莲花山隧道爆破振动效应试验研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.013 莲花山隧道爆破振动效应试验研究* 刘志液 中铁十四局集团有限公司，济南250101 摘 要为了降低爆破震动效应，研究关键性因素，确保隧道爆破施工期间围岩的安全稳定性，针对莲花山 2号隧道工程,采用信息化手段对现场爆破振动速度进行了多次监测。分析实测爆破振动速度的峰值，并基 于LS-DYNA非线性有限元模拟软件,运用拉格朗EJ算法与完全重启动相结合的方法模拟了隧道开挖中爆破 振动速度。对比分析实测与模拟结果,得出山体隧道爆破振进时，地表掌子面两侧产生了空洞效应现象，且 存在区域为掌子面两侧10 m范围内，该范围内空洞效应现象随着与掌子面之间距离的增大，呈先增强后减 弱直至消失的趋势，距离掌子面5 m处时空洞效应将达到峰值；同时，实测与模拟曲线显示各段位的振动速 度分布较为均匀，峰值相近，表明隧道开挖过程中，装药量与延保时间的控制有效减缓了爆破振动效应的影 响。 关键词隧道掘进；爆破作用；数值模拟；振动速度；空洞效应 中图分类号U455 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0078 - 07 Experimental Study on Blasting Vibration Effect of Lianhuashan Tunnel UU Zhi-bo Ch in a Ra il wa y 14t h Bu r ea u Gr o u p Co Lt d, Jin a n 250101, Ch in a AbstrUCt I n order to ensure the safety and stability of the surrounding rock of a tunnel during the blasting con struction by reducing the vibration effect, some key factors were analyzed based on the blasting vibration velocity measurements in the Lianhuashan No. 2 tunnel project. The peak particle velocity of blasting vibration was analyzed, and the nonlinear finite element simulation software LS-DYNA was used to simulate the blasting vibration velocity during tunnel excavation by a combined of the Lag rang e alg orithm and the complete restart . Compara tive analysis of the measured and simulated results showed that the cavity effect phenomenon occurred on both sides of the working face during the blasting of the mountain tunnel. And the area of the cavity effect was within 10 meters on both sides of the working face. With the distance from the working face, the trend of the cavity effect phenomenon first increased to a peak at 5m from the working face and then decreased until it disappeared. At the same time, the measured and simulated curves showed that the vibration velocity distribution of each section was relatively uni, and the peaks were similar. These conclusions indicate that the control of the charg e amount and the extended war ranty time can effectively slow down the impact of the blasting vibration effect during the excavation of the tunnel. Key Words tunneling ； ； blasting effect ； ； numerical simulation ； ； vibration velocity ； ； cavity effect 近年来，随着国家不断扩大交通基础设施建设 收稿日期收稿日期 2020-05-12 作者简介刘志波1969 -，男，山东临胸人，高级工程师，从事公路 与水路运输工程研究,E-mail710380668 qq. como 基金项目山东省重点研发计划2019JZZY020314 规模，我国隧道工程取得了迅猛发展,已成为世界上 隧道工程最多、发展最快的国家。在硬岩隧道的施 工中，钻爆法由于其灵活多变、适用范围广等独特的 优势，仍是硬岩隧道掘进中重要的施工方法之一。钻 第37卷第3期刘志波莲花山隧道爆破振动效应试验研究79 爆发施工中不可避免的产生爆破振动,不仅影响隧道 施工的结构稳定性，还严重危害周围建（构）筑物的安 全，因此，在隧道开挖施工时,为了保证施工安全和施 工质量以及地面建（构）筑物的安全，必须对隧道开挖 爆破引起的爆破振动进行信息化施工监测,以此来指 导隧道工程爆破参数的设计和后续施工。 刘光汉等为分析浅埋隧道爆破的“空洞效应”， 以贵州某隧道爆破工程为背景,研究爆破区域上方 两侧相同距离条件下的地表振动变化规律,并且进 行爆破振动试验⑴。学者闫兵等提出了相应的空 洞效应的危害解决措施及建议玄，随后国内学者郭 辉⑶、李志堂⑷、吴杨勇和冯阳阳等人对此也进行 了相关的研究⑸创，取得了一定的成果，在爆破减振 方面给出了较多中肯的建议EH。在隧道爆破数值 模拟方面，李梓源利用ANSYS-DYNA软件分析计算 了隧道爆破模型M ；何忠明基于FLAC3D软件得出 爆破开挖影响区质点震动速度的衰减规律［⑶；李建 旺采用完全重启动分析法对浅埋隧道掘进爆破破岩 过程进行数值模拟［⑷；崔年生通过比较DEMD和 EMD两种爆破振动处理方法［⑸，在信号频率筛分 方面DEMD明显优于EMD。 论文以潮（州）惠（州）高速公路莲花山2号隧 道为工程背景，采用信息化监测设备,现场采集了隧 道中轴线正上方地表的爆破振动数据,深入挖掘爆 破振动监测数据,研究隧道地表振动的“空洞效应” 现象,分析地表爆破振动速度的变化规律，同时结合 通用显式非线性ANSYS/LS-DYNA软件建立隧道的 有限元模型,模拟爆炸荷载作用下爆破振动效应,并 与实际监测结果相对比,研究隧道爆破振动下的空 洞效应，控制钻爆法开挖对周边构筑物的影响。 1隧道爆破振动监测 1.1工程背景工程背景 莲花山2号隧道设计为双向六车道特长隧道， 左右线分离布设，在莲花山2号隧道左洞ZK205 360〜ZK205 515围岩主要为粉质黏土、强风化熔 结凝灰岩及中风化熔结凝灰岩,以V级围岩为主,该 区段隧道采用钻爆法施工，隧道内岩体呈碎裂结构， 岩质较软，岩体破碎，自稳能力差，无支护时拱部易 坍塌,侧壁易失稳,对爆破振动的预测和控制提出了 更高的要求,需采集现场爆破振动数据,进行数据分 析，其中监测点位置布设在隧道左洞段距隧道拱顶 8〜10 m处。 12爆破方案设计爆破方案设计 隧道均按双向6车道高速公路、设计速度 100 km/h技术标准进行设计，单洞建筑限界净宽 14.75 m,其中隧道行车道宽度为3. 75 m x3叫路 缘带宽度为0.50 m （左侧）,1.00 m（右侧），余宽 0. 25 m x2 m,检修道宽 0. 75 m （左侧）、1. 0 m（右 侧，包含余宽0.25 m）,限高5. 0 mo根据岩层节理 裂隙发育、岩性软硬情况，采用上下台阶两次爆破进 行隧道施工,并及时修正爆破参数，提高爆破效果, 改善技术经济指标。钻孔按功能分为掏槽孔、辅助 孔、周边孔等等，掏槽孔深2.0〜3.2 m、其他孔深约 为3.0 m。上台阶循环进尺为2. 6 m,爆破断面积 98. 1 n 、药圈直径32 mm、炮孔孔径44 mm、循环耗 药量204. 3炖、平均单位耗药量1.0 kg/m3 o 上半部分围岩稳定性较差,常规爆破作用下易 失稳并发生坍塌,为避免上半部分爆破的影响，下半 部炮孔布置的层数和间距将根据情况进行适当调 整,实际的炮孔将减少。爆破断面积69.2 r r 、药圈 直径32 mm、炮孔孔径44 mm、循环耗药量 123. 2 kgA平均单位耗药量0.8 kg/m3o围岩炮眼布 置及爆破网路图如图1所示。 8585 108 图1围岩炮眼布置及爆破网路示意图单位cm Fig . 1 Schematic diag ram of blasthole layout and blasting network of surrounding rock unit cm j m ,91 , o3 m o5 13爆破振动监测方案及测点布置爆破振动监测方案及测点布置 基于莲花山隧道特殊的爆破施工振动效应,通 过进行6次现场实验,研究测点的爆破振动速度和 频率。在现场实验中，以莲花山隧道掘进掌子面为 中心，并沿隧道走向在上部地表中心线布置了 9个 测点,9个测点以掌子面为中心线呈对称分布，莲花 山隧道掌子面正上方测点编号为0,莲花山隧道未 成洞区上方测点编号往掘进方向依次为1,2,3,4, 莲花山隧道已成洞区上方测点编号往掘进反方向依 次为5,6,7,8。测点布置如图2所示。 80爆破2020年9月 后方成洞区前方未成洞区掌子面 V------------ 6 亠 6 】4」4 -/ 4 6 6 . r \ 4 3 2 1 0 ■ ■ ■ 5 6 7 8 图2爆破振动监测点布置图单位m Fig . 2 Blasting vibration monitoring point layout unit m 14爆破振动监测结果分析爆破振动监测结果分析 准确预测爆破引起的质点振动速度是有效控制 爆破震动危害的前提，振动速度是判断爆破振动安 全的安全判据指标之一，振动速度表示方法多是从 统计分析出发，以大量的爆破工程实测数据为基础 归纳总结得到的,其中最常用的是萨道夫斯基公式。 本实验中的地表测点在爆破点上面,地表质点的水 平振动速度一般小于其垂直向振动速度。所以，本 次现场实验重点监测地表质点的垂直向振动速度 波形。 在首次爆破振动监测试验中,0号测点、2号测 点、6号测点的振动速度波形图和频谱图如图3、图4、 图5所示。从0号测点、2号测点、6号测点的振动速 度波形图可以看到，由爆破引起的地表各个测点的振 动速度波形分布较均匀的为1 15段爆破，说明1 15段爆破药量分布比较均匀适宜。为了降低爆破振 动的影响，将掏槽孔的起爆划分为1,3,5共3个段 位，他们各自的起爆装药量为12炖,从试验结果来 看,通过划分掏槽孔的起爆段位并减低装药量,其产 生的爆破振动波动效果降低了不少，爆破振动得到了 有效地控制。0号测点、2号测点、6号测点的振动频 谱图可以看出，爆破能量主要分布在0〜120 Hz范围 之间,主频振率分布在10〜80 Hz之间。 a 振动速度波形图 a Oscil l o gr a m o f vibr a t io n vel o cit y b振动速度频谱图 b Spect r u m o f vibr a t io n vel o cit y 图3 0号测点处爆破振动波形图与频谱图 Fig . 3 Blasting vibration wave and frequency spectrum at measuring point 0 a 振动速度波形图 a Oscil l o gr a m o f vibr a t io n vel o cit y b振动速度频谱图 b Spect r u m o f vibr a t io n vel o cit y 图4 2号测点处爆破振动波形图与频谱图 Fig . 4 Blasting vibration wave and frequency spectrum at measuring point 2 g 詈 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1200 1000 800 麗600 D为爆炸应力波传播速度,m/s；Ama x 为炸药爆炸时对单元形心处的最大压强；V为爆轰 产物的相对体积，等于爆破产物体积与初始体积之 比;匕为爆炸应力波在h时,爆破产物体积与初始 82爆破2020年9月 体积之比;％丿为炸药爆速常数;通常乳化炸药密度 为 0.95 -1.25 g/cm3，爆速为 3500 〜5000 m/so 采用JWL状态方程模拟爆炸过程中压力 p A1-旦冶町B1 -旦冶矽学2 p \ r.v \ r2v V 式中“为爆轰产物的相对体积;Eo为初始比 内能;。为格林爱森参数，表示定容条件下压力相对 于内能的变化率汎』均为常数;尽、尽均为无量纲 常数。 炸药采用岩石乳化炸药* MAT_HIGH_EX- PLOSIVE_BURN，并定义状态方程* EOS.JWL, 材料参数见表1O 表2炸药参数 Table 2 Explosive parameters 炸药密度p/爆速爆压参数参数参数参数参数参数参数 g cm-3cm pis 1 Pc-j/GPaA/GPaB/GPaR\R2 0E/GPa 1.250.363.4214.40.1824.20.90.154.1920 2.4模拟结果分析模拟结果分析 通过数值模拟计算后,0号测点、2-1号测点与 2-2号测点的爆破振动速度波形图如图9、图10和 图11所示，其中0号测点位于隧道开挖掌子面正上 方,2-1号测点位于未成洞区上方,2-2号测点位于 成洞区上方,通过对比同点位现场实测爆破振动速 度波形图，可以得出实测爆破振动速度峰值较为接 近数值模拟爆破振动峰值。 2匚 _4 I____I____I____I____I____I____I__ 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 t/s 0号测点爆破振动速度数值模拟波形图 图9 0号测点爆破振动速度模拟波形图 Fig . 9 Simulated wave of blasting vibration speed at measuring point 0 T s T s 总 魚 t/s 2-1号测点爆破振动速度数值模拟波形图 图10 2-1号测点爆破振动速度模拟波形图 Fig . 10 Simulated wave of blasting vibration speed at measuring point 2-1 分析图9中各测点处振动速度数值模拟波形图 可知，各个段位钻孔爆破后数值模拟爆破振动速度 峰值为 3. 83,1. 27,1. 92,1. 82,0. 77,0. 93,1. 47, 2.21 cm/s ,而爆破后实测爆破振动速度的峰值为 3.77,2.13,2.11,1.78,1.83,1.64,2.32 cm/s,对比 数值模拟结果和实测结果的峰值,两者较为接近,表 明模拟结果正确可靠，同理2-1号测点与2-2号测 点的数值模拟结果与实测结果较为相近，也印证了 数值模拟方案的可行性。 .5 .O .5 .O .5O .5. 0 .5J .5 .O .5 .O .5O .5. 0 .5J 2. 2.1 . 1 . o. 2. 2.1 . 1 . o.- - c c t/s 2-2号测点爆破振动速度数值模拟波形图 图11 2-2号测点爆破振动速度模拟波形图 Fig . 11 Simulated wave of blasting vibration speed at measuring point 2-2 通过钻孔爆破的数值模拟,得到掏槽孔爆破下 各测点振动速度峰值的对比图12,其中0号测点处 的振动速度峰值最大，达到％ 2.91 cm/s ,并由0 号测点向两侧振动速度峰值逐渐减小，两侧各测点 的振动速度峰值分别为i_i二2. 62 cm/s ,s_2二 2.74 cm/s,2_i 二 1.92 cm/s,v2_2 2. 33 cm/s,t ;3_1 1.51 cm/s,3_2 1-47 cm/s,4_i 1.05 cm/s,v4_2 0.96 cm/s ,0号测点两侧的振动速度峰值大小顺序 为衍一2 衍-1理2-2 2-1 3-2 3-1，4-2 4 - 1，分 析两侧对比的结果可知，掌子面两侧较近的四个测 点处未成洞区的爆破振动速度峰值大于已成洞区测 点爆破振动速度峰值，形成了空洞效应,而距离较远 的两组测点未形成空洞效应，表明空洞效应出现于 掌子面邻近处。 为了深入分析隧道爆破开挖下空洞效应的显著 特点和作用范围,基于数值模拟的结果，在掌子面上 方地表两侧16 m范围内呈对称布置32组监测点, 每个测点间隔0.5 m,爆破作用下掌子面两侧对称 第37卷第3期刘志波莲花山隧道爆破振动效应试验研究83 点爆破振动模拟速度峰值曲线图如图13所示，爆破 振动“空洞效应”显著性指标K值模拟值如图14所 示,分析两图的曲线变化，可得掌子面两侧10 m范 围内的K值均大于1,表示未成洞区测点爆破振动 峰值速度小于成洞区测点振动速度峰值，且在该范 围内,显著程度指标K值呈先增大后减小的趋势, 并在距离掌子面5 m处时达到最大值，此时K值 为,空洞效应显著程度最高，此外，掌子面两侧边缘 5 m范围内，未成洞区测点爆破振动峰值速度大于 成洞区测点振动速度峰值,无空洞效应。 4-1 3-1 2-1 1-1 0 1-2 2-2 测点编号 图12掏槽眼爆破后地表测点爆破振动 模拟速度峰值曲线图 Fig . 12 Peak velocity curve diag ram of blasting vibration imulation at g round surface measurement points after blasting -0 -5 -0 -5 -0 -5 -0 -5 -0 -5 -0 -5 3 2 2 L L 0 3 2 2 L L 0 23-1 15-1 0 12-2 24-2 32-2 隧道地表数值模拟测点编号 图13掌子面两侧对称点爆破振动模拟速度峰值曲线图 Fig . 13 Peak velocity curve of simulated point blasting vibration on both sides of the palm face 空洞效应显著程度指标K值编号 图14爆破振动“空洞效应”显著性指标K值模拟值 Fig . 14 The simulated value of K value of the sig nificant index of “hole effect” of blasting vibration 3结语 通过对莲花山2号隧道爆破振动采用软件LS- DYNA进行数值模拟和现场实测对比分析，得到如 下结论 设定掌子面两侧相同距离的监测点爆破振动速 度峰值的比值K为衡量空洞效应的指标，分析实测 爆破振动速度数据，得到测点距离掌子面的距离越 远,爆破振动速度峰值的比值K呈先增大后减小的 趋势。 莲花山2号隧道爆破掘进的过程中，以隧道掌 子面为对称轴，两侧10 m范围内存在空洞效应”, 两侧5 m范围内空洞效应最为显著，而在10 m范围 之外,则不存在空洞效应,未成洞区上方地表测点处 爆破振动速度峰值要大于已成洞区上方地表测点处 爆破振动速度峰值。 现场实测的爆破振动数据与数值模拟的结果表 明各段位的振动速度分布较为均匀,峰值相近，主要 原因是隧道开挖的过程中，严格控制了多段微差延 时起爆时间和炸药装药量,使得爆破振动的速度得 到有效的控制。 参考文献参考文献References [1]程跃辉，江 鸿，陈 伟.隧道下穿匝道爆破振动控制 技术及效果分析[J]爆破,2017,34363-67. 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