浅埋隧道爆破振动空洞效应研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．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 3 ．0 3 1 浅埋隧道爆破振动空洞效应研究 杨云凌 中铁- t - - t N 集团第六工程有限公司，福州3 5 0 0 1 4 摘要 浅埋隧道掘进过程中爆破震动速度存在空洞效应，导致地表振动速度存在区域性变化的特点，主 要表现为已开挖隧道地表的振速具有放大现象。采用数值模拟的方法，对浅埋隧道爆破振动空洞效应进行 了数值模拟研究，得出以下几个结论 1 振速放大系数随着离爆源水平距离的增大先有一个增大过程，当 增大至最大值后，振速放大系数会逐渐减小； 2 隧道埋深对振速放大系数有明显影响，随着隧道埋深的变 饯，振速放大系数逐渐变大，且振速放大系数增大的幅度会逐渐变小； 3 隧道断面尺寸对振速放大系数有 着较大的影响，随着断面尺寸的增大，振速放大系数不断增大。 关键词浅埋隧道；爆破震动；空洞效应；数值模拟 中图分类号U 4 6 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 1 2 7 0 4 H o l l o wE f f e c tI n d u c eb yB l a s t i n gV i b r a t i o ni nS h a l l o wT u n n e l s Y A N GY u n - l i n g C h i n aR a i l w a ys e v e n t e e nb u r e a ug r o u pS i x t hE n g i n e e r i n gC oL t d ，F u z h o u3 5 0 0 1 4 ，C h i n a A b s t r a c t S h a l l o wt u n n e le x c a v a t i o nm a yc a u s ec a v i t ye f f e c to nb l a s t i n gv i b r a t i o n ，w h i c hi n d u c e st h ev a r i a t i o no f v i b r a t i o nv e l o c i t yi ns o m ea r e a ，s u c ha st h ea m p l i f i c a t i o np h e n o m e n o no fg r o u n dv i b r a t i o no ne x i s t e dt u n n e lg r o u n d ． T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nW a su s e dt os t u d yt h i sc a v i t ye f f e c t ，a n dt h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eg i v e n 1 T h ea m p l i f y i n g c o e f f i c i e n te n l a r g e sw i t ht h ed i s t a n c ei n c r e a s i n gf i r e f l ya n dd e c r e a s e sl a t e r ， 2 T h ea m p l i f y i n gc o e f f i c i e n td i m i n i s h e s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eb u r i e dd e p t ho ft u n n e l ， 3 T h ea m p l i f y i n gc o e f f i c i e n te n l a r g e sw i t ht h ei n c r e a s i n gt r a n s e c t a r e ao ft u n n e l ． K e yw o r d s t u n n e le x c a v a t i o n ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；c a v i t ye f f e c t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 隧道掘进爆破振动空洞效应是指己开挖区形成 的空洞导致其上部地表振动速度大于未开挖部分的 地表振动速度的现象J 。空洞效应导致地表振动 速度存在区域性变化的特点，主要表现为已开挖隧 道地表的振速具有放大现象，且其爆破地震波衰减 规律与没有空洞时的衰减规律不一致。所以，研究 振动空洞效应，对于爆破地震预测的准确性，有着重 要的意义。 以长沙市地铁二号线西湖公园站一渫湾镇站区 间地铁隧道爆破施工为背景，采用A Y S Y S A U T O ． 收稿日期2 0 1 2 0 6 1 3 作者简介杨云凌 1 9 6 2 一 ，男，工程师，主要从事隧道工程研究， E m a i l q t w a n g b i t ．e d u ．c n 。 D Y N 有限元程序对隧道掘进爆破震动的产生、传播 进行了数值模拟，对隧道掘进爆破振动空洞效应及 其规律进行了研究。 1概述 长沙市地铁二号线西湖公园站一渫湾镇站区间 长4 2 1m ，采用暗挖钻爆法施工。隧道处在枫林一 路北侧人行道和山体下面，路面距隧道顶部1 8m 左 右。西一潆区间隧道采用分离式单线洞马蹄形断面 结构，开挖断面尺寸宽6 ．3 0m 高6 ．6 0m ，隧道基 岩为泥 砂 质板岩，隧道底板位于微风化和中风化 层的Ⅳ、V 级围岩，以Ⅳ级居多；隧道边墙位于强风 化层和中风化层的Ⅳ、V 级围岩，各占一半；隧道拱 万方数据 爆破2 0 1 2 年9 月 顶位于强风化和中风化层中的Ⅳ、V 级围岩，以V 级 居多。 ● 爆破设计的总体方案采用短台阶法施工，上、下 台阶断面均采用微差控制爆破技术，掏槽采用抛掷爆 破，拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，核心部分 采用弱松动爆破。减轻爆破对围岩的扰动，减轻振动 强度，维护围岩自身的稳定性，使隧道轮廓成形良好。 隧道掘进上台阶循环进尺为1 ．5m 。其中掏槽形式 为平行直孔掏槽，掏槽孔孔径为4 2I i l i n ，掏槽孔共 6 个，排距及孔距为5 0c m ，单孔药量为0 ．7 5k g 。 2 爆破振动监测 本次爆破振动监测的物理参量主要是地面质点 的振动速度，采用的仪器为成都中科动态仪器有限 公司生产的I D T S - - 3 8 5 0 爆破振动仪记录分析系统， 传感器为成都中科动态仪器有限公司生产的与 I D T S n 3 8 5 0 配套使用的速度传感器。 在进行测试时，为了研究爆破振动空洞效应的 影响，以掘进掌子面 爆区 为中心，在地表沿隧道 轴线对称布置振动测点，测点间距为5m 。每次爆 破在掘进的正反两个方向各布置4 个测点，掌子面 上方布置1 个测点。其布置形式如图1 所示。振动 监测结果可以看出，在掌子面前方 未开挖区 爆破 振动速度随水平距离的增大而不断减小，而成洞区 震动峰值速度普遍比未开挖区的要大。在成洞区， 最大峰值速度出现在2 号测点，即离掌子面1 5m 处。 图l 测点布置的平面示意图 数字1 9 为震动监测点 单位m F i g ．1 P l a n ed i a g r a mo fm e a s u r i n gp o i n t s N u m b e 璐1t o9 f o rt h e “b r a t i o nm o n i t o r i n gp o i n t s u n i t m 3 爆破振动空洞效应数值模拟研究 3 ．1 数值模拟方法及网格划分 本模型涉及到炸药的爆轰、应力波在岩石介质 内的传播、岩石介质在爆轰产物作用下的运动、爆坑 的形成、扩展等大变形过程，用L a g r a n g e 方法难以准 确模拟，因此采用A U T O D Y N 多物质高精度E u l e r 求 解器和L a g r a n g e 求解器相耦合的方法 流固耦合 来进行计算，即岩石采用L a g r a n g e 算法，而炸药爆轰 采用E u l e r 算法。 本模型采用的单位制为m m m g m s 。为了减小 计算量，提高计算精度，尽量使建立的模型空间尺寸 较小，考虑到隧道断面为宽6 ．3 0m 高6 ．6 0m ，所 以在计算时把隧道断面简化为直径为6 ．3m 的圆 形；同时由于测点 地面 离掏槽孔距离较大 最小 为1 8m ，所以可以把6 个掏槽孔简化为线装药密 度为0 ．6 k g ／m 、装药长度为7 5c m 的圆柱形装药 孔 深不变 ，这样就可以把整个模型简化为二维轴对 称模型了。 在对模型进行网格剖分时，模型的尺寸大小力 求精确，在炸药爆轰及爆轰产物直接与岩石介质作 用的区域，网格划分应尽可能细，这样才能减少计算 中的能量耗散，保证一定的计算精度。但若是模型 整体细分，必然使模型划分的网格数量成倍增大，增 加大量的计算机时；在建模时采用了变网格技术，其 中最小网格尺寸为5m m 。数值模型初始图如图2 所示。 1 i 【＼| t ⋯_ ⋯l t I 】 、、＼l ’ ㈠二杖‘『{ } i ‘⋯i 、一。1‘ J - ． j ．‘州lJ F i g ．2 N u m e f i c Mm o d e l N u m b e r S1t o9f o r t h e “b r a t i o nm o n i t o r i n gp o i n t s 3 ．2 材料模型和参数的选取． A U T O D Y N 程序作为非线性动力学问题的专用 数值计算模拟工具，它所提供的材料模型涵盖了广 泛的工程材料研究领域，完全可以满足本模型数值 计算的需要。在计算中乳化炸药采用删L 状态方 程，其参数见表l 。岩石采用S H O C K 状态方程、流 体弹塑性本构模型，其参数见表2 。填塞材料为泥 土，采用S H O C K 状态方程、流体弹塑性本构模型， 其参数见表2 。 表1 乳化炸药材料参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r sf o re m u l s i o ne x p l o s i v e g ．p ／c m _ 3 m D ／1 凡M b a ／r M A ／b a rM ∥b a r 冠． R∞ 。 s “ ‘ 一 1 ．0绷0 ．嘶0 ．4 20 ．0 0 4 43 ．5 50 ．1 60 ．4 1 万方数据 第2 9 卷第3 期杨云凌浅埋隧道爆破振动空洞效应研究 3 ．3 计算结果及分析 图3 为炸药爆炸后几个典型时刻的压力云图。 从图3 可以看出，炸药爆炸后1 ．2 吣时岩石内部的 压力峰值约2 0M P a ，在靠近坑道已开挖一侧，由于 稀疏波的影响，在靠近自由面处压力衰减较快；在 2 ．2m s 时压力峰值约1 ．0M P a ；在3 ．2m s 时冲击波 即将传播到地面，这时压力峰值衰减为0 ．5M P a ； 4 ．2m s 时冲击波已传播到地面。表3 为l 一9 号爆 破振动监测点的实验及数值模拟结果。从表3 可以 看出，在掌子面前方 未开挖区 爆破振动速度随水 平距离的增大而不断减小，而成洞区震动峰值速度 普遍比未开挖区的要大。总体来看数值模拟结果与 实验结果吻合较好，最大误差为一9 ．6 ％。在成洞 区，数值模拟结果普遍比实验结果要小，而在未开挖 区，数值模拟结果比实验结果要大。。 表2 岩石及泥土材料参数 ‘ T a b l e2M a t e f i 柚p a r a m e t e r sf o rr o c ka n ds o i l g ．乞_ 3 m ‰s 。T oM ∥P a 移M 吖P a g ‘c m 一3 m s 一1 。1 9 岩石 2 ．63 3 4 0 ．01 ．5 02 ．0 04 ．5 5 1 0 40 ．2 61 1 0 ．0 泥土 1 ．59 1 6 ．71 ．3 71 ．7 4 6 0 0 ．3 02 ．0 图3 炸药爆炸后不同时刻的压力云图 F i g ．3 P r e s s u r ec o n t o u ra td i f f e r e n tt i m e s 表3 数值模拟结果与实验结果的比较 T a b l e3R e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l 剐 “”目 引 监测点 l2345 6 789 3 ．5 43 ．6 73 ．3 72 ．8 0 2 ．7 2 2 ．5 l2 ．2 l 1 ．9 51 ．7 l 3 ．3 23 ．4 l 3 ．0 8 3 ．0 52 ．8 42 ．7 52 ．3 82 ．0 61 ．6 8 6 ．27 ．18 ．68 ．94 ．49 ．67 ．75 ．61 ．8 实验结果 模拟结果 误差／％ 为了进一步研究隧道掘进爆醇时振动空洞效应 及其变化规律，选取已开挖区的地表质点与其对称 于爆源的未开挖区地表质点的振动速度之比值作为 衡量爆破震动空洞效应的指标之一，称之为空洞效 应的振速放大系数指标。空洞效应的振速放大系数 的数学表达式为坑 V c ／虬。式中口。为已开挖区地 表振速峰值；％为未开挖区地表振速峰值。 为了研究隧道埋深对爆破振动空洞效应的影 响，在不改变隧道断面、爆破动荷载和围岩物理力学 指标等条件的情形下，对隧道埋深分别为1 2m 、 ●_口网一}H∥IUHHU■_■■ 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 1 8m 、2 4m 、3 0m 、4 2m 等5 种埋深状况时的地表震 动进行了数值计算分析。 图4 为隧道不同埋深状况下的振速放大系数随 水平距离的变化曲线，从图4 可以看出，隧道埋深对 振速放大系数有明显影响。随着隧道埋深的变浅， 振速放大系数逐渐变大，且振速放大系数增大的幅 度会逐渐变小。当埋深从4 2m 减小至1 2m 时，离 爆源水平距离1 5i n 处的振速放大系数由1 3 1 增至 1 ．7 7 ；其中隧道埋深从4 2m 减小至3 0m 时，振速放 大系数由1 ．3 1 增至1 ．6 0 ，增幅为0 ．2 9 ；但隧道埋深 从3 0I T I 降低至1 2m 时，振速放大系数则由1 ．6 0 增 至1 ．7 7 ，增幅仅为o ．1 7 。从图4 还可以看出，在隧 道埋深在1 2 ～4 2m 时，振速放大系数最大值出现在 离爆源水平距离1 5I l l 距离处。 1 ．8 1 ．6 q1 ．4 1 ．2 1 ．0 Ol O2 03 04 05 0 H m 图4 隧道埋深对振速放大系数工的影响 F i g ．4 T h eb u f f e dd e p t ho ft u n n e lo nf v 为了研究隧道断面面积对空洞效应的影响，假 设隧道断面形状为圆形，考虑隧道断面半径R 分别 为3m 、6r f l 、9m 时，在隧道埋深为1 8m 时不同位置 处的振速放大系数。图5 为在隧道埋深为1 8m 时 断面尺寸对振速放大系数的影响。从图5 可以看 出，隧道断面尺寸对振速放大系数有着较大的影响。 在圆形隧道断面，随着断面尺寸的增大，振速放大系 数不断增大。 4 结语 浅埋隧道掘进过程中爆破振动速度存在空洞效 应，导致地表振动速度存在区域性变化的特点，主要 表现为已开挖隧道地表的振速具有放大现象。采用 数值模拟的方法，对隧道掘进时炸药爆炸、冲击波形 成过程及振动速度空洞效应进行了数值模拟研究， 得出了下面几个结论 1 振速放大系数随着离爆源水平距离的增大 先有一个增大过程，当增大至最大值后，振速放大系 数会逐渐减小。对于本文研究的工况，离爆源的水 平距离约1 5m 处振速放大系数最大。 2 当隧道埋深在1 2 ～4 2m 时，隧道埋深对振 速放大系数有明显影响，随着隧道埋深的| 变浅，振速 放大系数逐渐变大，且振速放大系数增大的幅度会 逐渐变小。 3 隧道断面尺寸对振速放大系数有着较大的 影响。随着断面尺寸的增大，振速放大系数不断 增大。 I l m 图5隧道断面尺寸对放大系数工的影响 F i g ．5 T h ea ．1 e ao ft u n n e l ’St r a n s e c to n 工 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 曹孝君．浅埋隧道爆破的地表震动效应研究[ D ] ．成 都西南交通大学，2 0 0 6 ． [ 1 ]C A OX i a o - j u n ．S t u d yo nv i b e r a t i o ne f f e c t so fg r o u n dr e s u ] - t e df r o mb l a s t i n gi ns h a l l o wt u n n e l [ D ] ．C h e n g d u S o u t h w e a s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 6 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 喻军．浅埋隧道爆破振动空洞效应【j ] ．东南大学学 报，2 0 1 0 ，4 0 1 1 7 6 1 7 9 ． [ 2 ] Y UJ u n ．H o l l o we f f e c ti n d u c e db yb l a s t i n gv i b r a t i o ni n s h M l o wt u n n e l s [ J ] ．J o u m 8 lo fS o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ，4 0 1 1 7 6 - 1 7 9 ． i nC h i n e s e 万方数据