空孔对爆破地震波减震作用的数值模拟分析.pdf

第2 9 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 9N 。4 2 0 1 2 年1 2 月 B L A S T I N G D e c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 1 4 空孔对爆破地震波减震作用的数值模拟分析 惠峰1 ，李志龙2 ，徐全军2 ，姜楠2 ，渠银录2 1 ．南京城建项目建设管理有限公司，南京2 1 0 0 0 2 ；2 ．解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要南京红山南路新开挖隧道群上跨既有地铁1 号线，最短垂直距离仅为4 ．1 6m 。在爆破施工过程 中，为确保运行地铁的安全，采用了在隧道开挖层和地铁隧道中间打空孔的减震技术。结合红山南路隧道开 挖实际工程，利用A u T O D Y N 软件对工程中有减震空孔情况下的爆破进行数值模拟计算，分析了减震空孔排 数、空孔与爆源距离等空孔布置参数对爆破地震波的衰减影响。对空孔的布置参数进行优化，提出了在距离 爆源1m 处打2 排交错空孔的减震方案，实际工程中震动速率减小率迭4 9 ．8 ％，减震效果明显。 关键词隧道爆破；爆破振动；空孔减震技术；数值模拟 中图分类号T D 2 3 5 ．4 7文献标识码 A 文章编号1 0 0 l 一4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 0 0 5 8 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nE f f e c to fE m p t yH o l eo n D a m p i n go fB l a s t i n gV i b r a t i o n 日叩凡凡9 1 ，U 劢i f 0 增2 ，X UQ u n n 乒n 2 ，。肼 ℃Ⅳ0 凡2 ，Q U 班乃一f M 2 ， 1 ．N a n j i n gU r b a nC o n s t m c t i o nI t e mM a n a g e m e n t D e V e l o p m e n tC oL t d ，N a n j i n g2 1 0 0 0 2 ，C h i n a ； 2 ．E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P I A U S T ，N a 叫i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h e v e r t i c a ld i s t a n c ef 南mt h ee x c a v a t i o nf a c eo fn e wt u n n e l sa tH o n g s h a nS o u t hR o a di nN a n j i n gt o t h ee x i s t e n tN 0 ．1s u b w a yt u n n e li so n l y4 ．1 6m ．T ok e e pt h es u b w a yo p e r a t i o ns 出，t h es e i s m i cc o n t m lm e 山o db y d r i l l i n ge m p t yh o l e sb e t w e e nt h ee x c a v a t i o nf 砬e 姐dt h ee x i s t e n t t u n n e l w a sa p p l i e di nt h eb l a s t i n ge n g i n e e r i n g ． B a s e do na c t u a le x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi nH o n g s h a nS o u t hR o a dT 1 1 n n e l ，t h es o f t w a r eA U T O D Y Nw a su s e dt 0s i m u - l a t et h eb l a s t i n gp r o c e s s ．T h ee f f e c to fd a r 叩i n gh o l e sr a n g en u m b e ra n dd i s t a n c e sf 如md 锄p i n gh o l e st 0b l a s ts o u r c e o na t t e n u a t i o nl a wd u r i n gt h eb l a s t i n gs e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o ni nt h em c kw a sa n a l y z e d ，B yo p t i m i z i n gt l l es e t t i n g p a m m e t e ro ft h ed a m p i n gh o l e s ，as c h e m eo fd r i l l i n g d o u b l er a n g es t a g g e r e dh o l e sw i t h i n1m e t e rn e a rt h eb l a s t s o u r c ew a sp r o p o s e d ．1 1 1 ep e a kp a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t yw a sr e d u c e d4 9 ．8 ％． K e yw o r d s t u n n e lb l a s t i n g ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；e m p t yh o l e sd 砌p i n gt e c h n i q u e ；玎u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 工程概述 南京红山南路隧道工程属于南京火车站北站房 和北广场建设工程的一部分。隧道需从小红山穿山 而过，全长约1 4 0m ，包括2 个机动车隧道、1 个非机 收稿日期2 0 1 2 一0 6 2 1 作者简介惠峰 1 9 7 5 一 ，男，工程师、大专，从事城市建设工程管 理， E - m 8 i l 7 6 9 “1 8 8 3 q q ．c o m 。 通讯作者李志龙 1 9 8 7 一 ，男，研究生，从事爆破器材爆炸作用研 究， E 一Ⅱl a i l 9 4 7 9 9 3 7 q q ．c o m 。 动车隧道和1 个用于设置管线的管廊隧道。隧道底 部距离地铁1 号线最近处仅为4 ．1 6m ，见图1 。为了 保证既有地铁隧道不受施工的危害，确保地铁线路的 正常运行，在通过地铁段隧道掘进时需要严格控制施 工过程中的爆破震动。由于隧道内空间有限，无法采 用减震沟技术减震，2 j ，因此在实际工程中采用钻凿 减震孔的方式保护地铁的安全运行。据有关资料介 绍口巧J ，单排减震孑L 的减震效应可达到3 5 ％。为了取 得最优化的设计，运用数值模拟的方法，对工程中的 问题进行建模仿真，分析减震孔的位置等对减震效应 万方数据 第2 9 卷第4 期 惠峰，李志龙，徐全军，等空孔对爆破地震波减震作用的数值模拟分析 5 9 的影响，得出优化参数，指导工程实践。 红 图1隧道断面相互位置关系 单位m F 唔． 1 U b i e t ya b o u tt u n n e lc r o s ss e c t i o n u n “m 2 计算模型与参数 2 ．1 计算模型 在南京红山南路隧道群掘进开挖工程中，为了保 护下方4 ．1 6m 处地铁隧道的安全，在隧道开挖层和地 铁隧道中间打孔径为9 0m m 的减震孔，隧道开挖示意 图如图2 所示。为了研究空孔的减震效应，为实际工 程提供参考，利用A U l ’O D Y N 软件对工程进行数值模 拟。为了方便模型的建立，做出以下简化 1 将整个 隧道开挖层看成单一密度的均匀岩石介质； 2 将装药 视为单一柱状装药，与实际工程采取相同的直径 3 2 一。 3 利用高斯点记录距离爆源4m 处的振动速 度，代替实际工程中采用的测振仪。 图2 隧道爆破开挖示意图 单位m F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g 乒a mo ft u n n e lc a v eb l a s t i n g u n i t m 本模型的单位制为m m 、m g 、m s 。采用E u l e r 求 解器J 。在网格划分时使用变网格划分技术，在药 包和空孔作用的地方采用较小的网格，其他地方采 用较大的网格划分，这样既可以确保关键部位的计 算精度，又可以尽量减少总网格的数目，缩短计算时 间。模型整体尺寸为5m x1 0m 。炸药采用乳化炸 药，药孔直径为3 2m m 。整个模型的网格数为 6 0 7 7 5 0 ，最小的网格单元为4m m ，完全可以确保计 算精度。模型中材料模型及状态方程如表1 。 表1 模型中材料模型及状态方程 T a b I e1M a t e r i a Im o d e l 蛐ds t a t ee q u a d 蚰i n 协em o d e I 2 ．2 模型的建立 结合工程实际，为了研究分析不同位置的空孔 对地震波的减震效果，分别模拟了在爆源和测点中 间，距离爆源1m ，2m ，3m 处打单排和双排减震孔 共6 种情况，利用高斯点记录不同时刻距离爆源4m 处的振动速度。以隧道开挖工程所处的岩体为模 型，考虑爆破地震波从爆源传播到地铁隧道表面的 情况，由于是二维模型，装药直径采用与实际工程相 同的3 2m m ，空孔孔径为9 0m m ，孔距2 1 0m m 。为 了与实际情况更加接近，模型的边界条件采用F l o w o u t 。图3 为空孔距离爆源lm 时的局部模型图。 a 1 单排孔模型 b 双排孔模型 图3 空孔距离爆源1m 的模型 单位m K g ．3 M o d l e0 fd i s t a n c elm 正∞mh l a s 血唔∞u r o e u I I i t m 万方数据 6 0爆破 2 0 1 2 年1 2 月 3 空孔减震效果分析 根据数值模拟结果，提取距离爆源4m 处的1 0 个高斯点记录的振动速度，比较不同情况下的振动 峰值速度，分析空孔对爆破地震波的衰减的影响。 结果如表2 。 表2 空孔位置不同时振动速度峰值对比 T a M e2 C 彻m p 蚵∞no np e a kV e I o d t yo fd i 蜀k 啪tp o s i 6 蛐h o l 嚣 3 ．1 减震孔的减震效果 根据表2 中的模拟结果显示，空孔对地震波的 减震有一定的效果。图4 是空孔距离爆源lm 时， 当爆破产生的地震波传播到空孔处时的压力云图。 由图4 可以看出，当在爆源和测点中间打空孔时，由 于空气中不传播弹性波，当地震波传播到空孔处时， 空孔隔断了地震波的传播哺．9 】，加速了爆破地震波 的衰减。 B S Y s 图4 空孔距爆源1m 时地震波传播到 空孔处的压力云图 F i g ．4P 】∞s s u 陀n e p h 0 罢p mo f 靶i s r n i cw 盯es p 陀a dt ot h e h o l e sa w a yf 而mt h eb l a s t i n g ∞u r c elm e t e r 3 ．2 空孔位置对减震效果的影响 空孔的位置不同，其减震效果也不同。比较距 离爆源1m ，2m ，3m 处的空孑L 的减震效果。图5 和 图6 分别为单排和双排空孔与爆源的距离不同时， 4m 处测点的振动峰值对比图。可以看出。lm 处的 减震效果最好。对于某一固定的测点，空孔与爆源 的距离越大，其对地震波的衰减的影响越小，即空孔 距离爆源越近，其减震效果越好。 图5 单排空孔与爆源距离不同时测点振动速度峰值 F i g ．5V i b r a t i ∞p e a kv e I o c i 哆o fd i ￡f e 陀n td i 8 t a r I c eo f s i n g l e - 坩wh o l 伪锄db l ∞t i l l g ∞u ∞∞ f 、2 ．8 5 72 ．8 0 县2 ．7 5 留2 ．7 0 辩 幅2 ．5 5 骣2 ．5 0 图6 双排空孔与爆源距离不同时测点振动速度 F i g ．6 V i b r a t i o np e a l 【v e l o c 畸“d i 如r e n td i s t 叭c eo f s i n d e r o wh o l e s 锄db l 幽“n g ∞u K e 加鹋酾甜酡∞ Z 2 2 2 2 2 一昌，避管毯锻黎骣 万方数据 第2 9 卷第4 期惠峰，李志龙，徐全军，等空孔对爆破地震波减震作用的数值模拟分析 6 l 3 ．3 单排与双排空孔的减震效果 由模拟结果看出，2 排交错的空孔能更好的起 到减震作用。图7 为双排空孔距离爆源lm 时，爆 破地震波传到空孑L 处时的压力云图。2 排空孔先后 隔断了地震波的传播，从而加速了地震波的衰减，起 到了更好的减震作用。 图7 距离爆源lm 的双排空孔对地震波的隔断 F i g ．7V i b m t j o n - i s o l a t i n go fd o u b l e - r o wh o l ∞a w a y f b mt h eb l a s t i n gs o u r c elm e t e r 图8 为距离爆源1m 处的单排与双排孔减震效 果的对比图，相对于l 排空孔，2 排空孔能更好的起 到减震效果，减震效果能增加1 倍左右。 图8 距离爆源lm 处的单排与双排孔减震效果对比 F i g ．8C o m p a r i s o no nv i b m t i o n - i s o l a t i n ge f 耗c to fs i n g l m w 粕dd o u b l e r o wh o l e sa w a yf b mt h eb l 鹊t i n g ∞u r c e1m e t e r 由以上分析可以得知，在开挖隧道和保护地铁 中间，打2 排减震空孔直径为9 0m m ，间距2 1 0m m 的交错空孔，能有效的减弱爆破地震波，保护地铁 隧道。 3 ．4 施工监测 在施工过程中，我们用M I N I s E l s 地震仪对震 动情况进行监测。监测结果表明，按常规爆破方法 进行爆破，爆破点离地铁侧壁的距离为1 8m 处震动 峰值达到了1 ．5 2 9c - n ／s 。经过增加减震措施后，爆 破震动最大值仅有O ．7 6 8c I I l ／s ，与原来1 ．5 2 9c m ／s 相比，震动速率减小了4 9 ．8 ％，减震效果十分明显， 证明该减震措施在该工程上可行有效。 4 结论 结合南京红山南路隧道开挖工程实践，利用 A U T O D Y N 软件，对工程中有减震空孔情况下爆破 地震波在岩石中的传播情况进行数值模拟，通过得 到的结果分析空孔对爆破地震波的减震作用，得出 以下结论 1 在爆破药量相同的情况下，钻凿空孔破坏 了岩层的整体性，能在一定程度上隔断地震波的传 播，减弱爆破引起的振动，有效的保护地铁的安全。 2 空孔的减震效果随着空孔与爆源的距离的 增加逐渐减弱。减震空孔应尽可能的靠近爆源。考 虑到实际施工，建议在1m 处打减震孔。 3 适当增加空孔的排数能起到更好的减震效 果。2 排空孔比单排空孔起到的减震作用增加近一 倍。因此在实际施工中，建议打多排交错的减震孔。 参考文献 R e f e 弛n c 馏 [ 1 ] 粱开水，陈天珠，易长平．减震沟减震效果的数值模拟 研究[ J ] ．爆破，2 ∞6 ，2 3 3 1 8 _ 2 1 ． [ 1 ] u A N GKs H ，C H E N GTz H ，Y IC HP ．N 哪r i c a ls i m u l a t i o nf o rv i h t i o n - i 龇ge 如c to f v i b m t i o n - i ∞l a t i n g 8 l o t [ J ] ．B l ∞l i I l g ，2 0 D 6 ，2 3 3 1 8 - 2 1 ． i nc h i n e 眈 [ 2 ] 谢先启．精细爆破[ M ] ．武汉华中科技大学出版社， 2 0 1 0 1 2 8 1 3 1 ． [ 3 ] 三三零工程局．葛洲工程施工技术汇集 一 [ M ] ．宜 昌三三零工程局。1 9 7 8 ． [ 4 ] 楼晓明，赖红源，唐小军．紫金山金铜矿靠帮高陡边坡 爆破减震研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 2 5 6 ．5 9 ． [ 4 ] L o uxM 。L A IHY ，T A N GxJ ．s t u d yo nb l 勰t i n gv i b r a ． t i ∞a b s o r b i n go fh i g l lr o c ke n d s l o p ei nz i j i n s h 粕G o l d c o p p e rM i 呻[ J 】．B l 鹳t i n g ，2 0 l l ，2 8 2 5 6 5 9 ． i nC h i - 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g u a I l g ，e ta 1 ． 0 p l i m i z e df 撕跚l 砒i o Hs n l d yo ne m l l l s i o ne x p l 0 8 i v em a d e b yl o 矗d i n gm a c h i n e [ J ] ．C h i n aM i n i n gM 8 s 配i n e ， 2 0 0 8 7 7 7 - 8 l ，9 9 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 何礼铮．乳化炸药化学敏化温度与密度[ J ] ．鸡西大学 学报，2 0 l l 7 5 0 ．5 1 ． [ 4 ] H EL i - z h e n g ．0 nt h ec h e m i c a lt 帅p e r 砒u r e 蚰d 山ed e n s i ． t y0 fe m u l s i 每i n ge x p l o s i o n [ J ] ．J o u m a lo fJ i x iu n i v e 璐i t y ， 2 0 1 1 7 5 0 - 5 1 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 杨卫东．乳化炸药敏化方法及应用研究[ J ] ．煤矿爆 破，2 0 0 9 2 6 - 9 ． [ 5 ]Y A N Gw 毛i ．d o n g ．S t u d y 帆t I l es e n s i t i z a t i o nm e t h o d 8o fe ． m t l l s i o ne x p l o s i v e 胁di t s 叩p l i c a t i o n [ J ] ．c o a lM i ∞B l 鹪． t i n g ，2 0 0 9 2 6 ’9 ． i nC h i n e s e 上接第6 1 页 [ 6 ]周传波，谷任国，罗学东．坚硬岩石一次爆破成井掏槽 方式的数值模拟研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ，2 4 1 3 2 2 9 8 ．2 3 0 3 ． [ 6 ] Z H 0 uCB ，G URG ，L U 0 xD ．N u I n e r i c a ls i m u l a t i o no n c u t t i n gm o d eo fs h 世e x c a v a t i o nb yo n e s t 印d e e p - h o l e b l a s 血唱i nh a r dr o c k [ J ] ．c h i n e s eJ o u m a lo fR o c kM e - c h 锄i c s 蚰dE n 百n e e r i n g ，2 0 0 5 ，2 4 1 3 2 2 9 8 ．2 3 0 3 ． i n C h i n e 8 e 1 [ 7 ] c 呲u r y 脚舢i c sI n c ．A I 籼Y Nu 邮姗n 啪l [ M ] ．c 即t u - r yD 咖a m i c sk c ，l 嘶． [ 8 ] 叶序双．爆炸作用理论基础[ M ] ．南京工程兵工程学 院，1 9 9 6 1 4 2 - 1 4 3 ． [ 9 ] 徐平，夏唐代，周新民单排空心管桩屏障对平面s V 波的隔离效果研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 7 1 1 3 1 ． 1 3 6 ． [ 9 ] x uP ，ⅪATD ，z H O uxM ．s t u d yo ne f f e c t o fb a r r i e ro f ar o wo fh o l l o wp i p ep i l e so ni 8 0 l a t i o n0 fi n c i d e n tp 1 8 n e s Vw a v e 8 [ J ] ．c h i n e s eJ 伽m a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i r l e e r - i n g ，2 0 0 7 1 1 3 1 - 1 3 6 ． i nC h i n e s e 万方数据