大 学 水 利 水 电 学 院 硕 士 研 究 生 ， 主 要 从 事 水 利 水 电 工 程 施 工 技 术 方 面 的 研 究 ， （E-mail）liyang-99＠ whu. edu. cn。 通 讯 作 者 舒 大 强 （1962 －） ， 男 ， 江 西 靖 安 人 ， 教 授 ， 主 要 从 事 水 利 水 电 工 程 施 工 技 术 方 面 的 研 究 和 教 学 ， （E-mail）1660924335 ＠ qq. com。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 （51979205） 在 诸 多 建 设 工 程 中 ， 存 在 混 凝 土 结 构 浇 筑 与 岩 石 爆 破 开 挖 并 行 施 工 的 安 排 。由 爆 破 震 动 带 来 的 混 凝 土 结 构 振 动 安 全 影 响 ， 往 往 成 为 工 程 建 设 部 门 必 须 面 对 和 急 切 解 决 的 关 键 技 术 问 题 。采 用 滑 模 法 浇 筑 施 工 的 高 耸 筒 状 混 凝 土 烟 囱 ， 由 于 低 龄 期 和 振 速 随 高 度 放 大 的 特 点 ， 爆 破 振 动 安 全 问 题 尤 为 突 出 。 万方数据 混 凝 土 烟 囱 结 构 的 抗 震 设 计 ， 一 般 是 以 天 然 地 震 波 作 用 下 的 惯 性 力 输 入 为 计 算 基 础 的 。针 对 混 凝 土 烟 囱 等 高 耸 结 构 振 动 响 应 研 究 往 往 主 要 是 考 虑 地 震 作 用 ， 很 多 学 者 运 用 不 同 的 办 法 进 行 了 大 量 的 研 究 ［1-3］。但 对 于 日 渐 升 高 而 必 然 存 在 的 低 龄 期 混 凝 土 烟 囱 的 爆 破 振 动 响 应 问 题 的 研 究 成 果 相 对 较 少 ， 且 尚 未 出 现 专 门 的 爆 破 振 动 安 全 控 制 标 准 。对 于 岩 石 开 挖 爆 破 诱 发 的 特 殊 震 动 荷 载 ， 由 于 荷 载 特 性 的 不 同 ， 简 单 套 用 地 震 荷 载 作 用 下 的 判 据 和 抗 震 标 准 ， 与 爆 破 地 震 作 用 下 的 振 动 响 应 会 存 在 较 大 出 入 。即 使 是 现 行 的 爆 破 安 全 规 程 ， 也 只 是 将 各 类 工 业 与 商 业 建 筑 结 构 的 振 动 安 全 和 控 制 标 准 进 行 笼 统 简 单 的 考 虑 。 从 福 建 华 能 罗 源 电 厂 和 武 穴 云 华 安 化 工 建 设 项 目 的 需 求 出 发 ［4］， 结 合 混 凝 土 浇 筑 期 间 进 行 的 爆 破 振 动 监 测 数 据 ， 并 充 分 考 虑 新 浇 筑 钢 筋 混 凝 土 性 能 ， 采 用 数 值 模 拟 的 方 法 ， 就 爆 破 地 震 波 作 用 下 的 高 耸 混 凝 土 烟 囱 的 振 动 响 应 特 性 ， 尤 其 是 不 同 龄 期 混 凝 土 条 件 下 结 构 受 力 分 布 与 特 点 ， 有 针 对 性 地 进 行 分 析 研 究 。通 过 研 究 成 果 ， 以 期 获 得 武 穴 云 华 安 化 工 建 设 项 目 施 工 控 制 的 依 据 ， 达 到 混 凝 土 浇 筑 和 钻 爆 开 挖 合 理 兼 顾 综 合 协 调 的 目 的 。 1 筒 形 混 凝 土 烟 囱 的 建 模 与 参 数 1. 1 计 算 模 型 以 罗 源 电 厂 在 建 混 凝 土 烟 囱 为 研 究 背 景 ， 考 虑 建 筑 结 构 实 际 尺 寸 ， 按 烟 囱 高 度120 m， 基 础 外 径 26 m， 内 径24 m， 底 部 烟 囱 壁 厚 为1 m来 建 模 ， 并 将 烟 囱 底 部 基 础 岩 石 的 长 宽 取 为72 m 72 m， 基 岩 深 度 取20 m。在 计 算 中 ， 选 取 龄 期28 d以 上 的 混 凝 土 烟 囱 高 度 已 经 达 到75 m， 而75 m以 上 多 为 低 龄 期 混 凝 土 的 计 算 工 况 ， 建 立 的 三 维 有 限 元 模 型 如 图1。 图1 烟 囱 数 值 计 算 模 型 Fig. 1 Numerical calculation model of Chimeny 将 人 为 边 界 设 置 为 无 反 射 边 界 ， 其 他 原 有 表 面 作 自 由 边 界 处 理 ， 采 用3DSolid164单 元 类 型 ，Rayleish 阻 尼 取α ＝0. 85，β ＝0. 00006。同 时 结 合 烟 囱 混 凝 土 浇 筑 实 际 进 度 ， 对75 m以 上 不 同 龄 期 混 凝 土 ， 参 考 现 场 施 工 进 度 ， 选 取15 m高 度 为 一 施 工 步 长 。 1. 2 基 本 假 定 考 虑 到 烟 囱 结 构 的 施 工 特 点 ， 在 计 算 中 采 用 以 下 假 定 （1）烟 囱 混 凝 土 结 构 本 身 与 地 基 、 烟 囱 筒 壁 各 施 工 段 之 间 紧 密 连 接 在 一 起 ， 忽 略 施 工 等 因 素 引 起 的 各 部 分 间 可 能 存 在 的 不 连 续 性 ； （2） 对 于 结 构 中 钢 筋 和 混 凝 土 的 处 理 ， 采 用 目 前 比 较 常 用 的 刚 度EI等 效 方 法 来 调 整 烟 囱 等 结 构 弹 性 模 量 ［5］。 （3） 动 力 加 载 时 忽 略 因 地 基 深 度 的 变 化 出 现 质 点 振 动 分 布 不 同 现 象 的 影 响 。 1. 3 计 算 参 数 基 岩 及 不 同 龄 期 混 凝 土 的 物 理 力 学 参 数 是 爆 破 震 动 作 用 下 结 构 动 力 响 应 的 重 要 影 响 因 素 。根 据 工 程 现 场 勘 察 资 料 和 结 构 设 计 资 料 ， 并 参 考 类 似 工 程 经 验 和 规 范 ［6，7］， 综 合 确 定 模 型 中 不 同 龄 期 钢 筋 混 凝 土 烟 囱 的 物 理 力 学 参 数 如 表1。对 于 烟 囱 基 岩 的 物 理 力 学 参 数 ，取 密 度2650 kg／ m3，动 弹 性 模 量 4. 0E ＋10 Pa和 泊 松 比0. 22。 表1 不 同 龄 期 混 凝 土 烟 囱 的 物 理 力 学 参 数 Table 1 Physical and mechanical parameters of reinforced concrete chimneys of different ages 龄 期密 度／（kgm －3） 动 弹 性 模 量 ／ Pa泊 松 比 325003. 32E ＋100. 2 725003. 79E ＋100. 2 1425003. 93E ＋100. 2 2825004. 12E ＋100. 2 1. 4 计 算 工 况 基 于 现 场 爆 破 震 动 传 播 特 性 ， 依 据 爆 破 施 工 及 混 凝 土 浇 筑 作 业 方 案 ， 对 数 值 模 型 进 行 动 力 加 载 计 算 。主 要 考 虑 两 种 工 况 （1） 工 况 （1） 选 择 适 当 范 围 内 的 实 测 振 动 波 作 为 动 力 荷 载 ， 如 图3（a） 、 （b） 、 （c）所 示 ， 加 载 水 平 径 向 、 切 向 、 垂 直 向 振 速 于 基 础 岩 石X ＝ － 36 m边 界 面 上 ， 分 别 与 模 型 中 的X、Y、Z向 一 致 。同 时 烟 囱 筒 壁 材 料 按 照 实 际 情 况0 ～ 90 m段 混 凝 土 龄 期 为 28 d、90 ～105 m段 为14 d、105 ～120 m段 为3 d龄 期 混 凝 土 参 数 进 行 设 置 。 （2） 工 况 （2） 加 载 方 式 、 烟 囱 筒 壁 混 凝 土 龄 期 331第36卷 第4期 李 洋 ， 舒 大 强 ， 丁 留 涛 ， 等 开 挖 爆 破 对 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 振 动 影 响 及 控 制 万方数据 分 布 均 与 工 况 （1） 相 同 。为 研 究 不 同 荷 载 特 性 时 烟 囱 筒 壁 的 动 力 响 应 特 征 ， 所 加 荷 载 曲 线 如 图3（d） 、 （e） 、 （f） 所 示 。 两 种 工 况 下 ， 采 用 的 振 速 荷 载 时 程 曲 线 的 峰 值 振 速 由 （a）～（f）依 次 为3. 61 cm／ s、1. 05 cm／ s、 3. 50 cm／ s、5. 00 cm／ s、4. 05 cm／ s、5. 00 cm／ s。其 中 （a） 、 （b） 、 （c） 振 动 主 频 分 别 为43 Hz、44 Hz、44 Hz。 （d） 、 （e） 、 （f）振 动 主 频 均 设 为24 Hz。图 中 横 坐 标 表 示 时 间 ，s； 纵 坐 标 表 示 相 应 的 质 点 振 速 ，m／ s。 图2 两 种 工 况 所 加 载 的 振 速 时 程 曲 线 Fig. 2 The time-history curves of vibration velocity under two kinds of working conditions 2 烟 囱 的 动 力 响 应 及 受 力 分 析 2. 1 振 动 响 应 及 放 大 效 应 为 了 观 察 烟 囱 不 同 位 置 处 的 振 动 响 应 特 点 ， 在 烟 囱 的 迎 爆 侧 （ 与 入 射 面 距 离 最 近 ） 、 中 间 部 位 及 背 爆 侧 （ 与 入 射 面 距 离 最 远 ） 自 下 而 上 分 别 取7个 观 察 点 ， 编 号 为a1～a7、b1～b7、c1～c7， 具 体 如 图3所 示 。 图3 烟 囱 筒 壁 观 察 点 布 置 图 Fig. 3 Layout of observation points on chimney wall 通 过 模 拟 计 算 ， 获 得 两 种 工 况 下 烟 囱 筒 壁 面 上 各 观 察 点 峰 值 质 点 振 动 速 度 。考 虑 两 种 工 况 下 各 观 察 点 振 动 速 度 大 小 的 分 布 规 律 基 本 相 同 ， 仅 将 工 况 （1） 中 的 不 同 龄 期 混 凝 土 观 察 点 计 算 值 列 入 表2， 可 以 看 出 （1） 在 振 动 荷 载 作 用 下 ， 烟 囱 筒 壁 迎 爆 侧 和 背 爆 侧 水 平 径 向 （X向 ）和 垂 直 向 （Z向 ）的 振 动 速 度 较 大 ， 而 中 间 部 位 的 水 平 切 向 的 （Y向 ）振 动 速 度 明 显 大 于 迎 爆 侧 和 背 爆 侧 相 同 高 度 的 水 平 切 向 （Y向 ） 振 动 速 度 。 （2）在 顶 部 振 速 较 基 础 面 振 速 均 有 明 显 的 放 大 效 应 ， 放 大 效 应 为1 ～ 3倍 ； 中 上 部 区 域 的 振 速 放 大 效 应 也 较 为 明 显 。在 烟 囱 的 同 一 断 面 ， 迎 爆 侧 、 背 爆 侧 观 察 点 的 振 速 响 应 相 差 不 大 ， 但 均 明 显 大 于 中 间 部 位 的 观 察 点 。 （3）就 水 平 切 向 的 振 速 计 算 结 果 可 知 ， 迎 爆 侧 、 背 爆 侧 系 列 观 察 点 振 速 均 较 小 ， 而 中 间 部 位 观 察 点 振 速 较 大 。其 主 要 原 因 在 于 荷 载 沿 烟 囱 筒 壁 传 递 至 中 间 部 位 时 其 方 向 随 之 变 化 ， 从 而 出 现 较 大 的 切 向 振 速 。烟 囱 结 构 形 式 对 振 动 响 应 特 性 有 较 大 影 响 。 431爆 破 2019年12月 万方数据 （4） 垂 直 向 振 速 相 比 其 他 向 振 速 具 有 更 为 明 显 的 振 动 放 大 效 应 ， 尤 其 是 迎 爆 侧 烟 囱 顶 部 观 察 点 ， 放 大 效 应 最 大 达 到4倍 ； 在 烟 囱 高 度 的60％ ～75％处 放 大 效 应 同 样 明 显 ， 达 到 了1 ～3倍 。 表2 工 况 （1）筒 壁 面 观 察 点 峰 值 振 动 速 度 计 算 值 Table 2 Calculated values of peak vibration velocity at observation points on the wall of the cylinder under operating condition（1） 观 察 点 编 号 观 察 点 部 位 X向 振 速／ （cms －1） Y向 振 速／ （cms －1） Z向 振 速／ （cms －1） a13. 060. 661. 41 a22. 330. 371. 77 a33. 890. 713. 33 a4迎 爆 侧4. 360. 612. 66 a52. 660. 842. 86 a64. 110. 623. 72 a76. 570. 976. 05 b11. 970. 601. 02 b21. 871. 781. 69 b32. 091. 712. 54 b4中 间 部 位2. 751. 992. 59 b52. 221. 181. 33 b63. 011. 301. 84 b72. 971. 912. 93 c12. 160. 341. 35 c25. 050. 512. 17 c32. 520. 792. 73 c4背 爆 侧3. 510. 634. 24 c52. 730. 762. 28 c63. 760. 692. 32 c76. 701. 113. 63 2. 2 烟 囱 的 受 力 特 点 研 究 不 同 震 动 荷 载 作 用 下 烟 囱 混 凝 土 结 构 不 同 龄 期 的 应 力 应 变 等 特 征 ， 可 以 了 解 爆 破 振 动 对 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 动 力 影 响 特 点 。通 过 数 值 计 算 得 到 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 应 力 应 变 云 图 ， 以 图4为 例 ， 该 图 是 工 况 （2） 烟 囱 在28 d龄 期 段 的 计 算 结 果 。 将 数 值 模 拟 计 算 得 到 的 两 种 工 况 下 烟 囱 混 凝 土 结 构 不 同 龄 期 段 的 应 力 、 应 变 的 最 大 值 汇 总 于 表3 和 表4中 ， 可 以 分 析 烟 囱 筒 壁 在 不 同 荷 载 作 用 下 的 动 力 响 应 和 受 力 特 点 。 表3 工 况 （1）下 烟 囱 筒 壁 不 同 龄 期 段 最 大 应 力 及 应 变 Table 3 The maximum stress and strain of the chimney wall at different ages under operating condition（1） 烟 囱 筒 体 部 位 第 一 主 应 力／ MPa 最 大 剪 应 力／ MPa 最 大 应 变／ （10 －6） 28 d龄 期 段0. 590. 4213. 65 14 d龄 期 段0. 420. 2910. 65 3 d龄 期 段0. 390. 2411. 95 表4 工 况 （2）下 烟 囱 筒 壁 不 同 龄 期 段 最 大 应 力 及 应 变 Table 4 The maximum stress and strain of the chimney wall at different ages under operating condition（2） 烟 囱 筒 体 部 位 第 一 主 应 力／ MPa 最 大 剪 应 力／ MPa 最 大 应 变／ （10 －6） 28 d龄 期 段0. 720. 6216. 86 14 d龄 期 段0. 780. 5518. 50 3 d龄 期 段0. 680. 4219. 41 图4 28 d龄 期 段 应 力 应 变 云 图 Fig. 4 Stress strain nephogram of 28 d （1）工 况 （1） 中 ， 第 一 主 应 力 、 最 大 剪 应 力 以 及 最 大 应 变 均 比 工 况 （2）明 显 增 大 ， 特 别 是14d龄 期 段 三 者 增 幅 分 别 达 到85％、89％、74％， 远 超 过 荷 载 增 大 的 比 例 。可 见 ， 随 着 断 面 震 动 荷 载 的 增 大 ， 烟 囱 筒 壁 的 动 力 响 应 增 加 强 烈 。 （2） 与 工 况 （1） 相 比 ， 工 况 （2） 中14 d龄 期 段 第 一 主 应 力 的 最 大 值 超 过 下 部28 d龄 期 段 ， 可 见 在 较 强 荷 载 作 用 下 烟 囱 中 上 部 也 可 能 是 产 生 影 响 的 主 要 区 域 。 531第36卷 第4期 李 洋 ， 舒 大 强 ， 丁 留 涛 ， 等 开 挖 爆 破 对 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 振 动 影 响 及 控 制 万方数据 （3） 第 一 主 应 力 与 最 大 应 变 之 间 的 比 例 关 系 随 着 龄 期 的 减 小 而 相 应 减 小 。 3 烟 囱 的 振 动 监 测 与 安 全 控 制 标 准 对 于 在 建 混 凝 土 烟 囱 的 爆 破 振 动 安 全 问 题 ， 由 于 受 到 现 场 地 形 地 质 条 件 、 钻 爆 规 模 与 参 数 的 影 响 ， 并 且 往 往 多 点 爆 破 同 时 进 行 、 烟 囱 浇 筑 部 位 的 仪 器 布 置 与 观 测 困 难 ， 采 用 现 场 爆 破 振 动 监 测 ， 是 反 馈 施 工 和 评 定 低 龄 期 混 凝 土 烟 囱 安 全 的 可 靠 方 法 。 在 烟 囱 的 爆 破 振 动 监 测 中 ， 以 混 凝 土 烟 囱 底 部 布 置 监 测 仪 器 为 主 。当 烟 囱 上 升 到 一 定 高 度 时 ， 由 于 放 大 效 应 的 客 观 存 在 ， 必 须 依 据 响 应 放 大 的 特 点 ， 随 着 上 升 部 位 的 变 化 ， 采 用 不 同 的 爆 破 振 动 安 全 控 制 标 准 。 参 考 本 文 数 值 模 拟 计 算 取 得 的 在 建 混 凝 土 烟 囱 动 力 响 应 特 点 的 研 究 成 果 和 部 分 现 场 实 测 数 据 ， 依 据 爆 破 安 全 规 程 （GB67222014）中 相 关 规 定 ， 并 结 合 相 关 研 究 及 类 似 工 程 经 验 ［8-10］， 对 于 特 定 的 依 托 工 程 武 穴 云 华 安 化 工 建 设 项 目 ， 提 出 了 如 下 控 制 方 法 当 混 凝 土 烟 囱 在 底 部 区 域 浇 筑 时 ， 底 部 监 测 点 的 安 全 控 制 标 准 为 ［V］＝ 2. 0 cm／ s； 当 烟 囱 浇 筑 到 中 上 部 区 域 时 ， 考 虑 高 程 放 大 效 应 ， 底 部 监 测 点 的 安 全 控 制 标 准 为 ［V］＝1. 0 cm／ s； 当 接 近 顶 部 区 域 时 ， 在 烟 囱 底 部 监 测 点 的 控 制 标 准 为 ［V］＝0. 8 cm／ s。 4 结 论 （1）对 于 施 工 期 中 日 渐 升 高 的 钢 筋 混 凝 土 烟 囱 ， 考 虑 其 低 龄 期 和 振 速 随 高 度 放 大 的 特 点 ， 在 进 行 岩 石 爆 破 开 挖 时 ， 爆 破 振 动 的 影 响 必 须 严 格 控 制 。 随 着 浇 筑 高 度 的 升 高 ， 烟 囱 底 部 必 须 采 用 不 同 的 爆 破 振 动 安 全 控 制 标 准 。 （2） 在 爆 破 荷 载 作 用 下 ， 烟 囱 不 同 高 度 部 位 出 现 不 同 程 度 的 振 动 放 大 效 应 。其 中 顶 部 一 般 有1 ～ 4倍 的 放 大 效 应 ， 中 上 部 放 大 效 应 多 为1 ～3倍 。在 同 一 观 察 点 的 垂 直 向 振 速 放 大 倍 数 相 对 较 大 。 （3） 随 着 爆 破 震 动 强 度 的 增 大 ， 烟 囱 筒 壁 的 动 力 响 应 越 剧 烈 ， 其 中 最 大 主 应 力 、 最 大 剪 应 力 以 及 最 大 应 变 的 增 幅 远 大 于 荷 载 增 加 的 比 例 。 参 考 文 献 （References） ［1］ 任 耀 辉.烟 囱 竖 向 地 震 作 用 下 抗 震 性 能 分 析 ［D］.西 安 西 安 建 筑 科 技 大 学 ，2008. ［1］ REN Yao-hui. 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