爆破震动对既有洞室影响的数值模拟.pdf

第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N o n f e r ∞u sM e t a l s V o I ．6 0 ．N o ．1 F e b r u a r y2008 爆破震动对既有洞室影H 向的数值模拟 崔积弘1 ，周健1 ，林从谋2 1 ．同济大学地下建筑与工程系，上海2 0 0 0 9 2 ； 2 ．华侨大学岩土工程研究所，福建泉州3 6 2 0 1 1 摘 要根据某抽水蓄能电站地下厂房嗣室群爆破开挖施工实研，应用动态有限元程序，采用A L E 算法和k r a n g e 算法相 耦合．建立简化模型，用集中装药代替实际的分散装药，模拟研究洞室的应力场和速度场特点，分析爆破震动对既有洞室的影响因 素。结果表明．水平速度明显高于垂直速度，临近爆源的隧道直墙上部周边振动速度最大，且出现多次峰值。应力最大值分布规 律表明迎爆侧和背爆侧的受力特点完全不同。模拟结果与现场测试数据基本吻合。 关键词爆破工程；既有洞室；数值模拟；地下工程；防震减灾 中图分类号T D 2 3 5 ．4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 1 0 1 0 4 随着国民经济的发展，国家对基础设施建设的 投入不断加大。由于地面空间利用已经达到了一定 的饱和，很多基础设施都转移到了地下。在大量的 地下工程中，爆破开挖震动对既有洞室的影响已倍 受注目，也是防震减灾工程的研究热点【卜6 j 。例如 高速公路相邻间距很小的两隧道的施工，铁路复线 隧道的施工，水电站的地下厂房建设等都存在这个 问题。由于对此类问题的研究缺乏理论的指导，实 际施工中出现了很多事故[ 1 l ，给工程施工带来了困 难。 邻近隧道的爆破对既有隧道的作用与影响，受 爆源、介质和隧道自身三大条件的影响。由于影响 因素比较复杂，造成对这一问题的研究与解决比较 困难。 结合泰安抽水蓄能电站地下厂房洞室群爆破开 挖灾害防治与预报项目，应用动力有限元程序模拟 爆破震动对既有洞室的影响，结合现场测试数据，得 到既有洞室的应力场和速度场分布。 1 爆破对既有洞室的振动强度的影响 分析 根据大量的洞内爆破振动测试结果分析，影响 爆破震动强度的因素主要有三个方面几何距离及 相对位置、爆破条件和地质条件[ 2 t 4 - 5 】。根据测点 值的散点分布图，爆破震动最大值与比例距离可回 收稿日期2 0 0 6 3 2 5 作者简介崔积弘 1 9 7 9 一 ，男．山东烟台市人。博士生，主要从事 软土地基处理技术及爆破工程理论等方面的研究。 归成指数衰减函数关系。 既有洞室的相对地理位置、洞室的横断面形状、 衬砌结构等对震动都有影响。而洞室的尺寸特征对 震动的影响，一般是认为随着隧道直径的增大，迎爆 一侧主要是由于应力波的反射拉伸作用，故应力会 有所增加，而背爆一侧的应力则没有明显的变化，说 明在隧道直径增大时，应力波的反射增强而绕射减 弱，洞周最大应力集中因子随隧道直径的增大而减 小[ 1 』。 爆破条件包括装药量、炸药性能和装药结构以 及爆破介质临空面的夹制条件等。在这些因素中， 除单段最大爆破药量在比例距离中已考虑外，爆破 的夹制条件是影响震动强度的另一重要因素。而 且，不同的掏槽方法、起爆顺序、布孔方式、空间延时 等对既有洞室的震动也有影响。如集中药包爆破 时，爆破质点振动速度与药量的立方成正比，延长药 包爆破时，振速与药量的平方根成正比。 从地质条件看，岩体地质条件对爆破振动 扰 动 场的影响主要表现在振动波的传播衰减指数上。 根据大量的现场测试资料，对比不同地质条件下隧 道迎爆侧的振动衰减方程，可以发现，岩体越坚硬完 整，衰减指数越小，即爆破地震波衰减较慢，而地震 波通过软弱破碎岩体时，振动衰减指数增大，地震波 衰减较快。 2 爆破对既有洞室影响的数值模拟与 实际算例 2 ．1 模型算法 根据实际情况，这里采用A L E 和L a g r a n g e 的 万方数据 1 0 2有色金属第6 0 卷 耦合算法。即炸药爆炸过程采用A L E 算法，岩石采 用L a g r a n g e 算法。时间积分采用显式中心差分法， 在计算中控制计算中能量，避免产生沙漏现象。 2 ．2 模型尺寸及网格划分 泰安抽水蓄能电站位于山东省泰安市西郊5 k m 的泰山西麓低山丘陵区，装机1 0 0 0 M W 。厂房区的 主要建筑包括地下厂房洞、主变洞、母线洞、尾水闸 门室、尾水调压井等，主要洞室埋深大于2 0 0 m 。工 程区规模较大的区域性断层有F 1 和F 3 。F 】断层破 碎带宽3 3 ～5 2 m ，距离地下厂房约4 6 0 m 。F s 断层 破碎带宽5 ～1 0 m ，距离尾水闸门室约5 0 0 m 。洞室 群区围岩以Ⅲ类为主，部分是Ⅱ类围岩。该地下厂 房的洞室较多，各个洞室之间的施工速度对既有隧 道的影响很复杂。开挖隧道对既有洞室边墙的最小 距离为3 1 ．5 m 。工程中实际所测试的4 母线道导 洞的拱顶弧度半径为4 ．5 m ，直墙的高度为6 m 。空 间有限元离散化采用4 结点四边形单元和轴对称单 2 ．3 边界处理 影响数值模拟成败的一个重要因素是对边界的 处理，因为如果边界处理不当，很容易产生边界效 应，直接影响到结果的准确性。在数值模拟中，除自 由边界外，炸药和岩石之间定义接触，其余边界为全 约束，且为了减少边界处的地震波的反射的影响，同 时施加无反射边界条件。 2 ．4 其他计算参数设定 越来越多的工程实测数据表明，岩石是一种粘 弹性的工程材料，故在模拟中，将岩石看作粘弹材 料。隧道开挖过程中，掏槽眼的最大药量达到 3 2 k g 。根据文献[ 2 ] ，当装药分散以后，质点的峰值 速度显著降低。故数值模拟中将炸药取为3 2 k g ，按 照集中装药进行分析，也是趋于保守的。 炸药和岩石的具体参数如表1 所示。模型计算 时间为0 ．6 s ，时间步长为0 ．0 0 0 2 s ，计算的质量缩放 系数为0 ．6 。 元。。 表1 炸药和岩石的参数 T a b l e1P a r a m e t e ro fe x p l o s i v ea n dr o c k 岩石上坐鲤立竺≥- 尘_ ～．￡塑L 卫一 2 6 0 0 3 ．7 7 1 0 ”2 ．5 2 1 0 900 ．5 炸药 ￡丛堕璺 望 罂 垒竺 里竺垦墨 墨 竺 墨 丝垦 刍竺 1 1 3 1 05 5 0 02 1 4 ．40 ．1 8 24 ．20 ．90 ．1 54 ．1 9 29 ．9 0 7 3 结果分析与验证比较 3 ．1 计算结果 对既有洞室周边一些关键点 A ，B ，C 和关键单 元 A ’，B ’，C ’ 的应力曲线和速度曲线进行了计算。 这里A 点为直墙上部处结点，B 点为迎爆侧起拱线 处结点，C 点为背爆侧起拱线处结点，A ’，B ’，C ’则 为上述点相对应的单元。得到洞室周边关键点的振 动速度场、加速度场、应力场等演变特征以及时程曲 线，同时也给出速度、加速度和应力的最大值的空间 分布图，如图1 ～图6 所示。需要注明的是此处的 速度和加速度都是水平和垂直方向的合速度。 通过分析模拟得到的隧道周边的爆破扰动场， 得到几点认识。 1 临近爆源的隧道直墙上部周边 振动速度最大，起拱线以上为次峰值振动区，且出现 多次峰值，因此上部直墙面为最危险的破坏发生区， 此区也正是爆炸波正入射作用点。背爆侧直墙的峰 值振动速度比迎爆侧小1 2 倍，所以背爆侧的安全性 高，可不设防护措施。 2 拱顶处的振动速度小于迎 爆侧的速度，但要高于背爆侧处的质点振动速度，也 e { o ．1 H _ ■● J L 舶● 一a ．1 2 | t ∞2 0 4 0 U ．0 1 0 ．0 20 ．0 30 ．0 4 T i 鹏 图1洞室周边结点A 。B 。c 速度时程图 F i g ．1V a r i a t i o no fv e l o c i t yo fn o d eA ，Ba n dCo n c i r c u m f e r e n c e 豁af u n c t i o no ft i m e 要高于底板处的振动速度。同时，由于拱顶区域受 到自身重力的作用，所以也是振动危险的区域。 3 从加速度的分布来看，尽管水平和垂直方向的加速 度的最大值是出现在拱顶，但水平和垂直方向加速 度的合速度却是出现在直墙的上部，这和文献[ 7 ] 给 出的现场测试的结果是一致的。 4 从速度的分布 来看，水平速度要明显高于垂直速度。从加速度的 比较来看，水平加速度要明显高于垂直加速度。从 万方数据 第1 期崔积弘等爆破震动对既有洞室影响的数值模拟 1 0 3 } _ ●■■ J J ■ J 1 靖 _ c ．t 五 } } 磕 5 承-．。A 1U ．Z 川1 y ’ 斟遂龇厶确 d 00 ．O l0 ．0 20 ．t 肼0 ．‘珥0 ．0 5 n 如B 图2 洞室周边节点A ，B ，C 加速度时程图 F i g ．2 V a r i a t i o no fa c c e l e r a t i o no fn o d eA ，Ba n dC o n c i r c u m f e r e n c ea saf u n c t i o no ft i m e i B a l m № 0 ●堋 J J 蝴 j 上m {j ，n ‘队M ．j√．Z 1 1醴严’w V叮⋯’ ．； 。Y i 00 ．0 10 ．0 20 ．0 30 ．0 4 0 ．0 5 T i n 蟹 图3 洞室周边单元A ，B ，C 应力时程图 F i g ．3 V a r i a t i o no fs t r e s so fe l e m e n tA ，Ba n dCo n c i r c u m f e r e n c ea saf u n c t i o no ft i m e 图4 洞室周边最大速度包络图 F i g ．4E n v e l o p ed i a g r a mo fm a x i m a l v e l o c i t yo nc i r c u m f e r e n c e 应力分布来看，总体上也是水平方向的应力要大于 垂直方向的应力值，且迎爆侧主要以水平方向的应 力为主，背爆侧主要以垂直方向的拉应力为主。 5 迎爆侧受地震波的直接入射，主要受反射拉伸作用， 强度大，而背爆侧主要受地震波的绕射作用，强度 低。这是迎爆侧的速度和加速度比背爆侧的高的原 因，也是水平应力要大于垂直应力的原因。 6 底角 虽然应力水平很高，但由于该部位夹制作用较大，与 直墙的其它部位相比振动相对较小，故底角不是最 危险的振动破坏区。 n 2 0 S M P a 严 泰． 0 ．1 3 8 M P a 图5 洞室周边最大应力包络图 F i g ．5E n v e l o p ed i a g r a mo fm a x i m a l s t r e s so nc i r c u m f e r e n c e 图6 洞室周边最大加速度包络图 F i g ．6E n v e l o p ed i a g r a mo fm a x i m a la c c e l e r a t i o n o nc i r e u m f e r e n c e 3 ．2 模拟结果验证比较 根据现场测试结果，洞室周边迎爆侧起拱线处 的最大速度为2 3 ．3 2 c m ／s ，比模拟结果的最大值 2 4 ．8 c m ／s 要偏小，但二者的速度分布曲线是基本一 致的。根据洞室爆破震动破坏标准，L a n g e f o r s 和 K i h l s t r o m 提出以2 5 c m ／s 的振动速度作为保守的壁 墙破坏标准，把3 0 c m ／s 的峰值质点速度作为不衬砌 隧道中岩石产生坠落的临界值[ 3 i ，故模拟结果还是 可以接受的。同时，根据类似方法得到的速度场比 较，速度[ 5 】曲线基本上是吻合的。由于现场并没有 测试加速度，但和其他类似工程现场加速度测试数 据的比较，加速度[ 7 】变化规律基本上是吻合的。二 者的衰减规律和分布规律也是比较接近的，这也证 明了该方法的合理性和可行性，同时也反证了计算 假设的点药包爆炸波在临近隧道周边产生的振动扰 动场是基本正确的。 撇 躲 舭 I 三 Ⅻ 瓢 。 I●●l●■■0tt■l，Il 卫 』 O J 卫 3 4 o o 句 曲 曲 m ●五■●■量f■l■-J■ 万方数据 1 0 4 有色金属 第6 0 卷 4结语 隧道掘进产生的爆破震动对既有洞室的影响比 较复杂，需要从爆炸应力波参数、作用于岩石的条件 以及洞室结构特征等多方面综合考虑，建立合理的 动力分析模型，从爆破设计参数与起爆方式，炸药与 岩石作用关系、开挖隧道和既有洞室之间的关系等 参考文献 多方面人手，才能搞清楚爆破作用对既有洞室作用 的实质以及既有洞室的速度场和应力场分布，从而 给出合理的防护措施。结合泰安抽水蓄能电站工程 项目，应用有限元程序，对既有洞室的应力场和速度 场进行了模拟研究，同时和梧桐山隧道二期工程的 测试数据进行对比，得出了一些初步结论，对类似工 程有一定的借鉴意义。 [ i ] 卿光全．电气化铁路复线控制爆破施工中的事故分析[ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 I 7 7 7 9 ． ， [ 2 ] 杨年华，刘慧．近距离爆破引起的隧道周边振动场[ J ] ．工程爆破，2 0 0 0 ，6 2 6 1 0 ． [ 3 ] 杨年华．隧道爆破振动安全标准分析[ J ] ．铁道工程学报，1 9 9 8 s 1 2 4 5 2 4 9 ． [ 4 ] 刘慧．招宝山超小净距双线隧道的安全控爆研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 0 ，6 1 4 9 5 5 ． [ 5 ] 谭忠盛，杨小林，王梦恕．复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 2 2 8 1 2 8 5 [ 6 ] 刘慧．邻近爆破对隧道影响的研究进展[ J ] ．爆破，1 9 9 9 ，1 6 1 5 7 6 3 ． [ 7 ] 阳生权，刘宝琛．小间距平行隧道爆破震动加速度测试[ J ] ．爆破器材，1 9 9 9 ，2 8 6 1 4 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE f f e c to fB l a s t i n gS e i s m i co nE x i s t i n gC h a m b e r C U Ij i ．h o n 9 1 ，Z H O U J i a n l ，L WC o n , g - m o u 2 1 ．D e p a r t m e n to fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to f C i v i l E n g i n e e r i n g ，H u a q i a oU n i v e r s i t y ，O u a n z h o u3 6 2 0 1 1 ，F u j i a n ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nT a i 7a nP u m p w a t e rH a r b o rP o w e r S t a t i o nU n d e r g r o u n dC h a m b e r G r o u n d sB l a s t i n gE x c a v a t i o nD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dP r e d i c t i o nP r o j e c t ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fb l a s t i n gs e i s m i co nt h ee x i s t i n gc h a m b e ri sa n a l y z e db ys i m u l a t i n gt h es t r e s sf i e l da n dv e l o c i t yf i e l do ft h ec h a m b e rw i t ht h e s i m p l i f i e dm o d e lb u i l tw i t ht h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n da r i t h m e t i cc o u p l e dA L Ea n dL a g r a n g ea n d s u b s t i t u t i o no ft h ec e n t r a l i z e dc h a r g ef o rd i s p e r s ec h a r g e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e v e lv e l o c i t yi sh i g h e rt h a n v e r t i c a lv e l o c i t y ，a n dt h eb i g g e s tv e l o c i t yl o c a t e sa tt h et o pp a r to ft h ef r o n t a lw a l la n dt h ep e a kv a l u ea p p e a r s m a n yt i m e s ．I ti si n d i c a t e db yt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h eb i g g e s ts t r e s st h a tt h es t r e s si sc o m p l e t e l yd i f f e r e n t f r o me a c ho t h e ro nb o t hs i d e so ft h ec h a m b e r ．T h es i m u l a t i n gr e s u l t sa r ew e l lc o n s o n a n tw i t ht h es p o tt e s td a t a ． K e y w o r d s b l a s t i n ge n g i n e e r i n g ；e x i s t i n gc h a m b e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；u n d e r g r o u n de 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